DE69121697T2 - Gleichstrommotor - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor, der insbesondere, jedoch nicht ausschließlich als Antriebsquelle oder dergleichen für einen Konstant-Geschwindigkeitsantrieb, einen Konstant-Drehmomentsantrieb oder eine Servosteuerung bei verschiedenen industriellen Maschinen verwendet werden und der ein Hochgeschwindigkeits-Dreiphasen Gleichstrommotor sein kann.
• Üblicherweise werden als Hochgeschwindigkeitsmotore beispielsweise Halbleitermotore einschließlich kernloser Motore verwendet, die eine kleine Induktivität (bürstenlose Motore) besitzen. Üblicherweise enthalten diese Motore die Gieichspannungsquelle, wobei das Ausgangssignal einer Wechselspannungsquelle gleichgerichtet wird, und besitzen daher den Nachteil, daß sie groß und teuer sind. Insbesondere in dem Fall, wo ein Inverter verwendet wird, wird dieser Nachteil deutlich. Außerdem haben die oben erwähnten konventionellen Motore eine maximale Drehzahl von 3000 bis 6000 Umdrehung pro Minute, und eine Verminderung der maximalen Drehzahl ist unausweichlich, wenn eine höhere Ausgangsleistung erforderlich ist.
• Wenn inan jedoch die Spannung, die an den Motor angelegt wird, erhöht, um die Drehzahl zu steigern, fällt der Wirkungsgrad des Motors und die praktische Anwendbarkeit des Motors geht verloren.
• Bisher ist jedoch noch keine elektrische Schaltung für einen Konstant-Drehmomentantrieb, einen Konstant-Geschwindigkeitsantrieb oder eine Servosteuerung entwickelt worden, die einen stabilen Betrieb und einen besonders effektiven Betrieb während des Hochgeschwindigkeitsbetriebs des Motors garantiert.
• Die EP-A 387 358 offenbart einen Gleichstrommotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wo die magnetische Energie der Ankerspulen in die Kondensatoren übertragen wird, um bei der Reduzierung der gespeicherten magnetischen Energie zu helfen, wenn die Erregung der Ankerspulen unterbrochen wird. Wenn folglich ein nach vorne fließender Strom in einer Ankerspule unterbrochen wird, lädt die magnetische Energie, die in der Ankerspule gespeichert ist, Kondensatoren, und die resultierende Spannung in den Kondensatoren wird weiter dazu verwendet, den Anfangsstrom zu verstärken, der in die nächste Ankerspule fließt, damit sie in der Vorwärtsrichtung erregt wird.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Gleichstrommotor so anzupassen, daß eine Ausführungsform des angepaßten Motors einen kleinen und preiswerten Gleichstrommotor bereitstellen kann, der mit hohen Drehzahlen schnell und effektiv arbeiten kann.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Gleichstrommotor bereitgestellt, mit:
• einer Positionsermittlungseinrichtung zum Liefern von Positionsermittlungssignalen in Abhängigkeit von der Drehposition eines Rotors des Gleichstrommotors;
• einer Erregungsteuerschaltung, die mit einer Gleichstromquelle verbunden ist, um Ankerspulen des Gleichstrommotors sukzessive zu erregen;
• wobei die Positionsermittlungseinrichtung so ausgelegt ist, daß sie sukzessive eine erste Positionsermittlungssignalgruppe und eine zweite Positionsermittlungssignalgruppe in Abhängigkeit von der Drehposition des Rotors des Gleichstrommotors liefert, wobei die erste Positionsermittlungssignalgruppe mehrere Positionsermittlungssignale enthält, die die gleiche Phasenanzahl des Gleichstrommotors besitzen und mit jeder der Phasen in Beziehung stehen, und die zweite Positionsermittlungssignalgruppe mehrere Positionsermittlungssignale enthält, die eine vorgegebene Phasendifferenz in bezug auf entsprechende der ersten Positionsermittlungssignalgruppe haben;
• wobei die Erregungssteuerschaltung so ausgelegt ist, daß sie sukzessive Ankerspulen von individuellen Phasen in einer Vorwärtsrichtung gemäß der ersten Positionsermittlungssignaigruppe erregt, und daß sie sukzessive die Ankerspulen der individuellen Phasen in einer Umkehrrichtung gemäß der zweiten Positionsermittlungssignalgruppe erregt;
• einer Diodengruppe, die angeordnet ist, um einen Umkehrstrom zu verhindern, und zwischen der Gleichspannungsquelle und den Ankerspulen vorgesehen ist;
• mehreren Kondensatoren, die mit den entsprechenden Dioden verbunden sind; und
• einer Schaltungseinrichtung, die ausgelegt ist, um magnetische Energie in die Kondensatoren zu laden, die in den Ankerspulen gespeichert ist, wenn deren Erregung unterbrochen wird, um dadurch schnell die gespeicherte magnetische Energie zu reduzieren, und um schnell einen Ankerstrom anzuheben, der durch eine Ankerspule läuft, durch eine Spannung, die in den Kondensatoren geladen ist, wenn eine Erregung dieser Ankerspule begonnen wird;
• dadurch gekennzeichnet, daß
• eine jede der Umkehrstrom-Vermeidungsdioden und der Kondensator, der damit verbunden ist, einer bestimmten der Ankerspulen zugeordnet ist, und daß die Schaltungseinrichtung ausgelegt ist, um die magnetische Energie, die in jeder entsprechenden der Ankerspulen gespeichert ist, wenn ihre Erregung unterbrochen wird, in einen zugehörigen der Kondensatoren zu laden, um dadurch schnell die magnetische Energie zu reduzieren, die in der Ankerspule gespeichert ist, wobei die Spannung, die dadurch in den zugehörigen Kondensator geladen ist, beibehalten wird, bis sie zurück an die gleiche Ankerspule angelegt wird, um den Ankerstrom schnell anzuheben, der dadurch in die Umkehrrichtung läuft, wenn diese gleiche Ankerspule als nächste in dieser Umkehrrichtung erregt wird.
• Vorzugsweise besitzt der Gleichstrommotor weiter eine Zerhackerschaltung zum Unterbrechen der Erregung der Ankerspule bei jeder Phase, wenn der Ankerstrom, der durch sie fließt, größer wird als ein oberer Grenzwert, sowie zur Wiederaufnahme der Erregung, wenn der Ankerstrom kleiner als ein unterer Grenzwert wird.
• Der Kondensator wird mit der magnetischen Energie geladen, die in der Ankerspule gespeichert ist, in welcher die Erregung unterbrochen wird, nicht nur zum schnellen Reduzieren der gespeicherten magnetischen Energie, sondern auch zur Veranlassung, daß der umgekehrte Ankerstrom schnell durch die Spannung des Kondensators ansteigt, wenn die umgekehrte Erregung der Ankerspule jeder Phase begonnen wird. Damit kann das Gegendrehmoment, das durch die gespeicherte magnetische Energie verursacht wird, und die Verminderung des Drehmoments, was aus dem verzögerten Ansteigen des Ankerstroms resultiert, verhindert werden, wodurch nicht nur die Drehgeschwindigkeit des Motors gesteigert, sondern auch sein Wirkungsgrad verbessert werden kann.
• Daher ist ein Motor dieser Erfindung als Antriebsquelle einer Bohrmaschine, einer Poliermaschine, eines Elektroautos und dergleichen geeignet. Wenn eine Spannungsquelle verwendet wird, die einen Wechselstrom gleichrichten kann, um den Gleichstrom zu erhalten, kann ein Kondensator mit einer kleinen Kapazität als Glättungskondensator verwendet werden, der den Teil der Spannungsversorgung bildet, so daß die Span nungsversorgung und somit der Motor kleiner und preiswerter hergestellt werden kann. Vorzugsweise wird die Zerhackerschaltung verwendet, um den Ankerstrom zu steuern, d.h., das Motorabgabedrehmoment innerhalb eines bestimmten Bereichs, so daß das Motorabgabedrehmoment variabel oder auf ein konstan tes Drehmoment gesteuert werden kann. Außerdem erlaubt die Steuerung des Abgabedrehmoments einen konstanten Drehzahlbetrieb des Motors.
• Fig. 1 ist eine Abwicklung, die einen Magnetrotor und Ankerspulen eines Gleichstrommotors nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
• Fig. 2 ist ein Blockschaltungsdiagramm, welches eine logische Schaltung zeigt, die eine Positionsermittlungseinrichtung in Zusammenarbeit mit Positionsermittlungselementen, die in Fig. 1 gezeigt sind, zeigt;
• Fig. 3 ist ein Schaltungsdiagramm, welches eine Erregungssteuerschaltung in Verbindung mit der Positionsermittlungseinrichtung, die in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, zeigt;
• Fig. 4 ist ein Zeitablaufdiagramm, welches ein Beispiel von Positionsermittlungssignalen zeigt, die von der logischen Schaltung in Fig. 2 zusammen mit Ankerströmen ausgegeben werden;
• Fig. 5 ist ein Zeitablaufdiagramm, welches ein Beispiel von elektrischen Signalen zeigt, die von den Positionsermittlungselementen in Fig. 1 zusammen mit den Positionsermittlungssignalen geliefert werden;
• Fig. 6 ist ein Blockschaltungsdiagramm, welches eine Modifikation der Erregungssteuerschaltung in Fig. 3 zeigt; und
• Fig. 7 ist ein Schaltungsdiagramm, welches eine Erregungssteuerschaltung zeigt, die bei einem Gleichstrommotor nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.
• Mit Hilfe von Fig. 1 bis 5 wird nun ein dreiphasenstemförmiger Halbleitermotor nach der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Bei der folgenden Beschreibung bedeuten Grade elektrische Winkel.
• Der Halbleitermotor besitzt einen Körper, der einen Magnetrotor 1 und erste bis dritte Phasenankerspulen 4a bis 4c besitzt, wie in der Abwicklung von Fig. 1 gezeigt ist, und eine Positionsermittlungseinrichtung zur Ermittlung der Drehposition des Rotors 1. Die Positionsermittlungseinrichtung enthält Hall-Elemente 3a bis 3c, die in Fig. 1 gezeigt sind, und eine logische Schaltung B die in Fig. 2 gezeigt ist. In Fig. 1 stellt das Symbol A die Drehrichtung des Motors dar.
• Die Hall-Elemente 3a bis 3c sind voneinander um 120º beabstandet und an der Ankerseite des Motorkörpers gegenüber den Magnetpolen 1a und 1b des Rotors 1 befestigt. Die logische Schaltung B erzeugt sechs Serien von Positionsermittlungssignalen, um den Motor gemäß den elektrischen Signalen anzusteuern, die von den Hall-Elementen 3a bis 3c ausgegeben werden, und sie besitzt einen bekannten Aufbau. Insbesondere werden elektrische Signale 25, 27 und 29 (Fig. 5), die von den Hall-Elementen 3a bis 3c geliefert werden, und elektrische Signale 26, 28 und 30 (Fig. 5), die durch Invertierung der elektrischen Signale erhalten werden, an die Eingangsanschlüsse 5a bis 5f der logischen Schaltung B jeweils über einen Verstärker (nicht gezeigt) geliefert, und die logische Schaltung B gibt Positionsermittlungssignale 31 bis 36 (Fig. 5) aus, die in Abhängigkeit von den elektrischen Eingangssignalen an den Ausgangsanschlüssen 6a bis 6f erhalten werden. Die Hall-Elemente 3a bis 3c sind einer Weise angeordnet, daß sie Positionsermittlungssignale erzeugen können, die einen elektrischen Strom für die Ankerspulen 4a bis 4c der entsprechenden Phasen während der Periode ermöglichen, in denen ein maximales Drehmoment des Motors erzielbar ist.
• Der Gleichstrommotor besitzt außerdem eine Erregungssteuerschaltung, die in Fig. 3 gezeigt ist, die die Stromlieferung für die erste bis dritte Phasenankerspule 4a bis 4c steuert, und eine Gleichspannungsquelle zur Lieferung elektrischer Leistung für diese Schaltung. Die Erregungssteuerschaltung besitzt Eingangsanschlüsse 8a bis 8c und 9a bis 9c, die jeweils mit Ausgangsanschlüssen 6a bis 6f der logischen Schalung B verbunden sind.
• Es wird nun die Schaltungsanordnung der Erregungssteuerschaltung in bezug auf die erstphasige Ankerspule 4a beschrieben.
• Die Ankerspule 4a ist an ihrem einen Ende mit dem Kollektor eines Transistors 10a verbunden; der Emitter des Transistors ist mit einem positiven Anschluß 2a der Gleichspannungsversorgung über eine Diode 17a verbunden; und eine Basis des Transistors 10a ist mit dem Eingangsanschluß 8a der Erregungssteuerschaltung über einen Inverter verbunden. Der Eingangsanschluß 8a ist mit der Basis eines Transistors 10b verbunden, und dessen Emitter ist mit einem negativen Anschluß 2b der Gleichspannungsversorgung und mit dem Emitter eines anderen Transistors 10d verbunden. Der Kollektor und die Basis des Transistors 10d sind mit dem Verbindungspunkt zwischen der Ankerspule 4a bzw. dem Transistor 10a und dem Eingangsanschluß 9a der Erregungssteuerschaltung verbunden. Der Kollektor des Transistors 10b ist mit einem Verbindungspunkt zwischen der Ankerspule 4a und dem Kollektor eines Transistors 10c verbunden; sein Emitter ist mit dem positiven Anschluß 2a der Gleichspannungsversorgung verbunden; und seine Basis ist mit dem Eingangsanschluß 9a der Erregungssteuerschaltung über einen Inverter verbunden. Die Anode einer Diode 12a und die Kathode einer Diode 12d sind mit dem Verbindungspunkt zwischen der Ankerspule 4a und den Transistoren 10a und 10d verbunden. Die Kathode der Diode 12a ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Transistor 10c und der Diode 17a verbunden, und die Anode der Diode 12d ist mit dem negativen Anschluß 2d der Gleichspannungsversorgung verbunden. Eine Diode 12b, die mit ihrer Anode mit dem negativen Anschluß 2b der Gleichspannungsversorgung verbunden ist, besitzt eine Kathode, die mit dem Verbindungspunkt verbunden ist, an den eine Diode 12c, die Ankerspule 4a und Transistoren 10b und 10c geschaltet sind. Die Kathode der Diode 12d ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Transistor 10a und der Diode 17a verbunden. Die Ankerspule 4a und die Transistoren 10a bis 10d bilden eine erste Brückenschaltung, und ein Kondensator 16a ist parallel zur Diode 17a geschaltet. Die Anordnungen der Erregungssteuerschaltung in bezug auf die zweite und dritte Ankerphasenspule 4b und 4c sind mit der oben beschrieben Anordnung bezüglich der Ankerspule 4a identisch, so daß auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet wird. In Fig. 3 entsprechen die Transistoren 11a bis 11d, ein Kondensator 16b und eine Diode 17b, die mit der Spule 4b in Verbindung stehen, und die Transistoren 11e bis 11h, ein Kondensator 16c, eine Diode 17d, die mit der Spule 4c in Verbindung stehen, jeweils den Elementen 10a bis 10d, 16a und 17a, die mit der Spule 4a in Verbindung stehen. Die Ankerspule 4b und Transistoren 11a bis 11d bilden eine zweite Brückenschaltung, und die Ankerspule 4c und die Transistoren 11e bis 11h bilden eine dritte Brückenschaltung
• Die Transistoren 10a bis 11h können durch andere Halbleiterschaltelemente gebildet sein. Für einen Motor mit einer hohen Ausgangsleistung kann vorzugsweise ein Schaltelement, das als IGBT bezeichnet wird, welches eine Kombination eines Feldeffekttransistors und eines Transistors ist, ver wendet werden. Außerdem können die Kondensatoren 16a, 16b und 16c in einer Weise geschaltet werden, wie dies durch gestrichelte Linien in Fig. 3 angedeutet ist. Außerdem können, wie in Fig. 6 gezeigt ist, die Dioden 17a, 17b und 17c und die Kondensatoren 16a, 16b und 16c auf der Seite des negativen Anschlusses 2b der Gleichspannungsversorgung angeordnet sein. In Fig. 6 bezeichnen die Svmbole D, E und F die erste bis dritte Transistorbrückenschaltung einschließlich der Ankerspulen 4a, 4b und 4c, und die Dioden 17a, 17b und 17c sind jeweils in der Vorwärtsrichtung geschaltet, damit der Fluß eines Ankerstroms ermöglicht wird.
• Es wird nun die Betriebsweise des Gleichstrommotors, der wie oben aufgebaut ist, beschrieben.
• Wenn der Rotor 1 gedreht wird, werden jeweils elektrische Rechtecksignale 25, 27 und 29 (Fig. 5) durch die Hall-Elemente 3a bis 3c erzeugt und zu den Eingangsanschlüssen 5a, 5c und 5e der logischen Schaltung B geliefert. Diese elektrischen Signale nehmen einen hohen Pegel an (angedeutet mit 25a, 25b, 27a, 27b, 29a und 29b in Fig. 5), wenn die Hall-Elemente 3a bis 3c innerhalb des Magnetfeldes des Magnetpols 1b (S-Pol) liegen. Die elektrischen Signale 26, 28 und 30, die durch Invertierung der obigen elektrischen Signale erhalten werden, wobei ein Element (nicht gezeigt) verwendet wird, werden zu den Eingangsanschlüssen 5b, 5d und 5f der logischen Schaltung B geliefert. Die elektrischen Signale 25a bis 30b mit dem hohen Pegel besitzen jeweils eine Breite von 180º, und benachbarte davon (beispielsweise die Signale 25a und 25b) sind voneinander um 180º getrennt. Die logische Schaltung B liefert das erste bis sechste Positionsermittlungssignal 31 bis 36, welches von den elektrischen Signalen 25 bis 30 hergeleitet wird, zu den Eingangsanschlüssen 8a bis 8c und 9a bis 9c der Erregungssteuerschaltung in Fig. 3 von den Ausgangsanschlüssen 6a bis 6f.
• Wenn ein Signal 31a mit einem hohen Pegel an den Eingangsanschluß 8a der Erregungssteuerschaltung angelegt wird, werden die Transistoren 10a und 10b leitend. Als Folge davon werden beide Enden der Ankerspule 4a entsprechend mit dem positiven und negativen Anschluß 2a und 2b der Gleichspannungsversorgung verbunden, und somit fließt ein elektrischer Strom über die Ankerspule 4a in einer Vorwärtsrichtung (nach rechts in Fig. 3). Wenn ein Signal 34a mit einem hohen Pegel an den Eingangsanschluß 9a angelegt wird, werden die Transistoren loc und 10d eingeschaltet, wodurch ein elektrischer Strom über die Ankerspule 4a in einer umgekehrten Richtung (nach links) fließt. Wenn in ähnlicher Weise ein Signal 32a oder 35a mit einem hohen Pegel an den Eingangsanschluß 8b oder 9b angelegt wird, wird die Ankerspule 4b in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung erregt. Das gleiche gilt für die Ankerspule 4c. Wie aus den obigen Ausführungen verstanden werden kann, wird ein elektrischer Strom sukzessive zu den Ankerspulen 4a bis 4c in der Vorwärtsrichtung in Perioden geliefert, die der Breite der Positionsermittlungssignalkurven 31a, 31b ..., den Kurven 32a, 32b, ..., und den Kurven 33a, 33b, ... entsprechen. Außerdem wird ein elektrischer Strom sukzessive zu den Ankerspulen 4a bis 4c in der Rückwärtsrichtung in Perioden geliefert, die der Breite der Positionsermittlungssignalkurven 34a, 34b, ..., den Kurven 35a, 35b, ..., und den Kurven 36a, 36b, ... entsprechen.
• Mit Hilfe von Fig. 4 wird nun die Vorwärtsstromlieferung zur Ankerspule 4a beschrieben, wenn das erste Positions ermittlungssignal 31a mit dem hohen Pegel angelegt wird.
• Wenn wie oben erwähnt wird ein erstes Positionsermittlungssignal mit einem hohen Pegel, welches durch eine Kurve 31a angedeutet ist, an den Eingangsanschluß 8a der Erregungssteuerschaltung angelegt wird, damit die Transistoren 10a und 10b eingeschaltet werden, wird die Ankerspule 4a in der Vorwärtsrichtung erregt. In einem Anfangszustand der Erregung steigt der Ankerstrom aufgrund der Induktivität der Ankerspule 4a an, wie durch die gestrichelte Linie 4a in Fig. 4 angedeutet ist.
• Wenn das erste Positionsermittlungssignal 31a mit dem hohen Pegel anschließend abfällt, wird der Transistor 10a und lob ausgeschaltet. In diesem Zeitpunkt fließt ein elektrischer Strom als Folge der magnetischen Energie, die in der Ankerspule 4a gespeichert ist, durch eine geschlossene Schaltung, die durch die Ankerspule 4a, die Diode 12c, den Kondensator 16a, den positiven und negativen Anschluß 2a und 2b der Gleichspannungsversorgung, die Diode 12 d und die Ankerspule 4a gebildet ist, um den Kondensator 16a auf die Polarität zu laden, wie in Fig&sub6; 3 gezeigt ist. Demzufolge wird der größte Teil der magnetischen Energie, die in der Ankerspule 4a gespeichert ist, schnell in eine elektro-statische Energie des Kondensators 16a umgesetzt, und der Rest wird zur Gleichspannungsquelle zurückgeliefert. Als Folge davon fällt der Ankerstrom rasch ab, wie durch die gestrichelte Linie 22b in Fig. 4 gezeigt.
• Um die Erregungsteuerung der Ankerspule 4a ausführlicher zu beschreiben, wenn der Rotor 1 des Gleichstrommotors weiter gedreht wird, muß das Positionsermittlungssignal 34a an den Eingangsanschluß 9a der Erregungssteuerschaltung angelegt werden, und die Transistoren 10c und 10d werden eingeschaltet, um die Ankerspule 4a in der umgekehrten Richtung zu erregen. In diesem Fall wird die Ankerspule 4a mit einer Spannung beliefert, die gleich der Summe der Spannung der Gleichspannungsquelle und der Spannung ist, auf die der Kondensator 16a aufgeladen ist.
• Demnach steigt der Ankerstrom 18b schnell an, wie mit 22c in Fig. 4 angedeutet ist. Aus dem gleichen Grund wird der ansteigende Bereich 22a des Ankerstroms 18a steil , wenn das Positionsermittlungssignal 31a geliefert wird. Wenn das Signal 34a abfällt, wird der Kondensator 16a über die Dioden 12a und 12b durch die magnetische Energie geladen, die in der Ankerspule 4a gespeichert ist, wodurch der Ankerstrom 18b schnell abfällt.
• In Fig. 4 bezeichnet das Zeichen 18c einen elektrischen Strom, der durch die Ankerspule 4a fließt, wenn das Positionsermittlungssignal 31b zum Eingangsanschluß 8a der Erregungssteuerschaltung geliefert wird. Dieser Ankerstrom steigt aufgrund des gleichen, oben erwähnten Grundes ebenfalls schnell an und fällt schnell ab.
• Beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Gleichstrommotors wird die Dauer der Positionsermittlungssignale 31a, 34a und 31b kurz, während die Anstiegszeit und die Abfallzeit des Ankerstroms unverändert bleiben. Bei herkömmlichen Motoren wird, wenn die Motordrehzahl ungefähr 10000 Umdrehungen pro Minute übersteigt, die Breite des ansteigenden und abfallenden Bereichs des Ankerstroms individuell größer als 30º. Als Folge davon sinkt das Abgabedrehmoment des Motors, während das Gegendrehmoment (Verringerung des Drehmoments) ansteigt und somit der Betriebswirkungsgrad des Motors abfällt, wo durch es schwierig wird, die Drehgeschwindigkeit zu steigern. Im Gegensatz dazu wird bei dem Gleichstrommotor nach dieser Erfindung die Breite der ansteigenden und abfallenden Bereiche des Ankerstroms durch Laden und Entladen des Kondensators 16a reduziert, wodurch der Abfall des Motorbetriebswirkungs grads, der durch eine Dreffiomentreduktion oder einen Anstieg des Gegendrehmoments verursacht wird, vermieden werden kann, wodurch ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb ermöglicht wird. Die Ladungsspannung für jeden der Kgndensatoren 16a, 16b und 16c wird auf einen Wert eingestellt, der gleich oder kleiner als die Haltespannung der Transistoren 10a bis 11h ist, die den oberen Grenzwert der Drehzahl des Motors bestimmt.
• Die Vorwärts- und Rückwärtserregungssteuerung für die Ankerspule 4b wird in der gleichen Weise wie die für die Ankerspule 4a ausgeführt. Das heißt, wenn das Positionsermittlungssignal 32a oder 32b zum Eingangsanschluß 8b der Erregungssteuerschaltung geliefert wird, oder wenn das Positionsermittlungssignal 35a zum Eingangsanschluß 9d geliefert wird, wird das Schalten der Transistoren ha bis lid in einer Weise gesteuert, daß ein Ankerstrom 19a oder 19c durch die Ankerspule 4b in der Vorwärtsrichtung oder daß ein Ankerstrom 19b durch die Ankerspule 4b in der Rückwärtsrichtung fließt. In diesem Fall steigen die Ankerströme 19a, 19b und 19c durch die Aktionen der Umkehrstrom-Vermeidungsdiode 17b und des Kondensators 16b schnell an und fallen schnell ab. In Fig. 4 bezeichnet das Bezugszeichen 19 eine 180-Grad-Spanne, in der Vorwärtsdrehmoment erzeugt wird, während 19a eine Erregungsperiode bezeichnet, die eine Breite von 120º besitzt. Im allgemeinen werden die Positionen der Positionsermittlungselemente 3a, 3b und 3c, die in Fig. 1 gezeigt sind, so eingestellt, das die Erregungsperiode 19a in der Mitte der Vorwärtsdrehmomenterzeugungsperiode liegt. Wenn jedoch ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Motors erforderlich ist, wird jedes Positionsermittlungselement vorzugsweise so positioniert, daß die Erregungsperiode 19a in Richtung auf den Beginn der Vorwärtsdrehmomenterzeugungsperiode vorgeschoben wird (nach links in Fig. 4), um das maximale Drehmoment zu erhalten.
• Die Vorwärts- und Rückwärtserregungssteuerung für die Ankerspule 4c wird in der gleichen Weise wie die für die Ankerspulen 4a und 4b durchgeführt. Das heißt, wenn das Positionsermittlungssignal 31a zum Eingangsanschluß 8c der Erregungssteuerschaltung geliefert wird, oder wenn das Positionsermittlungssignal 36a oder 36b zum Eingangsanschluß 9c geliefert wird, wird das Schalten der Transistoren 11e bis 11h so gesteuert, daß der Ankerstrom 10a durch die Ankerspule 4c in der Vorwärtsrichtung oder in der Umkehrrichtung in Abhängigkeit von der Erregungsrichtung fließt. In diesem Zeitpunkt steigen die Ankerströme 20a und 20b durch die Aktionen der Umkehrstromvermeidungsdiode 17c und des Kondensators 16c schnell an und fallen schnell ab.
• Wenn ein elektrischer Strom durch die Ankerspulen 4a, 4b und 4c in der Vorwärts- und Umkehrrichtung fließt, erzeugt der Gleichstrommotor ein Ausgangsdrehmoment, das gleich der Summe der Drehmomente ist, die durch die Ankerströme 18a bis 18c, 19a bis 19c, 20a und 20b erzeugt werden. Aus diesem Grund ist der Motor in der Lage, einen Hochdrehzahlbetrieb auszuführen.
• Es wird nun ein dreiphasiger Gleichstrommotor nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
• Der Motor nach dieser Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, daß die Erregungsteuerschaltung eine Zerhackerschaltung besitzt, um die Ankerströme zu steuern, und daß die Kondensatoren 16a bis 16c und die Dioden 17a bis 17c auf der Seite des negativen Anschlusses 2b der Gleichspannungsversorgung angeordnet sind, wie dies in der Modifikation nach Fig. 6 gezeigt ist. Der Motor dieser Ausführungsform ist mit einer Erregungssteuerschaltung, die in Fig. 7 gezeigt ist, versehen.
• Wie in Fig. 7 gezeigt ist, besitzt die Erregungssteuerschaltung zusätzlich zu den Schaltungselementen, die in Fig. 2 gezeigt sind, UND-Glieder 7a und 7b, einen Operationsverstärker 14a und einen Widerstand 13a, die mit der Ankerspule 4a in Verbindung stehen, UND-Glieder 7c und 7d, einen Operationsverstärker 14b und einen Widerstand 13b, die mit der Ankerspule 4b in Verbindung stehen, und UND-Glieder (nicht gezeigt), einen Operationsverstärker 14c und einen Widerstand (nicht gezeigt), die mit der Ankerspule 4c in Verbindung stehen. In Fig. 7 stellt der Block G die peripheren Schaltungselemente in bezug auf die Ankerspule 4c dar.
• Diejenigen Elemente, die zusätzlich für die Ankerspule 4a vorgesehen sind, werden nun beschrieben. Das UND- Glied 7a besitzt einen Eingangsanschluß, der mit dem Eingangsanschluß 8a der Erregungssteuerschaltung verbunden ist, einen anderen Eingangsanschluß, der mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 14a verbunden ist, und einen Ausgangsanschluß, der mit dem Transistor 10a über einen Inverter verbunden ist. Das UND-Glied 7b besitzt einen Eingangsanschluß, der mit dem Eingangsanschluß 9a der Erregungssteuerschaltung verbunden ist, einen anderen Eingangsanschluß, der mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 14a ver bunden ist, und einen Ausgangsanschluß, der mit dem Transistor 10c über einen Inverter verbunden ist. Der Operationsverstärker 14a besitzt einen positiven Eingangsanschluß, der mit einem positiven Referenzspannungsausgangsanschluß 15 verbunden ist, und einen negativen Eingangsanschluß, der mit dem Emittern der Transistoren 10b und 10d verbunden ist.
• Das eine Ende des Widerstands 13a ist mit den Emittern der Transistoren 10b und 10d verbunden, und das andere Ende ist mit der Anode der Diode 12b verbunden, und er bildet die Ankerstromermittlungseinrichtung.
• Die Elemente, die zusätzlich für die Ankerspulen 4b und 4c vorgesehen sind, sind mit den Elementen in der Erregungssteuerschaltung in der gleichen Weise wie die verbunden, die für die Ankerspule 4a zusätzlich vorgesehen sind, so daß auf eine ausführliche Beschreibung dafür verzichtet wird.
• Es wird nun die Betriebsweise der oben erwähnten Zerhackerschaltung in der Erregungssteuerschaltung von Fig. 7 beschrieben. Die Wirkungsweise der Erregungssteuerschaltung mit Ausnahme des Zerhackerbetriebs ist identisch mit der, die unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben wurde, so daß auf deren Beschreibung verzichtet wird.
• Wenn die Transistoren 10a und 10b leitend gemacht werden, um das Positionsermittlungssignal 31a zum Eingangsanschluß 8a der Erregungssteuerschaltung zu liefern, und ein Ankerstrom durch die Ankerspule 4a in der Vorwärtsrichtung fließt, tritt ein Spannungsabfall proportional zum Ankerstrom im Widerstand 13a auf. Wenn der Spannungsabfall des Widerstands 13a einen positiven Referenzspannungswert übersteigt, der an den positiven Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 14a vom positiven Referenzspannungsausgangsanschluß 15 angelegt wird, nimmt der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 14a den niedrigen Pegel von einem hohen Pegel aus an, wodurch das UND-Glied 7a geschlossen wird, wodurch der Transistor 10a nichtleitend gemacht wird. In diesem Fall wird die magnetische Energie, die in der Ankerspule 4a gespeichert ist, in Form eines Stroms entladen, der durch eine geschlossene Schaltung fließt, die durch die Ankerspule 4a, den Transistor 10b, den Widerstand 13a, die Diode 12d und die Ankerspule 4a gebildet wird. Als Folge davon wird der Ankerstrom reduziert.
• Wenn der Ankerstrom abnimmt, wird der Spannungsabfall am Widerstand 13a, d.h. die Spannung, die an den negativen Anschluß des Operationsverstärkers 14 angelegt wird, allmählich reduziert. Wenn die angelegte Spannung von einem gesetzten Wert entsprechend der positiven Referenzspannung auf einen Wert reduziert wird, der von der Hysteresis- Kennlinie des Operationsverstärkers 15a abhängig ist, nimmt der Ausgang des Operationsverstärkers 14a wieder den hohen Pegel an, und das UND-Glied 7a wird geöffnet, so daß der Transistor 10a eingeschaltet wird. Als Folge davon wird der Ankerstrom, der durch die Ankerspule 4a fließt, erhöht. Wenn der Ankerstrom wieder auf den gesetzten Wert ansteigt, wird das UND-Glied 7a wieder geschlossen und der Transistor 10a ausgeschaltet, wodurch der Ankerstrom allmählich reduziert wird. Das heißt, daß der Operationsverstärker 14a, der Widerstand 13a und das UND-Glied 7a als Zerhackerschaltung wirken, die zyklisch den oben beschrieben Betrieb wiederholt, und folglich wird der Ankerstrom auf einen Wert 21a eingeregelt, der der Spannung am positiven Referenzspannungsanschluß 15 entspricht, wie in Fig. 4 gezeigt ist.
• Während der Erregung der Ankerspule 4a in der Umkehrrichtung; die bei der Lieferung des Positionsermittlungssignals 34a an den Eingangsanschluß 9a der Erregungssteuerschaltung beginnt, wird ein Zerhackerbetrieb ähnlich dem oben beschriebenen durch das UND-Glied 7b, die Transistoren 10c und 10d, und den Operationsverstärker 14a durchgeführt, wodurch der Ankerstrom geregelt wird.
• Außerdem wird während Erregung der Ankerspule 4b in der Vorwärtsrichtung, die durch die Lieferung des Positionsermittlungssignals 32a zum positiven Eingangsanschluß 8b der Erregungssteuerschaltung begonnen wird, ein ähnlicher Zerhakkereffekt durch das UND-Glied 7c, die Transistoren 11a und 11b und den Operationsverstärker 14b durchgeführt, und während der Erregung der Spule 4b in Umkehrrichtung, die durch die Lieferung des Signals 35a an den Eingangsanschluß 9b begonnen wird, wird der Zerhackereffekt durch die Elemente 7d, 11c, 11d und 14b erzielt, wodurch der Ankerstrom geregelt wird, wie durch die gestrichelte Linie 21b in Fig. 4 angedeutet ist.
• Wenn in ähnlicher Weise ein elektrischer Strom zur Ankerspule 4c in der Vorwärtsrichtung oder in der Umkehrrichtung geliefert wird, wird aufgrund der Lieferung der Signale 33a oder 36a an die Eingangsanschlüsse 8c oder 9c durch die Zerhackeraktion, die durch den Operationsverstärker 14c oder andere Elemente erzielt wird, der Ankerstrom geregelt, wie durch die gestrichelte Linie 21c in Fig. 4 angedeutet ist. Durch das Steuern der Spannung am Referenzspannungsanschluß in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors kann der Motor mit einer konstanten Drehzahl betrieben werden.
• Der Ankerstrom (Abgabedrehmoment) wird auf der einen Seite durch die positive Referenzspannung gesteuert, und auf der anderen Seite unabhängig von der Spannung, die an die Erregungssteuerschaltung von der Gleichspannungsquelle angelegt wird, so daß eine Welligkeit der Gleichspannungsversorgung, wenn sie existieren würde, nur die Zerhackerfrequenz beein trächtigt. Wenn daher ein Glättungskondensator zum Gleichrichten einer Wechselspannung verwendet wird, kann ein Kondensator verwendet werden, der eine kleine Kapazität besitzt. Bei einer Anwendung, wo eine dreiphasige Wechselspannungsquelle verwendet wird, kann ein Kondensator, der eine noch kleinere Kapazität besitzt, verwendet werden, wodurch die Spannungsversorgung größenmäßig reduziert werden kann. Weiter ist die verwendbare Breite der Sinusspannung von einer Wechselspannungsquelle nicht auf die Nachbarschaft eines Spitzenwertes beschränkt, sondern deckt ungefähr die Hälfte davon ab, so daß das elektrische Rauschen reduziert wird und der Spannungsfaktor gesteigert werden kann.
• Bei der zweiten Ausführungsform, die oben beschrieben wurde, ist der obere der Transistoren in jeder Brückenschaltung, wie in Fig. 7 gezeigt, einer Ein-Aus-Steuerung für die Zerhackersteuerung unterworfen, der untere der Transistoren jedoch kann alternativ der Ein-Aus-Steuerung unterworfen werden. In diesem Fall wird der betroffene Transistor einem nichtleitfähigen Zustand gemäß dem Ausgangssignal einer monostabilen Schaltung gehalten, die in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Operationsverstärker 14a, 14b und 14c arbeitet.
• Die Vorteile, die mit den oben gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen nach dieser Erfindung verbunden sind, sind wie folgt;
• (1) Wenn der Motor durch eine Gleichspannung angetrieben wird, die durch Gleichrichten einer Wechseispannung erhalten wird, kann ein Kondensator mit einer kleinen Kapazität als Glättungskondensator verwendet werden. Damit wird das elektrische Rauschen reduziert, der Leistungsfaktor des Motors kann verbessert werden, und es kann eine billige kleine Spannungsquelle verwendet werden.
• (2) Da der Kondensator mit der Umkehrstrom-Vermeidungsdiode verbunden ist, die in der Vorwärtsrichtung mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist, wird die magnetische Energie, die in der Ankerspule gespeichert ist, wenn die Energie unterbrochen wird, rasch gelöscht, so daß der Ankerstrom schnell mit einem Anstieg der Spannung abfällt, die in den Kondensator geladen wird, und die Ladespannung des Kondensators wird an die Ankerspule, die anschließend erregt wird, angelegt, wodurch der schnelle Anstieg des Ankerstroms dieser Spule verursacht wird. Somit kann die Verminderung des Betriebswirkungsgrads des Motors, die durch die magnetische Energie verursacht werden kann, vermieden werden, wodurch der Motor kann mit einer Hochgeschwindigkeit von ungefähr 100000 UPM betrieben werden. Weiter entfällt die Notwendigkeit der Hochspannungsversorgung im Fall eines Hochgeschwindigkeitsbetriebs.
• (3) Da die Zerhackerschaltung in Kombination verwen det wird, kann der Motor mit einer variablen Geschwindigkeit oder einer konstanten Geschwindigkeit betrieben werden, indem man das Ausgangsdrehmoment des Motors steuert, und das Ausgangsdrehmoment kann variabel gesteuert werden, wenn man die Referenzspannung ändert, die an die Zerhackerschaltung angelegt wird.

Claims (10)

1. Gleichstrommotor, mit:

einer Positionsermittlungseinrichtung (3a, 3b, 3c, B) zum Liefern von Positionsermittlungssignalen in Abhängigkeit von der Drehposition eines Rotors (1) des Gleichstrommotors;

einer Erregungsteuerschaltung, die mit einer Gleichstromquelle (2a, 2b) verbunden ist, um Ankerspulen (4a, 4b, 4c) des Gleichstrommotors sukzessive zu erregen;

wobei die Positionsermittlungseinrichtung (3a, 3b, 3c, B) so ausgelegt ist, daß sie sukzessive eine erste Positionsermittlungssignalgruppe und eine zweite Positionsermittlungssignalgruppe in Abhängigkeit von der Drehposition des Rotors (1) des Gleichstrommotors liefert, wobei die erste Positionsermittlungssignalgruppe mehrere Positionsermittlungssignale enthält, die die gleiche Phasenanzahl des Gleichstrommotors besitzen und mit jeder der Phasen in Beziehung stehen, und die zweite Positionsermittlungssignalgruppe mehrere Positionsermittlungssignale enthält, die eine. vorgegebene Phasendifferenz in bezug auf entsprechende der ersten Positionsermittlungssignalgruppe haben;

wobei die Erregungssteuerschaltung (Fig. 3, Fig. 7) so ausgelegt ist, daß sie sukzessive Ankerspulen (4a, 4b, 4c) von individuellen Phasen in einer Vorwärtsrichtung gemäß der ersten Positionsermittlungssignalgruppe erregt, und daß sie sukzessive die Ankerspulen (4a, 4b, 4c) der individuellen Phasen in einer Umkehrrichtung gemäß der zweiten Positionsermittlungssignalgruppe erregt;

einer Diodengruppe (17a, 17b, 17c), die angeordnet ist, um einen Umkehrstrom zu verhindern, und zwischen der Gleichspannungsquelle (2a, 2b) und den Ankerspulen (4a, 4b, 4c) vorgesehen ist;

mehreren Kondensatoren (16a, 16b, 16c), die mit den entsprechenden Dioden (17a, 17b, 17c) verbunden sind; und

einer Schaltungseinrichtung, die ausgelegt ist, um magnetische Energie in die Kondensatoren (16a, 16b, 16c) zu laden, die in den Ankerspulen (4a, 4b, 4c) gespeichert ist, wenn deren Erregung unterbrochen wird, um dadurch schnell die gespeicherte magnetische Energie zu reduzieren, und um schnell einen Ankerstrom anzuheben, der durch eine Ankerspule (4a, 4b, 4c) läuft, durch eine Spannung, die in den Kondensatoren (16a, 16b, 16c) geladen ist, wenn eine Erregung dieser Ankerspule (4a, 4b, 4c) begonnen wird;

dadurch gelcennzeichnet, daß eine jede der Umkehrstrom-Vermeidungsdioden (17a, 17b, 17c) und der Kondensator (16a, 16b, 16c), der damit verbunden ist, einer bestimmten der Ankerspulen (4a, 4b, 4c) zugeordnet ist, und daß die Schaltungseinrichtung ausgelegt ist, um die magnetische Energie, die in jeder entsprechenden der Ankerspulen (4a, 4b, 4c) gespeichert ist, wenn ihre Erregung unterbrochen wird, in einen zugehörigen der Kondensatoren (16a, 16b, 16c) zu laden, um dadurch schnell die magnetische Energie zu reduzieren, die in der Ankerspule (4a, 4b, 4c) gespeichert ist, wobei die Spannung, die dadurch in den zugehörigen Kondensator geladen ist, beibehalten wird, bis sie zurück an die gleiche Ankerspule (4a, 4b, 4c) angelegt wird, um den Ankerstrom schnell anzuheben, der dadurch in die Umkehrrichtung läuft, wenn diese gleiche Ankerspule (4a, 4b, 4c) als nächste in dieser Umkehrrichtung erregt wird.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, der außerdem eine Zerhackerschaltung (7, 14) besitzt, um die Erregung der Ankerspule (4a, 4b, 4c) einer jeden Phase zu unterbrechen, wenn der Ankerstrom, der durch sie fließt, größer wird als ein oberer Grenzwert, sowie die Erregung wieder neu zu starten, wenn der Ankerstrom kleiner wird als ein unterer Grenzwert.

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Positionsermittlungseinrichtung (3a, 3b, 3c, B) sukzessive die Positionsermittlungssignale so erzeugt, daß die Positionsermittlungssignale nicht einander zeitmäßig überlagert sondern kontinuierlich sind.

4. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Positionsermittlungseinrichtung (3a, 3b, 3c, B) mehrere Positionsermittlungselemente (3a, 3b, 3c) umfaßt, um die Positionsermittlungssignale zu erzeugen, wobei die Positionsermittlungselemente anzahlmäßig gleich den Phasen des Gleichstrommotors sind und auf der Ankerseite des Gleichstrommotors in einer Weise befestigt sind, daß die Positionsermittlungselemente voneinander um einen bestimmten elektrischen Winkel beabstandet sind.

5. Gleichstrommotor nach Anspruch 4, wobei die Positionsermittlungselemente (3a, 3b, 3c) so befestigt und ange ordnet sind, daß sie in der Lage sein werden, die Positionsermittlungssignale zu erzeugen, um die Ankerspulen (4a, 4b, 4c) der individuellen Phasen während einer Erzeugungsperiode für ein maximales Drehmoment des Gleichstrommotors zu erregen.

6. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erregungssteuerschaltung Transistorbrükkenschaltungen enthält, die mit den Ankerspulen (4a, 4b, 4c) der jeweiligen Phasen verbunden sind, um einen entsprechenden der Transistoren, die die Transistorbrückenschaltungen bilden, ein- und auszuschalten.

7. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der einen dreiphasigen, sternförmig geschalteten Gleichstrommotor umfaßt.

8. Gleichstrommotor nach Anspruch 7, wenn dieser direkt oder indirekt an den Anspruch 4 angehängt ist, wobei die Positionsermittlungselemente (3a, 3b, 3c) voneinander um einen elektrischen Winkel von 120º beabstandet sind, um die Position des Rotors (1) zu ermitteln, wobei die Positionsermittlungssignale eine Breite haben, die einem elektrischen Winkel von 120º äquivalent ist, und wobei die vorgegebene Phasendifferenz zwischen den Positionsermittlungssignalen der zweiten Gruppe in bezug auf die entsprechenden Positionsermittlungssignale der ersten Gruppe einem elektrischen Winkel von 60º äquivalent ist.

9. Gleichstrommotor nach Anspruch 6 und 7 oder 6, 7 und 8, wobei die Erregungssteuerschaltung ausgelegt ist, um sukzessive und zyklisch die erste, zweite und dritte Transistorbrückenschaltung gemäß der ersten Positionsermittlungssignalgruppe zu erregen, um die Ankerspulen (4a, 4b, 4c) der individuellen Phasen in der Vorwärtsrichtung zu erregen, und um sukzessive und zyklisch die erste, zweite und dritte Transistorbrückenschaltung in Abhängigkeit von der zweiten Positionsermittlungssignalgruppe zu erregen, um die Ankerspulen (4a, 4b, 4c) der individuellen Phasen in der Umkehrrichtung zu erregen;

wobei die Diodengruppe eine erste, zweite und dritte Diode (17a, 17b, 17c) umfaßt, um einen Umkehrstrom zu verhindem, die in der Vorwärtsrichtung in bezug auf die erste, zweite bzw. dritte Transistorbrückenschaltung geschaltet sind; und

wobei die mehreren Kondensatoren einen ersten, zweiten und dritten Kondensator (16a, 16b, 16c) umfassen, die mit der ersten, zweiten bzw. dritten Diode (17a, 17b, 17c) verbunden sind und eine vorgegebene Kapazität besitzen.

10. Gleichstrommotor nach Anspruch 7, 8 oder 9, wenn dieser an den Anspruch 2 angehängt ist, der eine Ankerstromermittlungsschaltung (13) umfaßt, um Ankerströme zu ermitteln, die durch die Ankerspulen (4a, 4b, 4c) der ersten, zweiten und dritten Phase fließen wie auch zur Erzeugung der ersten, zweiten und dritten Ermittlungssignale, und eine Zerhackerschaltung (7, 14) zum Starten und zum Stoppen der Erregung der erstphasigen, zweitphasigen und drittphasigen Ankerspule (4a, 4b, 4c) gemäß dem ersten, zweiten und dritten Ermittlungssignal, um dadurch die Ankerströme auf einen gesetzten Wert zu steuern.