DE2625596C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrom­ motor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-AS 22 12 497 ist eine Anordnung bekanntgeworden, bei der man zum Entnehmen (sogenannten "Auskoppeln") der in den stromlosen Wicklungen eines kollektorlosen Gleichstrom­ motors rotatorisch induzierten Spannungen Transistoren ver­ wendet. (Dies hat gegenüber dem aus der DE-OS 22 52 727 be­ kannten Auskoppeln mittels Dioden den Vorteil, daß solche Transistoren im leitfähigen Zustand nur eine - im Vergleich zum Spanungsabfall an einer Diode - sehr kleine Kollektor- Emitter-Spannung haben und daß man daher die rotatorisch induzierten Spannungen nahezu fehlerfrei erfassen kann.) Die Anordnung nach der genannten DE-AS hat aber einen gravie­ renden Nachteil, und zwar läßt sie sich nur bei Motoren ver­ wenden, bei denen die Betriebsspannung kleiner ist als die Basis-Emitter-Durchbruchsspannung dieser Transistoren. Dies ist aus der diesem Stande der Technik entsprechenden Fig. 1 der vorliegenden Anmeldung ersichtlich, in der nur eine einzige Statorwicklung 10, der Rotor 11, ein von diesem gesteuerter Schaltkontakt 12 im Stromkreis der Wicklung 10 sowie ein npn-Transistor 13 dargestellt sind, welch letzterer dazu dient, die vom Permanentmagnetrotor 11 in der Wicklung 10 rotatorisch induzierte Spannung einer Leitung 14 zuzu­ führen. Hierzu ist der Emitter von 13 zwischen 10 und 12 angeschlossen, seine Basis ist über einen Widerstand 15 mit einer Masse-Leitung 16 verbunden, und sein Kollektor ist an die Leitung 14 angeschlossen. - Wenn der Kontakt 12 geöffnet ist, ist im Betrieb der Transistor 13 leitend und führt die in 10 induzierte Spannung der Leitung 14 zu. Ist der Kontakt 12 dagegen geschlossen, so ist 13 gesperrt, da zwischen seinem Emitter und seiner Basis eine Sperrspannung U _BE von nahezu 24 Volt liegt. Wenn der Motor wie dargestellt mit einer Betriebspannung von 24 Volt arbeitet.

Diese Spannung U _BE muß kleiner sein als die Basis-Emitter- Durchbruchsspannung dieses Transistors. Diese beträgt bei normalen Silicium-Transistoren etwa 5 Volt, bei Spezial- Transistoren bis max. 25 Volt. Aus Sicherheitsgründen kann man deshalb solche Schaltungen nur bis zu einer Betriebs­ spannung von ca. 12 bis 15 Volt verwenden.

Ferner ist aus der DE-OS 20 63 351 bekannt, Transistoren (z. B. T 12 und T 10 in Fig. 2) als Dioden zu nutzen. Die genannten Transistoren könnte man auch ohne, d. h. bei durchgetrenntem Kollektoranschluß betreiben. Dann würden sich diese schlicht wie Dioden verhalten und würden dann exakt die gleiche Funktion haben wie bei der Spannungsaus­ kopplung über Dioden nach der DE-AS 12 38 998. In der DE-OS 20 63 351 übernehmen die Transistoren noch zusätzlich Steuer­ funktionen für die Leistungstransistoren T 2 und T 4.

So liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art eine Anordnung zu schaffen, welche den Vorteil der kleinen Kollektor-Emitter-Durchlaßspannung hat, bei der man aber für die Auskopplung keine Spezialtransistoren benötigt und die für alle Spannungsbereiche verwendbar ist, für die heute Halbleiter-Anordnungen verfügbar sind.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen.

Hierdurch wird erreicht, daß nicht die Basis-Emitter-Sperr­ spannung, sondern die wesentlich größere Basis-Kollektor- Sperrspannung zur Verfügung steht, um ein unerwünschtes Durchbrechen der Transistoren zu verhindern. Diese Spannung kann mehrere 100 Volt betragen und reicht daher für prak­ tisch alle denkbaren Anwendungsfälle aus. Die Erfindung ist für die Amplitudenregelung kollektorloser Gleichstrommotoren prinzipiell vorteilhaft.

Außerdem bietet eine erfindungsgemäße Lösung gegenüber den vorbekannten den Vorteil wesentlich höherer Spannungs­ festigkeit. Eine Schaltung nach der Erfindung ist an "normale" Spannungen (bis ca. 100 V) betreibbar, während eine Anord­ nung nach der DE-OS 22 12 497 nur bis ca. 6 V geeignet ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung der Nachteile des Standes der Technik,

Fig. 2 ein erstes einsträngiges Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 ein zweites zweisträngiges Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 eine Darstellung der mit einer Anordnung nach Fig. 2 erhaltenen ausgekoppelten Spannung,

Fig. 5 eine Variante zu Fig. 2, mit Fig. 6 den Spannungs­ verlauf gemäß Fig. 5 in der Art wie Fig. 4 darstellend,

Fig. 6 Darstellung der mit einer Anordnung nach Fig. 5 erhaltenen ausgekoppelten Spannung.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Anordnung nach der Erfindung, welche mit Ausnahme der Anordnung für die Auskopplung weit­ gehend mit derjenigen nach Fig. 6 der DE-OS 22 52 727 über­ einstimmt.

Der kollektorlose Gleichstrommotor 20 nach Fig. 2 hat einen permanentmagnetischen Rotor 21 und zwei gegeneinander um 180° el. oder einen gleichwertigen größeren Winkelwert versetzte Statorwicklungen 22, 23, welche jeweils mit einem Wicklungs­ ende an eine Plusleitung 24 und mit dem anderen Wicklungsende mit dem Kollektor einen npn-Leistungstransistors 25 bzw. 26, dem Kollektor eines pnp-Auskoppeltransistors 27 bzw. 28 (z. B. Typ BC 307) und - über einen Widerstand 29 bzw. 30 (z. B. je 2,4 kOhm) - mit der Basis des gegenüberliegenden Auskoppel­ transistors 28 bzw. 27 verbunden sind, wie das Fig. 2 klar und ausführlich zeigt.

Die Emitter der Transistoren 27 und 28 sind mit einer Sammel­ leitung 33 verbunden, die z. B. zu einem Drehzahlregler 34 führt, der entsprechend der Lehre der DE-OS 22 52 272 aufge­ baut sein kann. An der Leitung 33 wird also dem Regler 34 ein Drehzahl-Istwert zur Verfügung gestellt.

Die Basen der Transistoren 25 und 26 sind mit den beiden Aus­ gängen eines Hallgenerators 35 verbunden. Ihre Emitter sind miteinander und über einen gemeinsamen Widerstand 36 mit einer Minusleitung 37 verbunden, an die auch über einen Widerstand 38 der eine Stromanschluß des Hallgenerators 35 angeschlossen ist, während sein anderer Stromanschluß mit dem Emitter eines npn-Regeltransistors 39 verbunden ist, dessen Kollektor über einen Widerstand 40 mit der Plusleitung 24 verbunden ist. Der Basis des Transistors 39 wird über eine Leitung 43 die Stellgröße vom Regler 34 zugeführt. Der Soll-Wert (entsprechend der gewünschten Drehzahl) wird dem Regler 34 an einem Eingang 44 zugeführt.

Im Betrieb dreht sich der Rotor 21 und induziert dabei in den Wick­ lungen 22 und 23 Spannungen, die um 180° gegeneinander versetzt sind. (Diese Spannungen haben an sich dieselbe Form, aber infolge des Stroms in den jeweils stromführenden Wicklungen unterscheiden sich die Formen der Spannungen an den beiden Wicklungen; für die Steuerung ist dies jedoch überraschenderweise ohne Einfluß.) Die Transistoren 27 und 28 werden im Gegentaktbetrieb so gesteu­ ert, daß immer derjenige Transistor leitend ist, dessen Wicklung gerade keinen Motorstrom führt (die Wicklungen 22 und 23 werden so vom Hallgenerator gesteuert, daß jeweils immer nur in einer von ihnen ein Strom fließt, vgl. hierzu die DE-OS 22 52 727).

Wenn z. B. der Transistor 25 leitend ist und deshalb in der Wicklung 22 ein Strom fließt, erhält die Basis des Transistors 28 über den Widerstand 29 ein Potential, das negativ ist gegenüber dem Poten­ tial an der Sammelleitung 33, so daß der Transistor 28 voll lei­ tend wird, sobald die Potentialdifferenz zwischen seinem Emitter und seiner Basis größer als ca. 0,6 Volt ist. Der untere Anschluß der Statorwicklung 23 wird dann über die invers betriebene Emitter- Kollektor-Strecke des Transistors 28 direkt mit der Sammelleitung 33 verbunden, so daß die jetzt vom Rotor 21 in der Wicklung 23 in­ duzierte, etwa sinusförmige Halbwelle auf die Sammelleitung 33 geschaltet wird. Der Spannungsabfall an der Emitter-Kollektor- Strecke des Transistors 28 beträgt dabei nur einige Dutzend Milli­ volt, ist also sehr klein. Fig. 4 zeigt dies daran, daß die Spannung u ₃₃ an der Sammelleitung 33 praktisch mit der - gestrichelt einge­ zeichneten - induzierten Spannung u _ind zusammenfällt. Lediglich bei kleinen induzierten Spannungen sind beide Transistoren 27 und 28 gesperrt, da dann die Steuerspannung noch nicht bzw. nicht mehr ausreicht, um diese Transistoren leitend zu machen. Hierdurch er­ geben sich die in Fig. 4 dargestellten fensterartigen Lücken 45, die aber den Regelvorgang normalerweise nicht beeinträchtigen.

Diese Lücken können unter bestimmten Umständen, jedoch, z. B. bei höherer Belastung des Motors, zu einer Fehlererscheinung führen, weil der Motorstrom während der Kommutierung von Wicklung 22 auf Wicklung 23 oder umgekehrt kurzzeitig in beiden Wicklungen fließt, so daß in den Lücken 45 negative Spannungen entstehen, die even­ tuell die Stabilität des Reglers beeinträchtigen können, da die in den Lücken 45 entstehenden negativen Spannungen den Mittelwert der an der Sammelleitung 33 entstehenden Spannung vermindern.

Wenn der Transistor 25 sperrt und der Transistor 26 leitend wird, wird der Transistor 28 gesperrt und der Transistor 27 wird leitend und führt dann die in der Wicklung 22 vom Rotor 21 induzierte Spannung der Sammelleitung 33 zu.

Man erkennt aus Fig. 2 ohne weiteres, daß die Transistoren 27, 28 im gesperrten Zustand in üblicher Weise belastet werden und daher je nach der Durchbruchspannung des verwendeten Typs - bis zu Be­ triebsspannungen von mehreren 100 Volt verwendet werden können.

Um die unerwünschten Eigenschaften der Lücken 45 auch in besonderen Anwendungsfällen zu vermeiden, wendet man in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig die in Fig. 5 dargestellte Schaltung an, bei welcher der Pluspol 55 der Versorgungsspannung über eine in Flußrichtung geschaltete Silizium-Diode 56 mit der Leitung 24 verbunden wird. Eine weitere in Flußrichtung geschalte­ te Diode 57 (zweckmäßig eine Germanium-Diode) verbindet über einen Entkopplungswiderstand 58 den Pluspol 55 mit der Sammelleitung 33. An dem Verbindungspunkt 59 entsteht dann der in Fig. 6 dargestellte Potential- bzw. Spannungsverlauf gegenüber der Leitung 24. Die be­ schriebene Dioden-Kombination bewirkt, daß das Potential des Ver­ bindungspunktes 59 stets mindestens um ca. 0,6 Volt positiver ist als das der Leitung 24, so daß die in Fig. 4 dargestellten Lücken 45, die an der Sammelleitung 33 auftreten, an dem Verbindungspunkt 59 ausgefüllt sind, daher werden auch keine nachteiligen, negativen Spannungsimpulse während dieser Lücken 45 auf den Verbindungspunkt 59 übertragen. Wird der Eingang des Reglers 34 also statt an die Sammelleitung 33 an den Verbindungspunkt 59 angeschlossen, so ar­ beitet der Regler unter allen Umständen (diversen Belastungsfällen) stabil.

Wenn die Erfindung bei mehrphasigen kollektorlosen Gleichstrom- Motoren verwendet werden soll, geht man gem. Fig. 3 vor. Fig. 3 stellt in weiten Teilen eine Verdoppelung der Schaltung nach Fig. 2 dar, wie das der Augenschein ohne weiteres ergibt. Die linke Hälfte von Fig. 3 erhält deshalb für gleiche bzw. gleich wirkende Teile dieselben Bezugszeichen mit nachgestelltem Apo­ stroph, also z. B. 26′ statt 26.

Die Emitter der vier Transistoren 25, 26, 25′, 26′ sind hier mit­ einander und mit dem Kollektor eines npn-Transistors 50 verbun­ den, dessen Emitter mit der Leitung 37 verbunden ist, und dessen Basis über die Leitung 43 die Stellgröße vom Regler 34 zuge­ führt erhält. Ebenso sind die unteren Stromausgänge der Hall­ generatoren 35 und 35′ miteinander und über einen Widerstand mit der Minusleitung 37 verbunden. Die beiden Sammelleitungen 33 und 33′ sind nicht direkt miteinander verbunden, sondern über zwei gleich große Entkopplungswiderstände 52 und 53, an deren Verbindungspunkt 54 eine wellige, der Drehzahl proportio­ nale Gleichspannung zur Verfügung steht, die beim Ausführungsbei­ spiel als Ist-Wert dem Drehzahlregler 34 zugeführt wird, aber naturgemäß auch zur Drehstellungserkennung verwendet werden kann.

Die Widerstände 52 und 53 werden verwendet, weil die Transistor­ paare 27-28 und 27′-28′ jeweils im Gegentaktbetrieb arbeiten und weil verhindert werden soll, daß die Ausgangsspannung von der einen Transistorgruppe die Arbeitsweise der anderen Gruppe beein­ fluß und umgekehrt. Da der Eingangswiderstand des Reglers 34 hoch ist, können die Widerstände 52 und 53 groß gewählt werden, z. B. je 8 kOhm.

Wenn die Erfindung bei Motoren verwendet werden soll, deren Sta­ torwicklungen keine um 180° gegeneinander versetzten Ausgangssi­ gnale liefern, also z. B. bei drehphasigen, kollektorlosen Motoren, müssen zur Ansteuerung der Auskoppeltransistoren Phasenschieber verwendet werden, welche die Phasenverschiebung auf 180° erhöhen, oder es müssen Spannungen, beispielsweise über Widerstandsnetz­ werke, vektoriell addiert werden, um die richtige Phasenlage zu erhalten.

Ein wesentliches Charakteristikum der Erfindung ist auch, daß der sogenannte Auskopplungstransistor zum zugehörigen "Endstufen- Transistor" komplementär ist, das heißt also z. B., daß in den Fig. 2, 3, 5 der jeweils mit 25 oder 26 bezifferte Transistor der Endstufe eine npn-Transistor, hingegen der mit 27 oder 28 bezif­ ferte "Auskopplungstransistor" vom pnp-Typ ist.

Claims (4)

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem Rotor konstanter Feldorientierung und mit mindestens zwei jeweils an einem Wicklungsende miteinander verbundenen, aus einer Gleich­ stromquelle über Halbleiterschalter (25, 26) speisbaren Statorwicklungen (22, 23), mit einer Anordnung zur Erfas­ sung der Rotordrehzahl und/oder -stellung über die induzier­ ten Spannungen in der jeweils stromlosen Statorwicklung (22), wobei diese induzierten Spannungen über Transistoren (27) ausgekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zum Auskoppeln aus einer bestimmten Statorwicklung (z. B. 22) vorgesehene Transistor (z. B. 27) jeweils von einer anderen Stator­ wicklung (z. B. 23) her gesteuert wird, an welcher im Betrieb eine gegenüber der Spannung an dieser bestimmten Wicklung (22) um ca. 180° phasenverschobene Spannung auftritt, und daß die Emitter-Kollektor-Strecken der Transistoren (27, 28) zum Auskoppeln der induzierten Spannungen invers betrieben werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einem einphasigen kollektor­ losen Gleichstrommotor (20) mit nur zwei Wicklungen (22, 23), welche im Betrieb jeweils abwechselnd von einem Gleich­ strom durchflossen werden und dabei ein Wechselfeld erzeu­ gen, die Basen der Transistoren (27, 28) jeweils, vorzugs­ weise über einen Widerstand (29, 30), mit dem freien An­ schluß der anderen Wicklung verbunden sind, und daß diese Transistoren (27, 28) jeweils mit dem Kollektor an diejenige Wicklung angeschlossen sind, der sie zur Auskopplung der induzierten Spannung zugeordnet sind (Fig. 2).

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mehrphasigen kollektorlosen Gleichstrommotor die zur Auskopplung vorge­ sehenen Transistoren (27, 28; 27′, 28′) jeweils in Zweier-Gruppen mit zwei Wicklungen zusammengeschaltet sind, an welchen im Betrieb um 180° gegeneinander ver­ setzte induzierte Spannungen entstehen und daß die Aus­ gangsspannungen der einzelnen Zweiergruppen über Entkopp­ lungsglieder (52, 53) einem Verbraucher, z. B. einem Dreh­ zahlregler (34) oder einem Rotorstellungsmelder, zuführbar sind (Fig. 3).

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung zur Drehzahlregelung eines einphasigen kollektorlosen Gleich­ strommotors (20) die ausgekoppelte Spannung einem mehr­ stufigen Phasenschieber zuführbar ist, welcher diese Spannung glättet und ihre Wechselstromkomponente um etwa 180° in der Phase verschiebt.