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Dokumentenidentifikation DE3003064C2 01.06.1988
Titel Elektronischer Kommutator
Anmelder Faulhaber, Fritz, Dr.-Ing., Vernate, Tessin, CH
Erfinder Faulhaber, Fritz, Dr.-Ing., Vernate, Tessin, CH
Vertreter Berendt, T., Dipl.-Chem. Dr.; Leyh, H., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 29.01.1980
DE-Aktenzeichen 3003064
Offenlegungstag 06.11.1980
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.06.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.06.1988
IPC-Hauptklasse H02K 29/10

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Kommutator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der im Oberbegriff des Anspruchs 1 berücksichtigten DE-AS 19 07 822 ist eine Antriebsvorrichtung für Tonträger bekannt, die mit einem elektronischen Kommutator versehen ist. Die Statorwicklungen sind auf einer Trägerscheibe angeordnet und sie können über photoempfindliche Halbleiterelemente durch eine Beleuchtungseinrichtung angesteuert werden.

Ferner ist aus der DE-OS 29 18 493 ein bürstenloser gedruckter Gleichstrommotor bekannt, bei welchem als Anschlußfahnen für die einzelnen Teilspulen stillstehende Bürsten verwendet werden.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Kommutator der eingangs genannten Art zu schaffen, der universell für beliebige Wicklungen, wie Ring-, Dreieck- und Sternwicklungen sowie für Luftankermotoren und Eisenankermotoren verwendbar ist.

Nach der Erfindung wird dies erreicht durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch in Draufsicht eine Kollektorscheibe einschließlich der Ankerwicklung zeigt.

Fig. 2 zeigt in Draufsicht eine praktische Ausführungsform einer Kollektorscheibe.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung von vier Phototransistoren.

Fig. 1 zeigt schematisch einen elektronischen Kommutator 10 in Verbindung mit einer Ankerspule 18, die hier beispielsweise als Ringwicklung ausgebildet ist, wobei der Kommutator jedoch auch in Verbindung mit Dreieckwicklungen oder Sternwicklungen verwendet werden kann. Er eignet sich außerdem für die Anwendung bei Luftankermotoren und bei Eisenankermotoren.

Der Kommutator besteht im wesentlichen aus einer Trägerscheibe 12 aus einem elektrisch nicht-leitenden Material, z. B. einem Kunststoffmaterial.

Die, wie gesagt, als Ringwicklung dargestellte Ankerspule 18 ist im vorliegenden Beispiel aus fünf Teilspulen 20 aufgebaut, die über Anzapfungen 16 und Verbindungsleitungen 14 entsprechend mit Anschlußfahnen 22, 24, 26, 28 und 30 verbunden sind, die sich auf der Trägerscheibe 12 befinden. Jeder der fünf Teilspulen ist somit eine metallische Anschlußfahne zugeordnet, und jede dieser Anschlußfahnen ist über die zugehörige Leitung 14 mit einer der fünf Anzapfungen 16 verbunden.

Auf der Trägerscheibe 12 sind ferner nebeneinander aber getrennt voneinander zwei Halbleiterelemente 32, 34 angeordnet und jeder Anschlußfahne sind wiederum zwei solcher Halbleiterelemente 32, 34 zugeordnet, wobei in Fig. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nur zwei solcher Halbleiterelemente 32, 34 gezeigt sind, die zu einer Gruppe zusammengefaßt und benachbart zu der Anschlußfahne 22 angeordnet sind. In der Praxis sind, wie Fig. 2 zeigt und später noch erläutert wird, für jede Anschlußfahne zwei solcher Halbleiterelemente 32, 34 vorgesehen.

In der Mitte der Trägerscheibe 12 sind schematisch zwei Schleifringe 36, 38 dargestellt.

Die beiden Halbleiterelemente 32, 34, die z. B. in Form von Phototransistoren ausgebildet sind, sind zweckmäßigerweise, wie dargestellt, radial hintereinander angeordnet und sie können durch ein Fenster 52 hindurch mittels einer Lichtquelle beleuchtet werden. Das Fenster 52 kann beispielsweise in einer über der Trägerscheibe 12 angeordneten Abdeckung ausgebildet sein, über der wiederum eine Lichtquelle angeordnet ist, deren Licht durch das Fenster 52 hindurch auf die beiden Phototransistoren 32, 34 fällt. Der Winkelausschnitt des Fensters 52 beträgt 360° dividiert durch die Anzahl der Teilspulen bzw. Anschlußfahnen, im vorliegenden Fall also 360°/5 = 72°.

Die beiden Phototransistoren 32, 34 werden daher während ihrem Umlaufs mit der Trägerscheibe 12 von der nicht-gezeigten Lichtquelle über einen Umfangswinkel von 72° beleuchtet und damit auf Durchgang geschaltet.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung arbeitet folgendermaßen:

Der Schleifring 38 soll an den positiven Pol einer nicht- gezeigten Stromquelle angeschlossen sein. Er ist ferner über eine Leitung 40 mit dem Kollektor des Phototransistors 32 verbunden, dessen Emitter über eine Leitung 42 mit der Anschlußfahne 22 verbunden ist. Die letztere ist über die zugehörige Leitung 14 mit einer der Anzapfungen 16 der Ankerspule 18 verbunden. Der Strom fließt daher bei durchgeschaltetem Phototransistor 32 vom Schleifring 38 über die Leitung 40, den Transistor 32, die Leitung 42, die Anschlußfahne 22 und die Leitung 14 zur Anzapfung 16&min; der Ankerspule 18. Dort verzweigt sich der Strom entsprechend den Pfeilen P1 und P2. Folgt man nun dem Pfeil P1 in Uhrzeigerrichtung, so gelangt man zur Anzapfung 16 der Anschlußfahne 24 und dann zur Anzapfung 16 der Anschlußfahne 26. Von dort aus fließt nun der Strom über die zugehörige Leitung 14 zur Anschlußfahne 26 und von dieser über eine Leitung 44 zum Kollektor des Phototransistors 34, dessen Emitter über eine Leitung 46 mit dem Schleifring 36 verbunden ist, womit der Stromkreis geschlossen ist. Folgt man dem Stromzweig längs des Pfeiles P2 in Gegenuhrzeigerrichtung, so gelangt man über die Anzapfungen 16 der Anschlußfahnen 30 und 28 ebenfalls zur Anzapfung 16 der Anschlußfahne 26, d. h. beide Teilströme, die sich bei der Anzapfung 16&min; in Richtung der Pfeile P1 und P2 verzweigen, fließen zur Anschlußfahne 26 und von dort, wie vorstehend erwähnt, zum Schleifring 36.

Die Phototransistoren 32, 34, die sich in Fig. 1 in der dargestellten Position unter dem Fenster 52 befinden, sind beleuchtet und damit leitend, so daß der Stromverlauf in der vorstehend beschriebenen Weise erfolgt.

Es sind zwar im Bereich der übrigen Anschlußfahnen 24, 26, 28 und 30 ebenfalls je zwei Phototransistoren 32, 34 angeordnet, die in analoger Weise wie die beschriebenen Phototransistoren geschaltet sind, diese nicht-gezeigten Phototransistoren 32, 34 sind aber in der in Fig. 1 dargestellten Position nicht beleuchtet, so daß die Ströme über die Anschlußfahnen 24, 28 und 30 nicht fließen können.

Wie dargestellt, sind somit der Phototransistor 32, der mit der Anschlußfahne 22 verbunden ist und der Phototransistor 34, der mit der Anschlußfahne 26 verbunden ist, zu einer Gruppe zusammengefaßt, derart, daß diese beiden Phototransistoren dieser Gruppe gleichzeitig und zusammen von der Lichtquelle durch das Fenster 52 hindurch beleuchtet und damit auf Durchgang geschaltet werden.

Nimmt man nun in der beschriebenen Ausführungsform die Anschlußfahne 22 als Basis, die mit dem einen Transistor 32 der Gruppe verbunden ist, so verbindet man den anderen Transistor 34 dieser Gruppe mit der Anschlußfahne, in diesem Fall die Anschlußfahne 26, die der als Basis genommenen Anschlußfahne 22 auf der Trägerscheibe 12 möglichst diametral gegenüberliegt, d. h. die beiden Anschlußfahnen, in diesem Fall 22 und 26, die mit den beiden Transistoren 32, 34 einer Gruppe verbunden sind, sollen auf der Trägerscheibe 12 in Umfangsrichtung gesehen, möglichst weit voneinander weg liegen, wobei die größte Entfernung dann erreicht wäre, wenn sich diese beiden Anschlußfahnen 22, 26 genau diametral gegenüberliegen würden, was bei der hier gewählten 5er-Teilung jedoch nicht möglich ist.

Wenn die beiden Phototransistoren 32, 34 bei weiterer Drehung der Kommutatorscheibe das Fenster 52 verlassen, so treten die nächsten beiden (hier nicht gezeigten) Phototransistoren 32, 34 in das Fenster ein, werden beleuchtet und auf Durchgang geschaltet, womit der Stromkreis erneut, aber diesmal über ein anderes Paar von Phototransistoren geschlossen ist usw.

Der Stromkreis wird also jeweils nur über die über das Fenster 52 beleuchteten und damit auf Durchgang geschalteten Phototransistoren 32, 34 geschlossen, während die anderen Paare bzw. Gruppen von Phototransistoren, die in Fig. 1 nicht gezeigt sind, nicht beleuchtet und damit nicht leitend sind, so daß über die zugehörigen Anschlußfahnen 24, 28, 30 in der in Fig. 1 dargestellten Lage kein Strom abgeleitet werden kann.

Fig. 2 zeigt nun eine praktische Ausführungsform des Kommutators nach Fig. 1, wobei die Trägerscheibe 12 vergrößert dargestellt ist.

In Fig. 2 ist das Substrat, d. h. das nicht-leitende Material der Trägerscheibe 12 schraffiert gezeichnet.

Die Leitung 40 nach Fig. 1 ist hier eine Kupferschicht auf dem Substrat, die in elektrischer Verbindung mit dem Schleifring 38 steht und die sternförmig ausgebildet ist und an ihren Sternenden die Halbleiterelemente 32, im vorliegenden Fall fünf solcher Elemente, trägt. Die Kupferschicht hat die übliche Dicke gedruckter Schaltungen. Die Anschlußfahnen 22 bis 30 sind ebenfalls in Form geeigneter metallischer Schichten, z. B. Kupferschichten, ausgebildet und jede der Anschlußfahnen ist einstückig bzw. zusammenhängend mit der Leitung 44 ausgebildet, die an ihrem Ende in elektrischer Verbindung mit je einem der Halbleiterelemente 34 steht. Jedes Halbleiterelement 32 ist nun über je eine Leitung 42 mit einer der Anschlußfahnen verbunden, wobei in Fig. 2 die beiden Halbleiterelemente, die radial einwärts von der Anschlußfahne 22 angeordnet sind, mit 32&min; und 34&min; bezeichnet sind. Diese beiden Halbleiterelemente 32&min; und 34&min; bilden zusammen eine Gruppe, die gemeinsam durch das in Fig. 2 nicht- gezeigte Fenster hindurch von einer Lichtquelle beleuchtet wird.

Das Halbleiterelement 32&min; ist nun gemäß Fig. 2 der Anschlußfahne 22 zugeordnet und über die Leitung 42 auch mit dieser verbunden, während das Halbleiterelement 34&min; der Anschlußfahne 26 zugeordnet ist und über die Leitung 44 auch mit dieser letzteren Anschlußfahne verbunden ist. Andererseits ist die Anschlußfahne 22 über ihre Leitung 44 ebenfalls mit einem Halbleiterelement 34 verbunden, das jedoch, wie Fig. 2 zeigt, radial einwärts von der Anschlußfahne 28 liegt und mit dem Halbleiterelement 32, das mit dieser Anschlußfahne 28 verbunden ist, zusammen wiederum eine Gruppe bildet usw.

Jede Anschlußfahne 22 ist somit über eine Leitung 42 mit einem Halbleiterelement 32 verbunden, das radial einwärts von der jeweiligen Anschlußfahne liegt, sowie über die Leitung 44, die als etwas spiralförmig verlaufende Kupferbahn ausgebildet ist, mit einem Halbleiterelement 34, das jedoch auf der Trägerscheibe 12 im wesentlichen diametral zu der Anschlußfahne, mit der es verbunden ist, angeordnet ist.

Der Stromverlauf ist nun folgender:

Betrachtet man wiederum die Anschlußfahne 22, so verläuft der Strom vom Schleifring 38 über die Kupferschicht 40 zum Halbleiter 32&min;, von dort über die Leitung 42 zur Anschlußfahne 22, danach über die in Fig. 2 nicht-gezeigte Verbindungsleitung 14 zur Ankerspule und von dieser wiederum über die nicht-gezeigte Verbindungsleitung zur Anschlußfahne 26 und von dort über die Kupferbahn bzw. Verbindungsleitung 44 zum Halbleiterelement 34&min;. Von dort aus läuft der Strom weiter über die Leitung 46 zu einem metallischen Anschluß 48 und von diesem über die Leitung 50 zum Schleifring 36.

Voraussetzung für diesen Stromverlauf ist wiederum (wie bei Fig. 1), daß die beiden Halbleiterelemente 32&min; und 34&min; beleuchtet und damit auf Durchgang geschaltet werden. Durch die übrigen Halbleiterpaare, die also nicht beleuchtet und damit nicht auf Durchgang geschaltet werden, kann kein Strom fließen, so daß nur der Stromkreis geschlossen wird, in welchem das beleuchtete Halbleiterpaar liegt.

Das Substrat, d. h. die Trägerscheibe 12, ist zweckmäßigerweise auf beiden Seiten mit geeigneten Leitern bzw. Kupferbahnen belegt, so sind beispielsweise in Fig. 2 die Leitungen 50 auf der Rückseite der Scheibe angebracht und die Anschlüsse 48 sind geeignet von der Vorderseite zur Rückseite durchkontaktiert. Entsprechend kann mit den Verbindungsleitungen 42 verfahren werden.

Durch diese etwa spiralförmige Anordnung der Kupferbahnen bzw. Verbindungsleitungen 44 ist nun dafür gesorgt, daß der Stromkreis geschlossen wird, obwohl die beiden Halbleiterelemente einer Gruppe am Umfang nur durch ein Fenster von 72° beleuchtet werden.

Die Halbleiter können NPN-Halbleiter sein und ihre Kollektoren und Emitter sind angeschlossen, während die Basis der Phototransistoren frei bleibt, da der Basisstrom durch die Belichtung erzeugt wird.

Die genannten Halbleiter leiten den Strom nur in einer Richtung, wenn sie beleuchtet sind, wobei der Kollektor positiv und der Emitter negativ ist.

Soll nun die Drehrichtung eines mit dem beschriebenen Kommutator versehenen Motors umgekehrt werden, so können statt zwei jeweils vier Halbleiter bzw. vier Phototransistoren vorgesehen werden, wobei jeweils zwei solcher Phototransistoren wechselweise gegeneinander geschaltet sind, so daß jeweils zwei Paare den Strom in der einen oder der anderen Richtung durchlassen.

Fig. 3 zeigt das Schaltbild einer solchen Anordnung. Das Halbleiterelement 32 besteht hier aus zwei Phototransistoren 29 und 31, wobei der Kollektor des Transistors 29 mit dem Emitter des Transistors 31 verbunden und die Verbindungsstelle an die Leitung 40 gelegt ist. Der Emitter des Transistors 29 und der Kollektor des Transistors 31 sind ebenfalls verbunden und ihre Verbindungsstelle liegt an der Leitung 42. Das Halbleiterelement 34 ist entsprechend aufgebaut und es besteht aus zwei Phototransistoren 35 und 37, wobei der Emitter des Transistors 35 mit dem Kollektor des Transistors 37 zusammengefaßt und die Verbindungsstelle an die Leitung 46 gelegt ist, während der Kollektor des Transistors 35 und der Emitter des Transistors 37 ebenfalls zusammengefaßt sind und ihre Verbindungsstelle mit der Leitung 44 verbunden ist.

Im Halbleiterelement 32 strömt somit der Strom entweder von der Leitung 40 über den Kollektor und den Emitter des Transistors 29 zur Leitung 42 oder bei Umpolung von der Leitung 42 über den Kollektor und den Emitter des Transistors 31 zur Leitung 40. Entsprechendes gilt für das Halbleiterelement 34, in welchem der Strom entweder von der Leitung 44 über den Kollektor und den Emitter des Transistors 35 zur Leitung 46 fließt oder bei Umpolung von der Leitung 46 über den Kollektor und den Emitter des Transistors 37 zur Leitung 44.

Die beiden Halbleiterelemente 32, 34 nach Fig. 3 lassen somit bei Beleuchtung den Strom in beiden Richtungen durch bzw. sie bilden zwei voneinander unabhängige Strompfade, von denen jeweils einer je einer der beiden Drehrichtungen zugeordnet ist.

Die Halbleiterelemente 32, 34 - seien es die der Fig. 1 und 2 oder die der Fig. 3 - können in integrierter Schaltung in Form eines einzigen Chips zusammengefaßt werden, so daß jeder Anschlußfahne je ein solcher Chip zugeordnet ist.

Mit anderen Worten, in jedem Stromkreis, der durch eine Anschlußfahne an der Ankerwicklung liegt, ist ein solcher Halbleiter-Chip angeordnet, der aus vier integrierten Phototransistoren besteht, die bei Beleuchtung in zwei unabhängig voneinander befindlichen Bahnen in beiden Richtungen stromleitend werden, so daß je nach Polung der Strom entweder in der einen oder in der anderen Richtung durch die Phototransistoren und damit durch den Stromkreis hindurchfließt, so daß eine Umkehr der Drehrichtung des zugehörigen Motors durch Umschalten der Polung ermöglicht wird.

Die Drehrichtung des Motors kann auch dadurch umgekehrt werden, daß ein beleuchtetes Fenster am Umfang um im wesentlichen 180° versetzt wird. Diese Art der Beleuchtung der Halbleiter ist jedoch aufwendiger als die vorbeschriebene Methode, andererseits ist es bei dieser Ausführungsform möglich, durch gleichzeitige Beleuchtung beider Fenster, den Motor stillzusetzen.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektronischer Kommutator, insbesondere für Kleinmotoren mit Luftanker oder Eisenanker, mit einer aus einer Mehrzahl von Teilspulen bestehenden, über Schleifringe angeschlossenen Ankerspule, ferner mit einer Trägerscheibe aus einem elektrisch nicht-leitenden Material mit photoempfindlichen Halbleiterelementen, die von einer Beleuchtungseinrichtung über einen Umfangswinkel beleuchtbar sind, der 360°/n beträgt, wobei n die Anzahl der Anschlußfahnen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Trägerscheibe (12) mit Anschlußfahnen (22, 24, 26, 28, 30) für die Teilspulen (20) und jeweils zwei Halbleiterelementen (32, 34) für jede Anschlußfahne versehen ist, daß ferner jeweils ein Halbleiterelement (32) einer Anschlußfahne und jeweils ein Halbleiterelement (34) einer anderen Anschlußfahne zu einer Gruppe zusammengefaßt sind und daß die Halbleiterelemente (32, 34) einer Gruppe von der stationären Beleuchtungseinrichtung gleichzeitig beleuchtet sind.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Halbleiterelement (32) jeder Gruppe mit einer ersten Anschlußfahne und das andere Halbleiterelement (34) dieser Gruppe mit einer zweiten Anschlußfahne verbunden ist, die auf der Trägerscheibe (12) zur ersten Anschlußfahne im wesentlichen diametral gegenüber angeordnet ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Anschlußfahne eine Gruppe von Halbleiterelementen (32, 34) zugeordnet ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Anschlußfahne einerseits mit einem Halbleiterelement (32) der ihr zugeordneten Gruppe und andererseits mit einem Halbleiterelement (34) einer anderen Gruppe verbunden ist, die auf der Trägerscheibe (12) im wesentlichn diametral zu der erstgenannten Gruppe angeordnet ist.
  5. 5. Kommutator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerscheibe (12) beidseitig mit Leitern belegt ist.
  6. 6. Kommutator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Umschalten der Drehrichtung jedes Halbleiterelement (32, 34) aus zwei gegeneinander geschalteten Phototransistoren (29, 31 bzw. 35, 37) gebildet ist, die bei Beleuchtung Strom in der einen oder in der anderen Richtung durchlassen.
  7. 7. Kommutator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß je vier Phototransistoren (29, 31, 35, 37) in integrierter Schaltung zu einer Halbleiter- Einheit zusammengefaßt sind und jeder Anschlußfahne (22, 24, 26, 28, 30) eine solche Einheit zugeordnet ist, die bei Beleuchtung in beiden Durchlaßrichtungen auf zwei voneinander unabhängigen Bahnen stromleitend ist.






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