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Dokumentenidentifikation DE3812638A1 10.11.1988
Titel Bürstenloser bipolarer Mehrphasen-Gleichstrommotor
Anmelder Lee, I Soo, Seoul/Soul, KR
Erfinder Lee, I Soo, Seoul/Soul, KR
Vertreter Grünecker, A., Dipl.-Ing.; Kinkeldey, H., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Stockmair, W., Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Ae.E. Cal Tech; Schumann, K., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Jakob, P., Dipl.-Ing.; Bezold, G., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Meister, W., Dipl.-Ing.; Hilgers, H., Dipl.-Ing.; Meyer-Plath, H., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Bott-Bodenhausen, M., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Ehnold, A., Dipl.-Ing.; Schuster, T., Dipl.-Phys., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 15.04.1988
DE-Aktenzeichen 3812638
Offenlegungstag 10.11.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.11.1988
IPC-Hauptklasse H02K 29/10
IPC-Nebenklasse H02P 6/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen bipolaren Mehrphasen-Gleichstrommotor, in dem der Ständer von einem Anker und der Läufer von Permanentmagneten gebildet wird.

Falls die Ständerwicklung dieses Motors als Spulenwicklung ausgeführt ist, gibt der Motor sinusförmige Drehmomentwellen ab; dadurch ist er als Kleinmotor geeignet. Falls die Ständerwicklung indessen als Kettenwicklung ausgeführt ist, gibt der Motor trapezförmige Drehmomentwellen ab, wodurch er als Leistungsmotor geeignet ist.

Die Erfindung macht sich ferner einen bipolaren Betrieb zu eigen, so daß die Kupferverluste der erregenden Wicklung minimiert werden können; dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad. Darüber hinaus ist die Erfindung für einen Mehrphasenbetrieb entworfen, so daß die Ausnutzung der Spule erhöht werden kann; dadurch wird es möglich, den Motor raumsparend zu bauen und den Drehmomentverlauf zu verbessern. Außerdem sind bei diesem Motor der Kommutationskodierer und der Sensorteil, die nachfolgend als Kommutationskodierer und -phototransistoren bezeichnet werden, einfach und betriebssicher ausgeführt, so daß die Start- und Drehcharakteristik des Motors verbessert werden kann und der Motor aufgrund seiner einfachen Bauweise kostengünstig hergestellt werden kann.

Ein herkömmlicher Nebenschlußmotor, bei dem die Erregerwicklungen mit einer geeigneten Anzahl von Polen auf den Läufer gewickelt werden und die Wicklungen, welche die Verbindung zu den Bürsten herstellen, für die Drehbewegung auf den Läufer gewickelt werden, weist Nachteile auf. Während des Betriebs lagern sich Verunreinigungen, wie Staub, zwischen den Kommutatorsegmenten an, oder die Bürste muß wegen eines Kurzschlusses in der Isolierung oder wegen Abnutzung ersetzt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, unter Ausschaltung der erwähnten Probleme einen bürstenlosen bipolaren Mehrphasen-Gleichstrommotor zu schaffen, bei dem im Läufer ein Permanentmagnet statt einer Erregerspule verwendet wird, die Ständerwicklung als unabhängige Wicklung ausgeführt ist, ein Kommutationskodierer fest auf den Läuferschaft montiert ist und ein mit einem Treiberkreis verbundener Sensor angebracht ist, wodurch der Motor bei einfacher Bauweise und kostengünstiger Herstellung weich gestartet und gedreht wird.

Die Erfindung wird zu ihrem besseren Verständnis und zur Erläuterung weiterer Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten im Lichte der folgenden ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels dargestellt, wobei in den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung, teilweise als Blockschaltbild, einen bürstenlosen bipolaren Mehrphasen- Gleichstrommotor gemäß der Erfindung;

Fig. 2A in zerlegter, perspektivischer Darstellung einen Drehzahlkodierer und Sensor (den Kommutationskodierer und die -phototransistoren) gemäß der Erfindung;

Fig. 2B im Halbschnitt die Teile von Fig. 2A in zusammengebautem Zustand;

Fig. 3A ein kreisförmiges Schaltbild der unabhängigen Wicklung des Dreiphasen-Vierpolmotors;

Fig. 3B die Anordnung des vierpoligen Läufers;

Fig. 3C ein seriell umgezeichnetes Schaltbild der unabhängigen Wicklung des Dreiphasen-Vierpolmotors;

Fig. 4A in schematischer Darstellung die Treiberschaltung des Dreiphasen-Motors;

Fig. 4B den konstruktiven Aufbau des Läufers und des Kommutationskodierers mit Phototransistoren;

Fig. 5A den schematischen Aufbau eines Dreiphasen-Vierpolmotors;

Fig. 5B den schematischen Aufbau eines Vierphasen-Vierpolmotors;

Fig. 6 Zeitverläufe der abgegebenen Drehmomentwellen bei der Ausführung gemäß Fig. 3A, 3B und 3C;

Fig. 7A die Position des Lagesensors und den zugehörigen Zeitverlauf der Drehmomentwelle;

Fig. 7B die korrigierte Position des Lagesensors und den zugehörigen Zeitverlauf der Drehmomentwelle;

Fig. 8A den mit korrigiertem Winkel am Kommutationskodierer angebrachten Lagesensor und den zugehörigen Zeitverlauf der Drehmomentwelle;

Fig. 8B den Zustand, in dem der Lagesensor in optimal korrigierter Position an dem Kommutationskodierer angebracht ist, und den zugehörigen Zeitverlauf der Drehmomentwelle; und

Fig. 9 die Anordnung eines Vorwärts- und Rückwärtssensors in dem Dreiphasen-Vierpolmotor gemäß der Erfindung.

Im folgenden wird ein bürstenloser Mehrphasen-Gleichstrommotor gemäß der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert.

Die ausgezeichneten Eigenschaften des bürstenlosen Gleichstrommotors hängen vom konstruktiven Aufbau des Drehwerks, des Kommutationskodierers mit Phototransistoren und der Treiberschaltung ab. Demgemäß ist der bürstenlose Gleichstrommotor gemäß der Erfindung entsprechend dem Übersichtsschaltbild nach Fig. 1 aufgebaut. Wenn das Kommutationssystem die Position des Läufers durch den Kommutationskodierer mit Phototransistoren feststellt, erzeugt es einen Impuls. Der elektronische Kommutator schaltet so den an die Wicklung angeschlossenen Leistungstransistor ein, wodurch der Wechselstrom durch das Drehwerk fließt und den Motor antreibt.

Wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist, wird der Kommutationskodierer mit Phototransistoren gedreht, indem der Kommutationskodierer 2 auf der Welle 11 des Drehwerks 1 befestigt ist. Der Kommutationskodierer 2 umfaßt einen lichtabschirmenden Teil 21 und einen lichtaufnehmenden Teil 22.

Dieses Kommutationssystem zeichnet sich dadurch aus, daß es für jede Phase unabhängig ausgeführt ist. Das Kommutationssystem jeder Phase ist parallel mit der einen Spannungssteuerung verbunden und der Wechselstrom mit rechteckförmigem Verlauf fließt dementsprechend durch die Wicklung jeder Phase, wodurch der Motor weich angetrieben wird.

Die ausführliche Erläuterung eines bürstenlosen bipolaren Mehrphasen-Gleichstrommotors, der nach dem Prinzip der Erfindung angetrieben wird, wird anhand seiner grundlegenden Baugruppen (Drehwerk, Spannungssteuerung usw.) vorgenommen.

Das Drehwerk besteht aus dem durch einen Anker gebildeten Ständer 4 und dem durch Permanentmagneten gebildeten Läufer 7. Der Läufer des Drehwerks 1 kann zwei, vier, sechs, acht, . . . oder 2n Pole aufweisen, der Ständer zwei, drei, vier, fünf, sechs, . . . oder n Phasen. Die Anzahl der Pole und Phasen kann also entsprechend den Anforderungen erhöht oder vermindert werden, ebenso wie die Länge, der Durchmesser oder die Form des Drehwerks 1 nach Bedarf modifiziert werden kann.

Wie in den Fig. 3A und 3B gezeigt ist, ist die Wicklung des Motors eine unabhängige, nicht in Dreiecks- oder Sternschaltung verbundene Wicklung. Obwohl die Spule einer jeden Phase Teil eines Mehrphasen-Motors ist, ist sie so aufgebaut, daß die erregende Wirkung einer jeden Spule stets konstant ist.

Der elektronische Kommutator ist gemäß den Fig. 4A und 4B so aufgebaut, daß je ein Satz vier Leistungstransistoren Q1 bis Q4 umfaßt, die mit der Spule jeder Phase verbunden sind. Je zwei dieser Transistoren sind mit einem Phototransistor verbunden, so daß jede Phase mit zwei Phototransistoren ausgestattet ist, wodurch die Stromrichtung entsprechend der Arbeitsweise der Phototransistoren festgelegt wird. Dies sei beispielhaft für den Fall des Dreiphasen-Motors mit zweifacher Erregung gemäß den Fig. 4A und 4B erläutert. Wenn sich der Phototransistor PA1 innerhalb der Aufnahmefläche des Kommutationskodierers 2 befindet, erzeugt er einen positiven Impuls. Dadurch werden die Transistoren Q1 und Q4 eingeschaltet und der Strom fließt vom Transistor Q1 zum Transistor Q4. Der Phototransistor PA2 ist dabei in einer Position, in der er nicht eingeschaltet ist. Wenn die Position der Phototransistoren verschoben wird und der Phototransistor PA2 innerhalb des Aufnahmebereichs des Kommutationskodierers 2 liegt, werden die Transistoren Q2 und Q3 eingeschaltet, so daß der Strom in umgekehrter Richtung vom Transistor Q2 zum Transistor Q3 fließt. Nunmehr ist der Phototransistor PA1 in einer Position, in der er nicht eingeschaltet werden kann.

Weil demzufolge zwei Phototransistoren pro Phase vorgesehen sind und nur positive Impulse benutzt werden, kann auf einen Frequenzteiler verzichtet werden. Darüber hinaus kann auf eine Überkreuzsperre verzichtet werden, weil jeder Phototransistor einer Phase so eingebaut ist, daß er nicht eingeschaltet wird, während der Läufer eien Drehwinkel von 30° × 2n/ Polzahl des Läufers / Anzahl der Phasen überstreicht. Auf diese Art kann ein sicherer und einfacher elektronischer Kommutator ohne komplizierte Logikschaltkreise gebaut werden.

Wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist, besteht der Kommutationskodierer mit Phototransistoren aus dem Kommutationskodierer 2, der am einen Ende der Motorwelle vorgesehen ist, und zwei Phototransistoren pro Phase. Er ist vom externen Typ. Der Fall des Dreiphasen-Vierpolmotors sei beispielhaft erläutert.

Der Motor vom Dreiphasen-Vierpoltyp gemäß Fig. 5 ist so aufgebaut, daß der Kommutationskodierer 2 2 × Polzahl des Läufers/2 Aufnahmeflächen besitzt und die Breite der Aufnahmefläche einem Drehwinkel von 60° × 2n/ Polzahl des Läufers x (Anzahl der Phasen -1) / Anzahl der Phasen entspricht. Die Phototransistoren PA1, PB1, PC1, PA2, PB2 und PC2 sind entsprechend in Intervallen des Drehwinkels von 30° × 2n/ Polzahl des Läufers / Anzahl der Phasen angeordnet. Das Intervall zwischen den Phototransistoren PA1 und PA2 der A-Phase entspricht dem Drehwinkel von 90° × 2n/ Polzahl des Läufers ebenso wie in der B- und C-Phase.

Im folgenden wird die Arbeitsweise mit Bezug auf die A-Phase erläutert. Während der Phototransistor PA1 einen positiven Impuls für die Treiberschaltung in einem Drehwinkelintervall von 60° erzeugt, ist er in einem Intervall von 30° nicht eingeschaltet. Auch das Intervall, in dem der Phototransistor PA2 eingeschaltet ist, entspricht einem Drehwinkel von 60°. Wenn der Phototransistor PA1 eingeschaltet ist, ist der Phototransistor PA2 nicht eingeschaltet und umgekehrt. Während eines Drehwinkelintervalls von 30° sind beide Phototransistoren PA1 und PA2 nicht eingeschaltet. Der so konstruierte Kommutationskodierer mit Phototransistoren arbeitet zweiphasig mit einfacher Erregung, dreiphasig mit zweifacher Erregung, vierphasig mit dreifacher Erregung, fünfphasig mit vierfacher Erregung, sechsphasig mit fünffacher Erregung, . . . , so daß der n-phasige Motor mit (n-1)facher Erregung entsteht, der als bürstenloser bipolarer Mehrphasen-Gleichstrommotor bezeichnet wird.

Wie in den Fig. 7A und 7B gezeigt ist, erzeugt der Phototransistor in eingeschaltetem Zustand einen Impuls, der einen Strom in vorgegebener Richtung durch die Wicklung fließen läßt, sobald der Phototransistor in seiner theoretischen Position von der Aufnahmefläche des Kommutationskodierers 2 erreicht wird. Außerhalb der Aufnahmefläche wird bei gesperrtem Transistor kein Impuls erzeugt und der Strom durch die Wicklung ist abgeschaltet.

Der Zeitpunkt für Anfang und Ende der Spulenerregung wird um den Winkel R verzögert im Vergleich zu dem Zeitpunkt des vom Phototransistor erzeugten Impulsanfangs und -endes. Diese Verzögerung ist auf die Speicherzeit des Transistors und die Ansprechcharakteristik der Spule zurückzuführen.

Zusätzlich ermöglicht es die voreilende Kommutation mit Hilfe des Phototransistors, den schwachen Drehmomentanteil in zur Drehrichtung des Läufers umgekehrter Richtung auszuschalten, den Wirkungsgrad zu verbessern und die Kupferverluste zu minimieren.

Vorzugsweise wird die um R voreilende Kommutation des Phototransistors während des Motorbetriebs als beste Position eingestellt. Die Einstellung des Phototransistors ist möglich, weil der Sensorteil vom externen Typ ist.

Wie in den Fig. 8A und 8B gezeigt, wird die Modulation der Erregungsbreite vorgenommen, indem der Abstand zwischen dem Phototransistor und dem Kommutationskodierer 2 eingestellt wird. Die Erregungsbreite fällt nicht mit der Impulsbreite zusammen, die vom Phototransistor herrührt. Offensichtlich ist die Erregungsbreite der Spule von Natur aus größer als die Impulsbreite des Phototransistors, weil sie von der Speicher- und Abfallzeit des Transistors und von der Erregungscharakteristik der Spule abhängt.

Demgemäß vergrößert die Erregung in der Spanne des schwachen Drehmoments die Kupferverluste in der Spule (siehe Fig. 8A und 8B), was zu Hitzeentwicklung im Motor führt und den Wirkungsgrad herabsetzt.

Vorzugsweise wird die Einstellung des Abstands zwischen dem Phototransistor und dem Kommutationskodierer 2 an dem Sensorteil vom externen Typ derart vorgenommen, daß die günstigste Position für den Verlauf des Drehmoments und die effektivste Position für den Betrieb des Motors einjustiert wird.

Wie in Fig. 9 dargestellt, ist der Sensorteil in der Lage, vorwärts und rückwärts zu rotieren. Hierzu ist ein Satz von Phototransistoren vorgesehen, der während einer Rückwärtsdrehung benutzt wird und symmetrisch zu dem Satz von Phototransistoren verschoben ist, die für die Vorwärtsdrehung voreilend positioniert wurden.

Übereinstimmend mit der Auswahl des Satzes von Phototransistoren für die Vorwärts- oder Rückwärtsdrehung durch berührungslose elektromagnetische Betätigung ist eine Vorwärts- und Rückwärtsdrehung des Motors möglich.

Das Kommutationssystem ist gemäß Fig. 1 parallel geschaltet, direkt im Falle von Gleichstrom und über Gleichrichter im Falle von Wechselstrom. Die Geschwindigkeit des Motors wird gesteuert, indem die Spannung an der Spannungssteuerung eingestellt wird.

Die Wirkungsweise der zuvor beschriebenen Erfindung, insbesondere als Leistungsmotor, kann wie folgt zusammengefaßt werden:

Ein Paar von Phototransistoren ist pro Phase in einem Kommutationskodierer angeordnet, wodurch sich eine Teilervorrichtung und eine Überkreuzsperre erübrigen und ein sicherer und einfacher Schaltkreis entsteht.

Da der Motor auf einfache Art mehrphasig und mehrpolig ausgelegt werden kann, wird der Zeitverlauf des Drehmoments nennenswert verbessert. Indem die Bereiche mit schwachem Drehmoment ausgeschaltet werden, werden die Kupferverluste und die Abwärme des Motors minimiert und so der Wirkungsgrad verbessert.

Ein maximaler Strom kann durch eine für jede Phase unabhängige Wicklung geschickt werden. Die Mehrphasigkeit sorgt für eine effektive Ausnutzung der Wicklung (zum Beispiel zweiphasig mit einfacher Erregung, dreiphasig mit zweifacher Erregung, vierphasig mit dreifacher Erregung, fünfphasig mit vierfacher Erregung, sechsphasig mit fünffacher Erregung, . . .), was eine platzsparende Bauweise zuläßt. Die Verbesserung des Wirkungsgrads des Motors und des Verlaufs des Drehmoments führt zu einer entsprechenden Verbesserung beim Ansprechen des Motors.

Zur Verstetigung der Rotation wird eine voreilende Kommutation eingesetzt, wobei der Sensorteil unabhängig für eine Vorwärts- und Rückwärtsdrehung ausgebildet wird. Die geringere Leistung der Transistoren, die phasenunabhängig im Antriebsteil eingebaut sind, setzt die Herstellungskosten herab.

Wie aus den Fig. 1 und 2A ersichtlich, ist mit 6 ein Geschwindigkeitsfühler bezeichnet, der auf dem Umfang einer Geschwindigkeitssteuerkodiervorrichtung 3 angeordnet ist, um die Geschwindigkeit festzustellen. Die Geschwindigkeitssteuerkodiervorrichtung 3 weist eine Vielzahl von lichtdurchlässigen bzw. lichtreflektierenden Bereichen auf ihrem Umfang auf, mit denen die Geschwindigkeit festgestellt werden kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Ein bürstenloser bipolarer Mehrphasen-Gleichstrommotor, gekennzeichnet durch eine Spannungssteuerung und einen Mehrphasenbetrieb, bei dem jede Phase (A, B, C) einen Sensorteil (2, 5) einschließlich eines Kommutationskodierers (2) mit Phototransistoren (5) sowie eine Erregerspule (4) und einen elektronischen Kommutator aufweist,

    ferner gekennzeichnet durch ein Zusammenwirken der getrennten Phasen derart, daß jede Phase (A, B, C) parallel mit der Spannungssteuerung verbunden ist und zwei Phototransistoren (z. B. PA1 und PA2 für die Phase A) aufweist,

    wobei mit Bezug auf den Kommutationskodierer (2) die erforderliche Erregungsbreite und die der Drehrichtung des Läufers (7) entsprechende Stromrichtung festgelegt sind,

    wodurch ein bipolarer Strom in der Erregerwicklung (4) fließt und der bürstenlose Gleichstrommotor weich angefahren und angetrieben werden kann.
  2. 2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutationskodierer (2) des Sensorteils (2, 5) eine Aufnahmefläche aufweist, deren Breite durch einen Drehwinkel von "2f/ Polzahl des Läufers x (Anzahl der Phasen -1) / Anzahl der Phasen" und deren Anzahl durch "Polzahl des Läufers/2" festgelegt ist,

    wobei die Betriebsart des bürstenlosen Gleichstrommotors zweiphasig mit einfacher Erregung, dreiphasig mit zweifacher Erregung, vierphasig mit dreifacher Erregung, . . . , n-phasig mit (n-1)facher Erregung ausgelegt ist,

    wodurch die Ausnutzung der Wicklung erhöht wird und der Verlauf des Drehmoments es erlaubt, den bürstenlosen Gleichstrommotor platzsparend auszulegen.
  3. 3. Motor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Sensorteil (2, 5) vom extern angebrachten Typ, bei dem mehrere Phototransistorgruppen in Form voreilender Kommutation entgegengesetzt zur Drehrichtung um einen bestimmten Winkel (β) aus der theoretischen Position verschoben werden, um das schwache Drehmoment auszulassen, das von der Verzögerungs- und Speicherzeit der Transistoren (PA1, . . .) und von der Erregungscharakteristik der Wicklung (4) herrührt, und um so die Kupferverluste zu minimieren.
  4. 4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Kommutationskodierer (2) und den Phototransistoren (5) zusammengesetzte Sensorteil (2, 5) die Erregungsbreite ändern kann, indem der Abstand zwischen den Phototransistoren (5) und dem Kommutationskodierer (2) eingestellt wird, wobei die Breite des Aufnahmebereichs auf einen Drehwinkel von "2π/ Polzahl des Läufers x (Anzahl der Phasen -1) / Anzahl der Phasen" festgelegt ist, um die Kupferverluste zu mindern und den Wirkungsgrad zu steigern, wobei diese Einstellung ausgeführt wird, indem die Phototransistoren (5) während des Betriebs des bürstenlosen Gleichstrommotors versetzt werden.
  5. 5. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorteil (2, 5) zweite Phototransistorgruppen einschließt, die bei umgekehrter Drehung benutzt und symmetrisch zu der voreilenden Position der bei Vorwärtsdrehung benutzten Phototransistorgruppen angebracht werden, so daß sich der Sensor (2, 5) und damit der bürstenlose Gleichstrommotor sowohl vorwärts als auch rückwärts drehen können, je nachdem, ob durch berührungslose elektromagnetische Betätigung der Vorwärtssensor oder der Rückwärtssensor ausgewählt werden.






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