DE69513453T2 - Bürstenloser gleichstrommotor - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Ein derartiger bürstenloser Gleichstrommotor ist bekannt, beispielsweise aus US-A 5.285.135.
• Der bekannte Motor umfasst einen Sequenzer zur Steuerung der Antriebsstromlieferung zu selektierten Ständerspulen des Motors. Der Sequenzer wird in Reaktion auf die Detektion von Ereignissen, welche die Lage des Läufers angeben, fortgeschaltet. Der bekannte Motor umfasst weiterhin eine Verzögerungsschaltung zum Einstellen einer Verzögerung zwischen der Detektion eines Ereignisses und der Fortschaltung des Sequenzers zum Erhalten einer maximalen Leistungseffizienz.
• Es ist weiterhin an sich bekannt, daß durch Verschiebung der Kommutationspositionen in einer der Drehrichtung entgegengesetzten Richtung die Leistung eines Gleichstrommotors bei höheren Drehzahlen gesteigert werden kann. Die obengenannte Verschiebung der Kommutationspositionen ist auch als Vorkommutation bekannt.
• Verwendung eines Motor mit Vorkommutation ist interessant in einer Umgebung, in der bei hohen Betriebsdrehzahlen die Belastung des Motors groß ist, wie beispielsweise bei Küchenmaschinen wie Eismaschinen und Mischern. Ein Nachteil bei derartigem Gebrauch ist, dass die Drehzahl des Motors in unbelastetem Zustand (Nullast) sehr hoch ansteigen kann. Die sehr hohen Drehzahlen in unbelastetem Zustand stellen an die mechanische Konstruktion des Motors hohe Anforderungen.
• Die Erfindung hat u. a. zur Aufgabe, einen bürstenlosen Motor zu schaffen, der bei hoher Drehzahl eine hohe Leistung bringen kann und wobei in unbelastetem Zustand die Drehzahl begrenzt wird.
• Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor gelöst, der das Kennzeichen aufweist, dass die Kommutationsmittel mit Mitteln versehen sind zum Verzögern des Anschlusses einer nachfolgenden Stän derspule in Antwort auf eine neue Detektion einer nachfolgenden Läuferposition der vorbestimmten Läuferpositionen, bis eine vorbestimmte Verzögerungszeit seit der Detektion einer Läuferposition verstrichen ist, die um einen vorbestimmten Abstand vor der neu detektierten Läuferposition liegt. Durch diese Maßnahmen nimmt die Leistung des Motors ab, wenn die Drehzahl des Motors bis zu einem Wert ansteigt, bei dem das Zeitintervall zwischen den aufeinanderfolgenden Detektionen vorbestimmter Läuterpositionen der durch die Verzögerungsmittel herbeigeführten Zeitverzögerung entspricht. Die Leistung des Motors nimmt ab, weil durch die Verzögerungsmittel die Verbindung der nächsten Ständerspule auf einen späteren Zeitpunkt verschoben wird. Eine weitere Zunahme der Drehzahl wird auf diese Weise beschränkt.
• Eine Ausführungsform des bürstenlosen Gleichstrommotors weist das Kennzeichen auf, dass die Verzögerungsperiode bei der vorhergehenden Detektion einer Läuferposition startet. In unbelastetem Zustand wird die Drehzahl des Motors auf einen Wert ansteigen, bei dem das Zeitintervall zwischen den aufeinanderfolgenden Detektionen vorbestimmter Läuferpositionen dem durch die vorbestimmte Verzögerungsperiode bestimmten Wert entspricht. Eine weitere Zunahme der Drehzahl wird begrenzt, weil die Verbindung der nächsten Ständerspule auf einen späteren Zeitpunkt verschoben wird, was zu der Tatsache führt, dass die Leistung des Motors abnimmt.
• Eine Ausführungsform des bürstenlosen Gleichstrommotors weist das Kennzeichen auf, dass die Verzögerungsperiode in Reaktion auf die vorhergehende Detektion einer vorbestimmten Läuferposition startet, wenn die Verzögerungsperiode anderer Verzögerungsmittel verstrichen sind. In unbelastetem Zustand wird die Drehzahl des Motors auf einen Wert zunehmen, bei dem das Zeitintervall zwischen den Detektionen aufeinanderfolgender vorbestimmter Läuferpositionen dem durch die vorbestimmte Verzögerungsperiode bestimmten Wert entspricht. Eine weitere Zunahme der Drehzahl wird besser begrenzt als in der vorhergehenden Ausführungsform, und zwar durch die Tatsache, dass die Verzögerung nun kumulativ ist. Die Verzögerung nimmt kumulativ zu, solange die Motordrehzahl über dem genannten Wert liegt. Dies führt zu einem schroffen Abfall der Motorleistung, wenn die Drehzahl über dem genannten Wert liegt, so dass die Drehzahl im Wesentlichen auf den genannten Wert begrenzt ist.
• Eine Ausführungsform des bürstenlosen Gleichstrommotors weist das Kennzeichen auf, daß die Ständerspulen magnetisch gekoppelt sind und daß die Kommutationsschaltung mit Mitteln versehen ist, die jeweils bewirken, daß die Entkopplung der angeschlossenen Ständerspule und der Anschluß der nächsten Ständerspule nahezu gleichzeitig stattfindet.
• Bei dieser Ausführungsform wird durch die gleichzeitige Entkopplung und Anschließung in Kombination mit der magnetischen Kopplung die magnetische Energie von der einen auf die andere Ständerspule übertragen. Gegenüber einer Kommutation, bei der es zwischen der Entkopplung einer Ständerspule und dem Anschluß der nächsten Ständerspule ein erregungsloses Zeitintervall gibt, bietet diese Ausführungsform den Vorteil, daß die Wärmeableitung in dem Motor wesentlich geringer ist. Bei einem erregungslosen Zeitintervall ist es ja üblich, bei der Unterbrechung jeder Erregung die betreffende Ständerspule kurzzuschließen. Durch die in der Ständerspule gespeicherte magnetische Energie wird durch die Ständerspule ein Kurzschlußstrom fließen, der eine wesentliche Wärmeableitung in den Ständerspulen verursacht. Dies steht im Gegensatz zu einer Kommutation, bei der die magnetische Energie bei der Kommutation von der einen auf die andere Ständerspule übertragen wird.
• Eine der Einfachheit wegen interessante Ausführungsform weist das Kennzeichen auf, daß die Mittel zum Bewirken der gleichzeitigen Anschließung und Entkopplung einen Zustandsspeicher aufweisen, der in verschiedene Zustände gebracht werden kann, wobei jeder Zustand einem Erregungszustand entspricht, wobei die Kommutationsmittel zum Anschließen und Entkoppeln der Ständerwicklungen mit steuerbaren Schaltern sowie mit Mitteln versehen sind um entsprechend dem Zustand des Zustandsspeichers die Schalter in den sperrenden Zustand bzw. leitenden Zustand zu bringen, und mit Mitteln zum Anpassen des Zustandes des Zustandsspeichers in Reaktion auf Detektionen der vorbestimmten Läuferpositionen, und wobei die Verzögerungsmittel dazu eingerichtet sind, durch Verzögerung der Anpassung des Zustandes des Speichers, die Verzögerungen der Anschließungen zu bewirken.
• Eine Ausführungsform des bürstenlosen Motors weist das Kennzeichen auf, dass die Signalunterdrückungsmittel monostabile Multivibratoren aufweisen, die auf die Detektion der vorbestimmten Läuferpositionen reagieren, wobei die Ausgänge der Multivibratoren über Dioden mit Steuereingängen des Zustandsspeichers verbunden sind zum Empfangen der Anpassungssignale.
• Eine Ausführungsform des bürstenlosen Gleichstrommotors weist das Kennzeichen auf, dass der Ausgang eines Multivibrators eines der Verzögerungsmittel über eine Diode mit dem Eingang eines Multivibrators des anderen Verzögerungsmittels verbunden ist. Mit einfachen Mitteln kann die oben genannte Ausführungsform verbessert werden zum Erhalten einer kumulativen Verzögerung, wie bereits beschrieben, so dass die Drehzahlbegrenzung des Motors genauer definiert ist.
• Eine Ausführungsform des bürstenlosen Motors weist das Kennzeichen auf, daß zum Einstellen der vorbestimmten Verzögerungszeit Einstellmittel vorgesehen sind. Bei dieser Ausführungsform läßt sich auf einfache Weise der Wert einstellen, auf den die Drehzahl begrenzt werden soll.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Motors,
• Fig. 2 und 10 Detektionssignale als Funktion der Läuferposition, die durch einen Läuferpositionsdetektor in zwei verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Motors geliefert werden,
• Fig. 3, 7, 9, 11 und 12 Ausführungsformen von Schaltungsanordnungen zum Gebrauch in einem erfindungsgemäßen Motor,
• Fig. 4, 5, 8 und 13 als Funktion der Zeit mehrere Signale, die in Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Motors auftreten,
• Fig. 6 eine Ausführungsform eines Magnetkreises zum Gebrauch in einem erfindungsgemäßen Motor, und
• Fig. 14 die Drehzahl als Funktion der mechanischen Belastung für einen erfindungsgemäßen Motor.
• Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines bürstenlosen erfindungsgemäßen Gleichstrommotors 1. Der bürstenlose Gleichstrommotor 1 umfaßt einen Ständer mit zwei Ständerspulen 2 und 3. Durch Erregung der Ständerspulen 2 und 3 nach einem vorbestimmten zyklischen Muster lässt sich ein wechselndes Magnetfeld erzeugen, das auf einen gegenüber dem Ständer drehbaren dauermagnetischen Läufer 4 ein Moment ausübt. Um dafür zu sorgen, dass das durch das Magnetfeld verursachte Moment immer in derselben Richtung erfolgt, soll die Umschaltung (Kommutation) der Erregung von einer erregten zu einer nächsten Ständerspule in vorbestimmten Läuferpositionen, unten auch als Kommutationspositionen bezeichnet, erfolgen. Zur Detektion der Kommutationspositionen ist der bürstenlose Gleichstrommotor 1 mit einem Positionsdetektor 5 versehen. Dieser Positionsdetektor 5 kann von einer üblichen Art sein und beispielsweise einen sog. Hall-Sensor aufweisen, der derart angeordnet ist, dass dieser von dem durch den dauermagnetischen Läufer 4 erzeugten Magnetfeld beeinflusst wird. Der Positionsdetektor 5 liefert ein Detektionssignal Vd, das die Zeitpunkte angibt, an denen die Kommutationspositionen detektiert werden. Weiterhin ist der bürstenlose Gleichstrommotor mit einer Kommutationsschaltung 6 versehen, die in Reaktion auf die durch das Detektionssignal Vd angegebenen Detektionen der Kommutationspositionen die Ständerspulen 2 und 3 in einer vorbestimmten zyklischen Reihenfolge anschließen und Entkoppeln an/von eine(r) elektrische(n) Speisequelle, die an Anschlussklemmen 8 und 9 angeschlossen ist.
• Die elektrische Speisequelle umfasst vorzugsweise eine Gleichspannungsquelle 7, die eine nahezu konstante Spannung abgibt. Eine derartige Gleichspannungsquelle kann beispielsweise eine übliche Gleichrichterschaltung umfassen zum Gleichrichten der Netzspannung eines Wechselspannungsnetzes. Im Grunde kann die Speisequelle jedoch auch eine Gleichstromquelle umfassen, die einen nahezu von der Belastung unabhängigen konstanten Gleichstrom liefert.
• Zur Erläuterung ist in Fig. 2 das Detektionssignal Vd als Funktion der Läuferposition phi dargestellt. Die Werte phi = 0, 180 Grad, entsprechen den Läuferpositionen, in denen die Änderung der Läuferpositionsabhängigkeit von dem Magnetfeld, das von dem dauermagnetischen Läufer 4 in den Ständerspulen 2 erzeugt wird, minimal ist. Diese Positionen werden weiterhin als neutrale Läuferpositionen bezeichnet. Für niedrige Drehzahlen des Motors erfolgt die Kommutation vorzugsweise in diesen neutralen Läuferpositionen. Bei hohen Drehzahlen nimmt die Leistung von Gleichstrommotoren, bei denen die Kommutation in den neutralen Läuferpositionen erfolgt, stark ab. Für diese Drehzahlen lässt sich die Leistung des Motors (= abgegebene Leistung) dadurch steigern, dass die Kommutationspositionen gegenüber den neutralen Läuferpositionen vorgeschoben werden. In Fig. 2 liegen die neutralen Läu ferpositionen bei phi = 0º und phi = 180º. Die Kommutationspositionen sind über einen Abstand O gegenüber den neutralen Positionen vorgeschoben. Die Signalpegelübergänge in dem Signal Vd bezeichnen die Kommutationspositionen phi = -Θ und phi = 180 -Θ.
• Die Kommutationsschaltung 6 umfaßt eine Schalteinheit 10, über die eine Anschlussklemme 9 an einen Anschlusspunkt 12 der Ständerspule 2 und einen Anschlusspunkt 13 der Ständerspule 3 angeschlossen ist. Ein Anschlusspunkt 14 der Ständerspule 2 und ein Anschlusspunkt 15 der Ständerspule 3 sind an die Anschlussklemme 8 angeschlossen. Die Schalteinheit 10 ist einer Art, die im normalen Motorbetrieb je nach dem Signalpegel des Detektionssignals Vd den Anschlusspunkt 12 der Ständerspule 2 oder den Anschlusspunkt 13 der Ständerspule 3 mit der Anschlussklemme 9 verbindet. In Fig. 2 sind zur Erläuterung die dabei von der Schaltung 10 verursachten Spannungen V1 und V2 an den Ständerspulen 2 und 3 als Funktion der Läuferposition dargestellt.
• Der oben beschriebene Kommutationstyp, bei dem die Kommutation nicht an den neutralen Läuferpositionen erfolgt, sondern an Kommutationspositionen, die gegenüber den neutralen Läuferpositionen vorgeschoben sind (entgegen der Drehrichtung des Motors), wird unten kurz als Vorkommutation bezeichnet. Wie bereits bemerkt, wird durch die Vorkommutation die Leistung des Motors bei hohen Drehzahlen gesteigert. Dies bedeutet, dass in unbelastetem Zustand (Nullast) die Drehzahl des Motors wesentlich höhere Werte erreichen kann als bei einem Motor ohne Vorkommutation. Derartige äußerst hohe Nullastdrehzahlen stellen hohe Anforderungen an die mechanische Konstruktion des Motors.
• In Anwendungsbereichen, wie beispielsweise bei Küchenmaschinen, Eismaschinen und Mischern, bei denen der Gleichstrommotor bei hoher Drehzahl große Leistungen liefern soll, bei denen es aber auch häufig passiert, daß der Motor unbelastet läuft, ist es daher erwünscht, Vorkehrungen zu treffen, durch welche die Nullastdrehzahl begrenzt wird.
• Zur Begrenzung der Nullastdrehzahl ist der erfindungsgemäße Gleichstrommotor mit einer Schaltungsanordnung 11 versehen zum Verzögern des Anschlusses einer nächsten Ständerspule in Reaktion auf eine Neudetektion einer nächsten Kommutationsposition, bis eine vorbestimmte Verzögerungszeit verstrichen ist seit der Detektion einer Kommutationsposition, die um einen vorbestimmten Abstand vor der neu detektierten Kommutationsposition liegt.
• Fig. 3 zeigt detailliert eine etwaige Ausführungsform der Schaltungsanordnung 11 und der Schalteinheit 10. In der dargestellten Ausführungsform der Schalteinheit 10 wird das Detektionssignal Vd über einen Widerstand 20 als Steuersignal einem Steuereingang eines spannungsgesteuerten Schalters 21 zugeführt. Der Schalter 21 liegt zwischen der Anschlussklemme 9 und dem Anschlusspunkt 12 der Ständerspule 2. Das Detektionssignal Vd wird in einer Invertierschaltung 22 invertiert. Ein auf diese Weise erhaltenes invertiertes Detektionssignal VD' wird über einen Widerstand 23 als Steuersignal einem Steuereingang eines spannungsgesteuerten Schalters 24 zugeführt. Die spannungsgesteuerten Schalter können beispielsweise durch Transistoren vom sog. FET-Typ gebildet werden. Es sind jedoch auch andere Schaltertypen verwendbar.
• Die Schaltungsanordnung 11 umfaßt einen ersten (25) und einen zweiten monostabilen Multivibrator (26) einer Art, die in Reaktion auf eine Änderung eines Eingangssignals von einem niedrigen Spannungspegel auf einen hohen Spannungspegel während eines Zeitintervalls mit der Länge der Verzögerungszeit tr ein Ausgangssignal mit einem niedrigen Spannungspegel abgeben. Nach der Verzögerungszeit tr nimmt das Ausgangssignal einen hohen Spannungspegel an. Das Detektionssignal Vd wird als Eingangssignal dem monostabilen Multivibrator 25 zugeführt. Das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 25 wird über eine Diode 27 einem Knotenpunkt 28 zwischen dem Widerstand 23 und dem Steuereingang des Schalters 24 zugeführt. Dabei ist die Kathode der Diode 27 an den monostabilen Multivibrator 25 angeschlossen und die Anode der Diode 27 liegt an dem Knotenpunkt 28. Das invertierte Detektionssignal Vd' wird als Eingangssignal dem monostabilen Multivibrator 26 zugeführt. Das Ausgangssignal des monostabilen multivibrators 26 wird über eine Diode 29 einem Knotenpunkt 30 zwischen dem Widerstand 20 und dem Steuereingang des Schalters 21 zugeführt. Dabei ist die Kathode der Diode 29 an den monostabilen Multivibrator 26 angeschlossen und die Anode der Diode 30 ist an den Knotenpunkt 30 angeschlossen.
• Die Wirkungsweise der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung wird untenstehend anhand der Fig. 4 und 5 näher erläutert.
• Fig. 4 zeigt, für den Fall, dass die Drehzahl niedriger ist als eine Begrenzungsdrehzahl, das Detektionssignal Vd, das Ausgangssignal Vm1 des monostabilen Multivibrators 25, das Ausgangssignal Vm2 des monostabilen Multivibrators 26, die Spannung Vs1 am Steuereingang des Schalters 21 und die Spannung Vs2 am Steuereingang des Schalters 24 als Funktion der Zeit t. Zum Zeitpunkt t1 ändert der Signalpegel des Detektionssignals Vd von niedrig nach hoch, mit der Folge, daß das Ausgangssignal Vm1 des monostabilen Multivibrators 25 während eines Zeitintervalls mit der Länge der Verzögerungszeit tr einen niedrigen Signalpegel annimmt. Nachdem der Signalpegel des Signals Vm1 wieder hoch geworden ist, ändert zum Zeitpunkt t2 der Signalpegel des Detektionssignals Vd von hoch nach niedrig und damit ändert der Signalpegel des invertierten Detektionssignals Vd1 von niedrig nach hoch. Dadurch ändert der Spannungspegel des Steuersignals Vs1 von hoch nach niedrig und der Schalter 21 wird in einen Sperrzustand gebracht werden. Mit anderen Worten: die Ständerspule 2 wird von der Gleichspannungsquelle 7 entkoppelt. Da der Spannungspegel des Signals Vm1 bereits hoch geworden ist, wird in Reaktion auf die Änderung des Signalpegels des invertierten Detektionssignals Vd' der Signalpegel des Steuersignals Vs2 von niedrig nach hoch ändern, mit der Folge, daß der Schalter 24 in einen leitenden Zustand gebracht wird. Mit anderen Worten: in Reaktion auf eine Signalpegeländerung des invertierten Detektionssignals Vd' von niedrig nach hoch wird die Ständerspule 3 an die Gleichspannungsquelle 7 angeschlossen.
• Auf ähnliche Weise wird zum Zeitpunkt t3 in Reaktion auf eine Änderung des Signalpegels des Detektionssignals Vd von niedrig nach hoch die Ständerspule 3 von der Gleichspannungsquelle entkoppelt und gleichzeitig wird die Ständerspule 2 wieder an die Spannungsquelle 7 angeschlossen.
• Wie der Fig. 4 entnommen werden kann, haben die Ausgangssignale Vm1 und Vm2 der monostabilen Multivibratoren 25 und 26 keinen Einfluss auf die Kommutation, solange die Zeitdifferenz zwischen den aufeinanderfolgenden Signalpegeländerungen des Detektionssignals größer ist als die Verzögerungszeit tr.
• Fig. 5 zeigt dieselben Signale wie Fig. 4 für den Fall, daß die Zeitdifferenz zwischen den aufeinanderfolgenden Signalpegeländerungen des Detektionssignals kleiner ist als die Verzögerungszeit tr. In dem in Fig. 5 dargestellten Detektionssignal Vd erfolgt zum Zeitpunkt t1 eine Signalpegeländerung von niedrig nach hoch. Wenn zum Zeitpunkt t2 der Signalpegel des Detektionssignals Vd wieder niedrig wird, ist der Signalpegel des Ausgangssignals Vm1 des monostabilen Multivibrators 25 noch nicht zu dem hohen Signalpegel zurückgekehrt, so dass der Signalpegel des Steuersignals Vs2 für den Schalter 24 mittels der Diode 27 auf dem niedrigen Signalpegel des Ausgangssignals Vm1 festgehalten wird, bis der Signalpegel von Vm1 wieder hoch wird. Dies erfolgt zum Zeitpunkt t3, der um eine Zeit entsprechend der Länge der Verzögerungszeit tr gegenüber dem Zeitpunkt t1 verschoben ist. Mit anderen Worten: die Änderung des Signalpegels des Steuersignals Vs2 wird verzögert, bis seit dem Zeitpunkt t1 eine Zeit mit der Länge der Verzögerungszeit tr verstrichen ist. Dieser Zeitpunkt t1 gibt den Zeitpunkt an, an dem eine Kommutationsposition detektiert wird, die um einen vorbestimmten Abstand (180º in diesem Fall) vor derjenigen Kommutationsposition liegt, die zum Zeitpunkt t2 detektiert wurde.
• Auf ähnliche Weise wird nach der Signalpegeländerung des Detektionssignals, die zum Zeitpunkt t4 erfolgt die Signalpegeländerung des Steuersignals Vs1 verzögert, bis seit dem Zeitpunkt t2 eine Zeit entsprechend der Verzögerungszeit tr verstrichen ist. Die Entkopplung der Ständerspulen wird nicht durch die Ausgangssignale Vm1 und Vm2 der monostabilen Multivibratoren beeinflusst. Der Effekt der Verzögerung der Pegelerhöhung der Steuersignale Vs1 und Vs2 ist zweifach.
• Erstens erfolgt durch die Verzögerung der Steuersignalpegelerhöhung der Anschluss der nächsten zu erregenden Ständerspule bei einer Kommutationsposition, die gegenüber der bei Vorkommutation gehörenden Kommutationsposition nach hinten (in der Drehrichtung) verschoben ist. Diese Verschiebung führt zu einer Verringerung der Motorleistung.
• Zweitens gibt es zwischen der Erregung der aufeinanderfolgenden Ständerspulen jeweils ein erregungsloses Zeitintervall, was ebenfalls zu einer Verringerung der Motorleistung führt. Die beiden obengenannten Effekte führen dazu, daß über einer Begrenzungsdrehzahl, bei der das Zeitintervall zwischen den aufeinanderfolgenden Signalpegeländerungen des Detektionssignals kleiner wird als die Verzögerungszeit tr, die Motorleistung verringert und folglich die Drehzahl begrenzt wird.
• Bei der oben beschriebenen Ausführungsform des Motors gibt es bei einer wirksamen Drehzahlbegrenzung ein bestimmtes erregungsloses Zeitintervall zwischen der Entkopplung der erregten Ständerspule und der Anschließung der näch sten Ständerspule. Nach Entkopplung der erregten Ständerspule soll die in der erregten Ständerspule gespeicherte magnetische Energie abgebaut werden. Dabei ist es üblich, die entkoppelte Ständerspule beispielsweise über eine sog. Freilaufdiode kurzzuschließen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß die Ständerspulen durch die dabei auftretenden Kurzschlussströme wesentlich erhitzt werden.
• Ein Kommutationsverfahren, bei dem wesentlich weniger Wärmeableitung in den Ständerspulen erfolgt, ist ein Verfahren, bei dem die Ständerspulen magnetisch miteinander gekoppelt sind und bei dem zwischen der Entkopplung einer erregten Ständerspule und der Anschließung einer nächsten Ständerspule keine erregungslosen Zeitintervalle auftreten. In dem Fall wird bei der Kommutation die magnetische Energie in der entkoppelten Ständerspule zu der Ständerspule übertragen, die mit der entkoppelten Ständerspule eine magnetische Kopplung hat. Eine Bedingung dabei ist jedoch, daß die Anschließung der nächsten Ständerspule an die Gleichspannungsquelle im wesentlichen gleichzeitig mit der Entkopplung der erregten Ständerspule erfolgt.
• Bevor eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors beschrieben wird, bei dem Vorkehrungen getroffen wurden um die Entkopplung und die Anschließung auch während der Begrenzung der Nullastdrehzahl gleichzeitig erfolgen zu lassen, wird zunächst anhand der Fig. 6 eine Ausführungsform des Magnetkreises eines Gleichstrommotors beschrieben, bei dem es zwischen den Ständerspulen eine nahezu vollkommene magnetische Kopplung gibt. Der Magnetkreis umfaßt einen im wesentlichen U-förmigen Ständer aus magnetisch leitendem Material. Die Enden der Schenkel 61 und 62 des Ständers 60 umfassen einen nahezu zylinderförmigen Raum, in dem der Läufer 4 drehbar angeordnet ist. Um die Schenkel 61 und 62 des Ständers 60 sind bifilare Wicklungen vorgesehen. Die Windungen des ersten Drahtes 63 der Zweidrahtwicklung bilden die Ständerspule 2 und die Windungen des zweiten Drahtes 64 der Zweidrahtwicklung bilden die Ständerspule 3. Die durch den Draht 63 gebildete Ständerspule 2 liegt zwischen dem Schalter 24 und der Anschlussklemme 8. Die durch den Draht 64 gebildete Ständerspule 3 liegt zwischen dem Schalter 21 und der Anschlussklemme 9. Der Anschluss der Ständerspulen ist derart, dass bei geschlossenem Schalter (erregter Zustand) die Richtung des durch die Ständerspulen 2 und 3 in dem Ständer erzeugte magnetische Fluss entgegengesetzt ist.
• Die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform des Magnetkreises bietet den Vorteil, dass es zwischen den Ständerspulen 2 und 3 eine nahezu vollkommene magnetische Kopplung gibt. Obschon die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform durch die nahezu vollkommene magnetische Kopplung zwischen den Ständerspulen bevorzugt wird, sei bemerkt, daß auch andere Magnetkreise, bei denen es zwischen den Ständerspulen eine magnetische Kopplung gibt, möglich sind.
• Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform der Kombination der Schalteinheit 10 und der Schaltungsanordnung 11, die sich insbesondere dazu eignet, in bürstenlosen Gleichstrommotoren zur Anwendung gebracht zu werden, wobei es zwischen den Ständerspulen eine magnetische Kopplung gibt. In Fig. 7 sind die den Schaltungselementen der Fig. 3 entsprechenden Elemente mit denselben Bezugszeichen angegeben.
• Die in Fig. 7 dargestellte Schalteinheit ist mit Mitteln versehen, die bewirken, dass die Entkopplung der angeschlossenen Ständerspulen und die Anschließung der nächsten Ständerspule nahezu gleichzeitig erfolgt. Diese Mittel umfassen einen Zustandsspeicher, der in eine Anzahl unterschiedlicher Zustände gebracht werden kann, wobei jeder Zustand einem Erregungszustand entspricht. Dieser Zustandsspeicher wird in der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform durch eine RS- Flip-Flop-Schaltung 70 gebildet. Die RS-Flip-Flop-Schaltung 70 ist einer üblichen Art, die durch eine Signalpegeländerung von niedrig nach hoch an einem Setz- Eingang gesetzt wird, und die in Reaktion auf eine Signalpegeländerung von niedrig nach hoch an einem Rücksetzeingang zurückgesetzt wird. Der Setzeingang (5) der Flip-Flop-Schaltung 70 ist mit dem Knotenpunkt 28 verbunden. Der Rücksetzeingang (R) ist mit dem Knotenpunkt 30 verbunden. Die Flip-Flop-Schaltung 70 hat zwei Ausgänge, die zwei Ausgangssignale abgeben die gegenüber einander invertiert sind und angeben, ob die Flip-Flop-Schaltung gesetzt oder zurückgesetzt ist. Diese Ausgangssignale der Flip-Flop-Schaltung 70 sind als Steuersignale Vs1 und Vs2 für die Schalter 21 und 24 wirksam, so dass die Schalter 21 und 24 entsprechend dem Zustand der Flip-Flop-Schaltung 70 (gesetzt oder zurückgesetzt) in den sperrenden oder leitenden Zustand gebracht werden. Dadurch, dass die Steuersignale der Schalter 21 und 24 immer zueinander invertiert sind, ist die Entkopplung der einen Ständerspule von der Gleichstromquelle 7 immer gleichzeitig mit der Anschließung der anderen Ständerspule daran.
• Zur Erläuterung sind in Fig. 8 die in der Ausführungsform nach Fig. 7 auftretenden Signale Vd, Vm1, Vm2, Vs1 und Vs2 als Funktion der Zeit dargestellt, für den Fall, dass die Drehzahlbegrenzung wirksam ist. Die Verzögerungszeit tr ist in dem Fall größer als das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalpegeländerungen des Detektionssignals Vd, wodurch der Zeitpunkt der Kommutation auf einen späteren Zeitpunkt verschoben wird, mit der Folge, dass die Leistung des Motors verringert und folglich eine weitere Steigerung der Drehzahl vermieden wird.
• Obenstehend wurde die Erfindung beschrieben für einen Zweiphasenmotor. Es dürfte dem Fachmann einleuchten, daß die Erfindung sich ebenfalls durchaus bei Gleichstrommotoren mit drei oder mehr Ständerspulen anwenden lässt. Fig. 9 zeigt zur Erläuterung eine Ausführungsform eines bürstenlosen Motors mit drei Ständerspulen 80a, 80b und 80c. Ein Positionsdetektor 81 detektiert drei aufeinanderfolgenden Kommutationspositionen, die um jeweils 120º gegenüber einander versetzt sind. Diese Kommutationspositionen sind die Läuferpositionen, bei denen im normalen Betrieb jeweils eine nächste der Ständerspulen 80 an die Gleichspannungsquelle 82 angeschlossen werden muß. Der Positionsdetektor 81 ist von einer üblich Art, die drei Detektionssignale Vd1, Vd2 und Vd3 abgibt, in denen die Übergänge von einem niedrigen zu einem hohen Signalpegel die Zeitpunkte angeben, an denen die obengenannten Kommutationspositionen vom Positionsdetektor 81 detektiert werden. Fig. 10 zeigt zur Erläuterung die Detektionssignale Vd1, Vd2 und Vd3 als Funktion der Läuferposition. Die Detektionssignale Vd1, Vd2 und Vd3 werden über Widerstände 83a, 83b bzw. 83c den Steuereingängen spannungsgesteuerter Schalter 84a, 84b bzw. 84c zugeführt. Zum Verzögern der Anschließung der Ständerspule 80a an die Gleichspannungsquelle 82 umfasst der Motor einen monostabilen Multivibrator 85a, dessen Eingang das Detektionssignal Vd3 zugeführt wird und dessen Ausgangssignal über eine Diode 86a einem Knotenpunkt des Widerstandes 83a und des Steuereingangs des Schalters 84a zugeführt wird. Das Detektionssignal Vd3 gibt die Detektion der Kommutationsposition an, die um 120º vor der Kommutationsposition liegt, deren Detektion durch das Detektionssignal Vd1 angegeben wird. Auf eine Art und Weise, ähnlich wie die, die anhand der Fig. 3 und 5 beschrieben worden ist, wird die Anschließung der Ständerspule 80a verzögert, bis seit der letzten Signalpegeländerung von niedrig nach hoch in dem Detektionssignal Vd3 eine der Verzögerungszeit tr entsprechende Zeit verstrichen ist. Auf ähnliche Weise werden mit Hilfe der monostabilen Multivibratoren 85b und 85c und der Dioden 86b und 86c Verzögerungen der Anschließungen der Ständerspulen 80b und 80c verwirklicht.
• In Fig. 11 wird eine Anpassung der in Fig. 10 dargestellten Ausführungsform dargestellt, die mit einem Zustandsspeicher versehen ist, der durch drei RS- Flip-Flop-Schaltungen 90a, 90b und 90c gebildet wird, deren Setz-(S) und Rücksetzeingänge (R) an die Knotenpunkte der Widerstände 83 und der Dioden 86 angeschlossen sind. Durch Anwendung des Zustandsspeichers wird auf ähnliche Weise wie bei Fig. 7 beschrieben, erreicht, dass die Entkopplung einer angeschlossenen Ständerspule und die Anschließung der nächsten Ständerspule nahezu gleichzeitig erfolgt.
• Fig. 12 zeigt detailliert eine andere mögliche Ausführungsform für die Schaltungsanordnung 11. Das Detektionssignal Vd wird dem monostabilen Multivibrator 25 als Eingangssignal über einen Widerstand 101 zugeführt. Das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 25 wird über eine Diode 103 einem Eingang des monostabilen Multivibrators 26 zugeführt. Das invertierte Detektionssignal Vd' wird dem monostabilen Multivibrator 26 als Eingangssignal über einen Widerstand 102 zugeführt. Das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 26 wird über eine Diode 104 dem Eingang des monostabilen Multivibrators 25 zugeführt. Mit den Dioden 103 und 104 werden nun die Multivibratoren 25 und 26 gekoppelt. Die Widerstände 101 und 102 dienen zur Vermeidung eines direkten Kurzschlusses von Vd und Vd'. Die Wirkungsweise der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung wird nun anhand der Fig. 4 und 14 näher erläutert.
• Fig. 4 Fig. 4 zeigt, für den Fall, daß die Drehzahl niedriger ist als eine Begrenzungsdrehzahl, das Detektionssignal Vd, das Ausgangssignal Vm1 des monostabilen Multivibrators 25, das Ausgangssignal Vm2 des monostabilen Multivibrators 26, die Spannung Vs1 am Steuereingang des Schalters 21 und die Spannung Vs2 am Steuereingang des Schalters 24 als Funktion der Zeit t. Wenn aber die Motordrehzahl niedriger ist als die Begrenzungsdrehzahl, gibt es keine Differenz in der Wirkungsweise der Schaltungsanordnungen nach Fig. 3 und Fig. 12.
• Fig. 13 zeigt dieselben Signale wie Fig. 4 für den Fall, daß die Zeitdifferenz zwischen den aufeinanderfolgenden Signalpegeländerungen des Detektionssignals kleiner ist als die Verzögerungszeit tr. In dem in Fig. 13 dargestellten Detektionssignal Vd erfolgt zum Zeitpunkt t1 eine Signalpegeländerung von niedrig nach hoch. Wenn zum Zeitpunkt t2 der Signalpegel des Detektionssignals Vd wieder niedrig wird, ist der Signalpegel des Ausgangssignals Vm1 des monostabilen Multivibrators 25 noch nicht zu dem hohen Signalpegel zurückgekehrt, so daß der Signalpegel des Steuersignals Vs2 für den Schalter 24 mittels der Diode 27 auf dem niedrigen Signalpegel des Ausgangssignals Vm1 festgehalten wird, bis der Signalpegel von Vm1 wieder hoch wird. Dies erfolgt zum Zeitpunkt t3 der um eine Zeit entsprechend der Länge der Verzögerungszeit tr gegenüber dem Zeitpunkt t1 verschoben ist. Mit anderen Worten: die Änderung des Signalpegels des Steuersignals Vs2 wird um eine Periode Transistor-td1 (wobei td1 = t2 - t1) verzögert, bis seit dem Zeitpunkt t1 eine Zeit mit der Länge der Verzögerungszeit tr verstrichen ist. Dieser Zeitpunkt t1 gibt den Zeitpunkt an, an dem eine Kommutationsposition detektiert wird, die um einen vorbestimmten Abstand (180º in diesem Fall) vor derjenigen Kommutationsposition liegt, die zum Zeitpunkt t2 detektiert wurde.
• Nach der Änderung des Signalpegels des Detektionssignals Vd, die zu dem Zeitpunkt T4 stattfindet, wird die Änderung des Signalpegels des Steuersignals Vs1 bis t5 verzögert, wenn eine Zeitperiode entsprechend der Verzögerungsperiode Transistor seit dem Zeitpunkt t3 verstrichen ist (der in der Ausführungsform nach Fig. 3 t2 war). Dies ist weil der Multivibrator 26 nur getriggert werden kann nachdem das Ausgangssignal des Multivibrators 25 zu dem hohen Signalpegel zurückgekehrt sind. Mit anderen Worten: die Änderung des Signalpegels des Steuersignals Vs1 wird um eine Periode tr - td1 + tr - td2 (wobei td2 = t4 - t2) seit dem Zeitpunkt t1 verzögert. Folglich gibt es einen kumulativen Effekt durch die Kopplung der Multivibratoren. Eine weitere Zunahme der Drehzahl wird vermieden durch die Tatsache, dass die Verzögerung nun kumulativ ist. Dies führt zu einer Verzögerung, die kumulativ zunimmt, solange td1, td2 usw. größer sind als tr. Dies führt zu einem schroffen Abfall der Motorleistung, wenn die Motordrehzahl über dem genannten Wert liegt, so dass die Motordrehzahl im Wesentlichen auf den genannten Wert begrenzt wird.
• Als Beispiel zeigt Fig. 14 das Muster der Drehzahl n des Motors nach der Erfindung als Funktion der mechanischen Belastung Plst des Motors. Mit dem Bezugszeichen 111 wird das Drehzahlmuster für die Ausführungsform nach der Fig. 3 dargestellt. Bei abnehmender Belastung Plst nimmt die Drehzahl n zu bis eine Begrenzungsdrehzahl nb erreicht ist. Bei abnehmender Belastung wird die Drehzahlbegrenzung wirksam und durch die Verschiebung des Zeitpunktes, an dem die nächste Ständerspule verbunden wird, wird die Motorleistung reduziert und die Drehzahl wird zwischen nb und 2nb begrenzt.
• Mit dem Bezugszeichen 112 ist das Drehzahlmuster angegeben für die Ausführungsform nach Fig. 12. Bei abnehmender Belastung Plst nimmt die Drehzahl zu bis eine Begrenzungsdrehzahl nb erreicht ist. Bei abnehmender Belastung wird die Drehzahlbegrenzung wirksam und durch die kumulative Verschiebung des Zeitpunktes, an dem die nächste Ständerspule verbunden wird, wird die Motorleistung reduziert, bis die Drehzahl der Begrenzungsdrehzahl nb entspricht.
• Als Beispiel zeigt Fig. 14 gestrichelt das Drehzahlmuster in dem Fall, wo keine Maßnahmen zur Drehzahlbegrenzung getroffen wurden. Dadurch, dass die Verzögerungsperiode Transistor eingestellt wird, kann die Begrenzungsdrehzahl nb eingestellt werden. Wenn monostabile Multivibratoren verwendet werden, wie in dem Fall bei den Ausführungsformen nach Fig. 3 und 12, kann die Verzögerungsperiode Transistor einfach durch Einstellung des Widerstandswertes eines Widerstandes eingestellt werden, wobei dieser Widerstand die Zeitperiode des vorhergehenden Abfalls des Pegels des Ausgangssignals regelt, wobei dieser Abfall in Reaktion auf Änderungen des Signalpegels in dem Detektionssignal Vd herbeigeführt wird. Die Potentiometer 31 und 32 können zum Einstellen des genannten Widerstandswertes benutzt werden, wobei diese Potentiometer mit den monostabilen Multivibratoren 25 und 26 verbunden werden und deren Schleifer mechanisch gekuppelt sind.
• Obenstehend wurde die Erfindung anhand von Ausführungsformen beschrieben, in denen die Kommutationsschaltung durch eine sog. "hard-wired"- Schaltung gebildet wird. Es sei bemerkt, daß der erfindungsgemäße Motor ebenfalls mit Kommutationsschaltungen verwirklicht werden kann, bei denen die Ermittlung der Zeitpunkte, an denen die jeweiligen Ständerspulen entkoppelt und angeschlossen werden müssen, mit Hilfe sog. programmgesteuerter Schaltungen in Form beispielsweise eines Mikroprozessors erhalten wird, der mit einem dazu geeigneten Steuerprogramm geladen ist.
• Zum Schluß sei bemerkt, daß die Erfindung sich durchaus dazu eignet, in Kombination mit Vorkommutation angewandt zu werden, weil die Nullastdrehzahl bei derartigen Motoren einen sehr hohen Wert annehmen kann. Die Erfindung ist jedoch auch anwendbar bei Motoren, bei denen keine Vorkommutation angewandt wird.

Claims (9)

1. Bürstenloser Gleichstrommotor mit:

- einem Ständer mit mindestens zwei Ständerspulen (2,3),

- einem gegenüber dem Ständer drehbar angeordneten Läufer (4),

- Positionsdetektionsmitteln (5) zum Detektieren vorbestimmter Läuferpositionen, die in vorbestimmten Abständen voneinander liegen

- elektronischen Kommutationsmitteln (6) zum wenigstens in Antwort auf die jeweilige Detektion der vorbestimmten Läuferpositionen in einer vorbestimmten zyklischen Reihenfolge Anschließen bzw. Entkoppeln der Ständerspulen an bzw. von eine(r) elektrische(n) Speisequelle, wobei die elektronischen Kommutationsmittel Verzögerungsmittel (11) aufweisen zum Verzögern des Anschlusses der Ständerspulen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutationsmittel mit wenigstens zwei Verzögerungsmitteln (11) versehen sind, je zum Verzögern des Anschlusses einer nachfolgenden Ständerspule (2, 3), bis eine vorbestimmte Verzögerungszeit seit der Detektion einer Läuferposition verstrichen ist, die um einen vorbestimmten Abstand vor der neu detektierten Läuferposition liegt.

2. Bürstenloser Gleichstrommotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsperiode (tr) bei der vorhergehenden Detektione einer vorbestimmten Läuferposition startet.

3. Bürstenloser Gleichstrommotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsperiode (tr) in Reaktion auf die vorhergehende Detektion einer vorbestimmten Läuferposition startet, wenn die Verzögerungsperiode anderer Verzögerungsmittel (25) verstrichen ist.

4. Bürstenloser Gleichstrommotor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerspulen (2, 3) magnetisch gekoppelt sind und dass die Kommutationsmittel (6) Mittel (21, 24, 70; 90a, 90b, 90c; 84a, 84b, 84c)aufweisen, die jeweils bewirken, daß die Entkopplung der angeschlossenen Ständerspulen (2) und der Anschluß der nächsten Ständerspule (3) nahezu gleichzeitig stattfindet.

5. Bürstenloser Gleichstrommotor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Bewirken der gleichzeitigen Anschließung und Entkopplung einen Zustandsspeicher (70; 90a, 90b, 90c) aufweisen, der in verschiedene Zustände gebracht werden kann, wobei jeder Zustand einem Erregungszustand entspricht, wobei die Kommutationsmittel zum Anschließen und Entkoppeln der Ständerwicklungen (2, 3; 80a, 80b, 80c) mit steuerbaren Schaltern sowie mit Mitteln versehen sind um entsprechend dem Zustand des Zustandsspeichers die Schalter in den Sperrzustand bzw. in den leitenden Zustand zu bringen, und mit Mitteln (20, 22, 23; 82, 83, 85, 86) zum Anpassen des Zustandes des Zustandsspeichers in Reaktion auf die Detektion der vorbestimmten Läuferpositionen, und wobei die Verzögerungsmittel (11; 85) dazu eingerichtet sind, durch Verzögerung der Anpassung des Zustandes des Speichers, die Verzögerungen der Anschlussvorgänge zu bewirken.

6. Bürstenloser Gleichstrommotor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicheranpassungsmittel Mittel umfassen zum auf Basis der Detektion der Läuferpositionen Ableiten von Anpassungssignalen (Vs1, Vs2) zum Bewirken der Anpassung des Zustandes des Zustandsspeichers (90) und wobei die Verzögerungsmittel (85) dazu eingerichtet sind, während der vorbestimmten Verzögerungszeit (tr), die der Detektion der Läuferposition folgt, die um den vorbestimmten Abstand vor der neu detektierten Läuferposition liegt, die Anpassungssignale zu unterdrücken.

7. Bürstenloser Gleichstrommotor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalunterdrückungsmittel auf die Detektion der vorbestimmten Läuferpositionen reagierende monostabile Multivibratoren (85) umfassen, deren Ausgänge zum Empfangen der Anpassungssignale über Dioden (86) an Steuereingänge des Zustandsspeichers (90) angeschlossen sind.

8. Bürstenloser Gleichstrommotor (1) nach Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang eines Multivibrators (25) eines der Verzögerungsmittel über eine Diode (103) mit dem Eingang eines Multivibrators (26) eines anderen Verzögerungsmittels verbunden ist.

9. Bürstenloser Gleichstrommotor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen der vorbestimmten Verzögerungszeit (tr) Einstellmittel (31, 32) vorgesehen sind.