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Einrichtung zur Kommutierung der Ankerströme in Gleichstrommaschinen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kommutierung der Ankerströme in Gleichstrommaschinen
mit Ersatz des mechanischen Stromwenders durch steuerbare Halbleiter, insbesondere
mit steuerbaren Halbleitern, deren Widerstandswert durch eine geringe Änderung der
Steuergröße von dem einen Grenzwert in den anderen kippt, die zwecks periodischer
Umkehr der Stromrichtung in den einzelnen zu kommutierenden Ankerwicklungselementen
paarweise galvanisch an jedes Wicklungselementende angeschlossen sind und die Enden
jedes Wicklungselementes abwechselnd mit einer Gleichstromschiene positiven und
einer Gleichstromschiene negativen Potentials -verbinden, indem eine mit dem Läufer
mitrotierende Steuervorrichtung jeweils einen Halbleiter jedes Halbleiterpaares
schaltartig über 180 el. Grade geöffnet und über weitere 180 el. Grade
geschlossen hält.
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Eine Einrichtung dieser Art ist bereits vorgeschlagen worden. Bei
ihr werden als steuerbare Halbleiter magnetfeldabhängige Widerstände verwendet und
diese von einem relativ zum Anker umlaufenden Magnetfeld gesteuert.
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Hiervon unterscheidet sich die Erfindung dadurch, daß als steuerbare
Halbleiter Transistoren 2 bis 5
verwendet sind, die durch die Steuervorrichtung
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bzw. 19 unmittelbar galvanisch oder optisch gesteuert werden.
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Die unmittelbare Steuerung der Transistoren kann durch einen Steuerkollektor
erfolgen, der auf der Achse der Gleichstrommaschine festsitzt. Sie kann bei Verwendung
von Phototransistoren auch mittels einer auf der Maschinenachse angebrachten Blende
durchgeführt werden, die den Strahlengang einer elektromagnetischen Strahlung unterbricht.
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Es ist bereits bekannt, den mechanischen Stromwender zur Kommutierung
der Ankerströme in Gleichstrommaschinen durch Dampfentladungsgefäße zu ersetzen
und diese durch eine mit dem Läufer mitrotierende Steuervorrichtung zu steuern.
Diese Motoren haben den Nachteil, daß bei Speisung mit reinem Gleichstrom beim Anlauf
aus dem Stillstand die Steuerung der Ventile versagt. Dies ist darauf zurückzuführen,
daß bei Speisung des Motors mit reinem Gleichstrom zum Löschen des Lichtbogens an
den Anoden die vom Motor selbst bei der Rotation erzeugte Eigenspannung benutzt
wird. Beim Anlauf aus dem Stillstand des Motors fehlt aber diese Eigenspannung,
und es müssen daher besondere Maßnahmen getroffen werden, um das Löschen des Lichtbogens
in den nacheinander arbeitenten Steuerventilen beim Anfahren zu erzwingen. Als Sondermaßnahme
wird beispielsweise zu Beginn des Anlaßvorgangs eine Speisung mit pulsierendem Gleichstrom,
also eine zusätzliche Spannungsquelle, vorgesehen. Bei einer anderen Lösung wird
ein Kommutierungskondensator vorgesehen und dieser mit einem Stromtransformator
und mit Widerständen derart in die Verbindungsleitung zwischen dem Motor und dem
einen Pol des Gleichstromnetzes eingeschaltet, daß er wirkungsmäßig vom Belastungsstrom
des Motors in Reihe durchflossen wird und eine lastabhängige Kommutierungsspannung
gleich einem Vielfachen der Arbeitsfrequenz der einzelnen Entladungsstrecken erzeugt.
Alle diese Sondermaßnahmen entfallen bei der Einrichtung nach der Erfindung, weil
der Transistor nicht gesondert gelöscht werden muß. Die Erfindung macht also von
einer Eigenschaft des Transistors Gebrauch, die bei Dampfentladungsgefäßen nicht
vorhanden ist und eine grundsätzliche Vereinfachung der Schaltung ermöglicht. Hinzu
kommt durch ein paarweises Anordnen der Transistoren an den einzelnen Ankerwicklungsenden
die Möglichkeit der Stromumkehr in den Wicklungen, die bei den bekannten Einrichtungen
auch erst besteht, wenn komplizierte und störanfällige Sonderausführungen von Entladungsgefäßen
verwendet werden.
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Es ist außerdem eine Einrichtung zur Fernsteuerung von mehrphasigen
elektrischen Apparaten bekannt, bei der jeder Phasenwicklung des zu steuernden Apparates
zwei Entladungsstrecken zugeordnet
sind, die in Abhängigkeit von
einer am Geberort angeordneten SteuerapparatLir zyklisch gesteuert werden. Bei diesen
Einrichtungen tritt das der Erfindung zugrunde liegende Problem der Stromwendung
nicht auf. Es handelt sich hier um die Fernsteuerung von Antriebs- oder Einstellvorrichtungen
auf elektrischem Wege, mit dein Ziel, einen Steuervorgang am Geberort in eine bestimmte
Bewegung am Empfängerort umzusetzen.
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In der bekannten Schaltung sind gittergesteuerte Entladungsgefäße
mit Gas- oder Dampffüllung oder Hochvakuum-Elektronenröhren verwendet. Erstere sind
zur Lösung des der Erfindung zugrunde liegenden Problems nicht geeignet. Schließlich
erfolgt die Steuerung bei der bekannten Schaltung durch einen unabhängigen Geber,
bei der erfindungsgemäßen Schaltung jedoch unmittelbar durch eine mitrotierende
Steuervorrichtung. Die bekannte Schaltung ist nicht in der Lage, Ankerströme in
Gleichstrommaschinen zu kommutieren.
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Es ist auch schon eine Selbsterregungsschaltung für einen Uhrenmotor
bekanntgeworden, bei dem eine Steuervorrichtung mechanisch mit dem Läufer des Uhrenmotors
gekoppelt ist. Die Steuersignale werden an einer Spule induktiv abgenommen und einem
Verstärker zugeleitet, der sie verstärkt auf die Erregerspule des Uhrenmotors gibt.
Es entsteht hierdurch ein Rückkopplungskreis, der den Polwechsel des Uhrenmotors
verstärkt zur Erregerwicklung dieses Motors zurückführt. Der Verstärker ist als
Gegentaktverstärker im B-Betrieb ausgebildet. Die bekannte Rückkopplungsschaltung
ist praktisch nur für Uhrenmotoren, also Motoren geringer Leistung, anwendbar. Das
Kommutierungsproblem in Gleichstrommaschinen mit größerer Leistung wird hierdurch
nicht gelöst.
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Schalt- und Fototransistoren sind bekannt. Man verwendet beide seit
geraumer Zeit auf den verschiedensten Anwendungsgebieten.
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Die Erfindung wird durch zwei Ausführungsbeispiele an Hand zweier
Figuren näher erläutert. F i g. 1 zeigt schematisch die Kommutierung mittels
eines Steuerkollektors. Der Wicklungsstrang 1 ist an jedem Ende über
je einen Transistor 2, 3, 4, 5 vom Typ n-p-la an die
Gleichspannungsquelle 6 angeschlossen. Der Steuerkollektor 7 bewirkt,
daß über einen Winkel von 180 el. Graden entweder die Transistoren 2, 4 oder
3, 5 geöffnet sind, und damit die Umkehrung des Wicklungsstromes. Zur Erzeugung
der richtigen Steuerspannungen ist ein Mehrfachpotentiometer 10 vorgesehen,
welches vier Abgriffe 11, 12, 13, 14 besitzt. Wenn die Wicklungsstränge der
Maschine voraussetzungsgemäß gleiches elektrisches Verhalten aufweisen, ist nur
ein Potentiometer 10
erforderlich, da die benötigten Steuerspannungen dann
für die entsprechenden Transistoren aller Stränge gleich sind. Der Abgriff
11 liefert die öffnungsspannungen der Transistoren 2, 3, der Abgriff
13 deren Schließungsspannung. Analog gilt dies auch für die Abgriffe 12,
14 und die Transistoren 4, 5.
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Der Steuerkollektor 7 ist abgewickelt dargestellt und besitzt
bei diesem Ausführungsbeispiel zwei Kontaktbahnen 8, 9, die aus je zwei ineinandergreifenden,
voneinander isolierten Kontaktstreifen 8', W' bzw. 9, 9" bestehen.
Auf jedem der Kontaktstreifen schleift je eine Bürste 11', 12', lY,
14', die zu je einem Potentlometerabgriff gehört. In den Überlappungszonen
der Kontaktbahnen schleifen Bürsten 15, 16, 17, 18 und übertragen die Steuerspannungen
zu den Steuerelektroden der Transistoren. In der dargestellten Schaltung handelt
es sich hierbei um die Dasiselektrode. Der Steuerkollektor dreht sich gemeinsam
mit dem nicht dargestellten LäUfer der Maschine. In der gezeichneten Stellung fließt
Strom über die Transistoren 2 und 4, während die Transistorefi 3 und
5 gesperrt sind. Nach einer Drehung uni 180 el. Grade, die in der
vereinfachten Zeichnung 180 geom. Graden entsprechen, sind die Transistoren
3 und 5 geöffnet, 2 und 4 gesperrt, und der Wicklungsstrom hat die
entgegengesetzte Richtung. Hat die Maschine mehr als zwei Pole, so muß der Kollektor
mit mehrfach ineinandergreifenden Kontaktstreifen versehen werden.
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In F i g. 2 ist die Kommutierung mittels Fototraiisistoren
angedeutet. Die Halbkreisblende 19 rotiert bei diesem Ausführungsbeispiel,
das wieder auf den einfachen Fall einer zweipoligen Maschine mit nur einem Wicklungsstrang
bezogen ist, gemeinsam mit dem Läufer und unterbricht hierbei die Bestrahlung von
jeweils zwei Fototransistoren. Die Strahlungsquelle ist nicht dargestellt und etwas
oberhalb der Zeichnungsebene zu denken. In der gezeichneten Stellung fließt Strom
über die Transistoren 3 und 5,
also gegen den Uhrzeigersinn, in der
den Wicklungsstrang symbolisierenden Schleife 1.
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Der Ersatz von Gleichstromkollektoren durch Transistoren ist insbesondere
bei Motoren vorteilhaft. Speziell sei hier auf Kleinmotoren, z. B. Anlasser-und
Scheibenwischermotoren in Kraftfahrzeugen, hingewiesen. Im Aufbau von Kommutierungseinrichtungen
gemäß der Erfindung ist man nicht an die Verwendung von n-p-n-Transistoren gebunden,
Bei Berücksichtigung der erforderlichen Abwandlungen sind auch Transistoren anderen
Typs, statt Fototransistoren aus Fotodioden anwendbar.