DE1262421B - Anordnung zum Steuern von Elektromotoren - Google Patents

Description

• Anordnung zum Steuern von Elektromotoren Die Erfindung richtet sich auf eine Anordnung zum Steuern von Elektromotoren mit je einem stromsteuernden Steuerelement in jeder Stromzuführung, bei der jedes Steuerelement unter dem Einfluß eines Oszillators steht und in einem Winkelbereich von etwa 3601, geteilt durch die Anzahl der Steuerelemente, ansteuerbar ist.
• Bei den gebräuchlichen Elektromotoren stellt ein auf der Ankerwelle angeordneter Kollektor über auf ihm schleifende feststehende Bürsten die Verbindung zwischen Ankerwicklung und äußerem Stromkreis dar. Die Nachteile dieser Anordnung sind zahlreich. Der Stromübergang ist nicht zuletzt durch die infolge der Reibung auftretende Abnutzung vergleichsweise schlecht, und es ergeben sich Funkenbildungen mit ihren nachteiligen Folgen sowie beträchtliche Geräusche. Andererseits ist der Kollektor vielfach die Ursache von beträchtlichen Anlaufschwierigkeiten. Schließlich vermögen die mit einem Kollektor arbeitenden Motoren den heutigen Anforderungen der Regeltechnik, insbesondere hinsichtlich der Drehzahlregelung, nicht in jedem Fall mehr gerecht zu werden.
• Elektromotoren, die auf einen Stromübergang im Kollektor verzichten und die dadurch bedingten Nachteile vermeiden, sind bereits bekannt. Im Fall eines solchen vorbekannten Elektromotors ist in jeder Stromzuführung ein Transistor angeordnet, der in Abhängigkeit von der jeweiligen Läuferstellung angesteuert wird. Dabei besteht über einen mit dem Rotor umlaufenden Magnetkern eine ständige Kopplung zu den Motorwicklungen, über welche Spannungsstöße induziert bzw. Impedanzänderungen hervorgerufen werden. Die Frequenz der nacheinander in den Stromzuführungen auftretenden Spannungen ist ein Maß für die Drehzahl des Motors. Diese Spannungsstöße stimmen mit den Motorphasen überein, und sie bewirken damit eine Kommutierung des Stroms in Abhängigkeit von der jeweiligen Läuferstellung. Dabei dient ein Oszillator zur Umwandlung der von der Spannungsquelle gelieferten Gleichspannung in eine niederfrequente Wechselspannung zur Versorgung des Motors. Der Oszillator schwingt dauernd mit gleicher Frequenz und könnte ohne weiteres durch eine Wechselspannungsquelle ersetzt werden.
• Der hierzu erforderliche Aufwand ist beträchtlich und allenfalls in Verbindung mit dem dort vorliegenden speziellen Zweck vertretbar.
• Ein anderer bekannter Motor bedient sich einer veränderlichen Rückkopplung, wobei jedem Steuerelement ein eigener Schwingkreis zugeordnet ist. Wieder in einem anderen Fall dient ein Drehfeld mit einstellbarer Frequenz zur Drebzahlregelung, wobei die Schaltelemente durch von einer Ringkippschaltung ausgehende Impulse gesteuert werden. Die Ab- hängigkeit von einem mehrstufigen astabilen Kippgenerator bedingt aber einen erheblichen Aufwand, der nur für spezielle Einzelfälle vertretbar ist.
• Ein vorbekannter Uhrenantrieb mit einem in einer Ebene schwingenden Element arbeitet nach dem Prinzip der Amplitudenmodulation, und ein vom Schwingkreisgenerator angetriebenes mechanisches Schwingorgan ist speziell auf den Antrieb des mechanischen Schwingers aus der Ruhelage gerichtet. Als Schwingkreisgenerator wird ein Oszillator verwendet, dessen Rückkopplung durch das Steuerorgan taktmäßig verändert wird, wodurch sich die Anregung für das mechanische Schwingorgan ebenfalls ändert. Diese Maßnahme läßt sich jedoch nicht ohne weiteres auf die Ansteuerung eines mit möglichst konstanter Drehzahl laufenden Elektromotor übertragen.
• Auch die bei einem bekannten Schrittschaltwerk getroffene Anordnung, bei dem durch Änderung der Kopplung zweier Oszillatorspulen pro Umdrehung der Antriebswelle zwei Antriebsimpulse für diese Welle erzeugt werden, kann nicht zum Steuern. von Elektromotoren verwendet werden. Es ist dort nämlich nicht möglich, eine ausreichende Leistung abzunehmen, weshalb das bekannte Schrittschaltwerk einen nachgeschalteten Elektromagneten aufweist, der zum Antrieb einer von dem Schrittschaltwerk angetriebenen Einreichung, beispielsweise einer Uhr, dient.
• Aufbauend auf diesen vorbekannten Motor schafft die Erfindung eine Anordnung zum Steuern von Elektromotoren, die sich insbesondere infolge ihres überaus einfachen Aufbaus besonders zur Großserienfertigung von Elektromotoren unter Verwendung eines HF-Gliedes eignet. Erfindungsgemäß ist bei einem Elektromotor der eingangs bezeichneten Art jedem Steuerelement ein in Abhängigkeit von der Winkellage des umlaufenden Ankers bedämpfbarer Hochfrequenz-SteuerosziUator zugeordnet, und es ist jeweils mindestens einer der Steueroszillatoren bedämpft.
• An die Stelle des Kollektors treten damit die Steuerelemente, die wiederum in funktioneller Ab- hängigkeit vom Ankerumlauf arbeiten. Der Motor wird dann allein auf induktivem Wege gesteuert, so daß sich ein Höchstmaß an Betriebssicherheit und eine außerordentliche Präzision der Wirkungsweise ergeben, wie sie für zahlreiche Anwendungsgebiete, insbesondere in der Regeltechnik, unabdingbar sind. Gelangt der jeweilige Steueroszillator in den Einfluß des Dämpfungsgliedes, so kann der ständig schwingende Oszillator keinen Hochfrequenzstrom mehr erzeugen, und das dem Oszillator zugeordnete Steuerelement zieht vollen Strom. Umgekehrt ist es auch denkbar, daß mehrere, beispielsweise sämtliche vorhandenen Oszillatoren, bis auf einen gleichzeitig bedämpft werden.
• Dieses Vorgehen unterscheidet sich auch wesentlich von einem älteren Vorschlag, nach dem ein -Hochfrequenzoszillator eine der Anzahl der Steuerglieder entsprechende Zahl von Ausgangswicklungen aufweist, die so gegeneinander geschaltet sind, daß sich die Spannungen in ihnen aufheben. An die Ausgangswicklungen sind aus mehreren segmentförnügen Elektroden gebildete Kondensatoren angeschlossen, deren Kapazität durch eine mit dem Rotor umlaufende Elektrode verändert wird. Dadurch ändert sich die Spannung am Steuerglied, was zum Antrieb des Motors ausgenutzt wird. Hier ist ein besonders sorgfältig gearbeiteter, aufwendiger Oszillator erforderlich, damit sich die Spannungen in den Ausgangswicklungen aufheben. Außerdem muß der Motor stets eine gerade Anzahl von Statorwicklungen aufweisen, wodurch sich dessen Aufbau verteuert.
• Es wurde auch schon vorgeschlagen, bei einem Motor die Schalttransistoren für die drei Ständerwicklungen gleichzeitig je in einem rückgekoppelten Schwingkreis zu verwenden, dessen Rückkopplung flichkraftabhängig veränderlich ist. Bei geringer Kopplung der beiden Oszillatorspulen ist dabei die Resonanzfrequenz der Schwingkreise so hoch, daß die NF-Schalttransistoren nicht mehr durchgesteuert werden und so die entsprechende Ständerwicklung keinen Strom mehr führt. Diese Steuerung ist daher stark von der Grenzfrequenz der Transistoren abhängig und arbeitet überdies in einem ungünstigen Bereich für die Transistoren. Zudem bereitet die Herstellung des zentral angeordneten Trägers mit den sechs Oszillatorspulen große Schwierigkeiten bei kleinen Motoren, während erfindungsgemäß nur drei Spulen am Umfang des Motors erforderlich sind.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung - , kann eine mit dem Anker umlaufende Blende vorgesehen sein, in deren Wirkungsbereich Schwingkreisspulen der Steueroszillatoren angeordnet sind.
• Die Blende kann, wie die Erfindung weiter vorsieht, in an sich bekannter Weise aus einer Blechfalme bestehen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, als Blende eine Dämpfungsspule zu verwenden, die, was sich als besonders vorteilhaft herausgestellt hat, einen Fliehkraftschalter aufweisen kann. In jedem Fall muß die von der Blende ausgehende Dämpfungswirkung so weit gehen, daß die den Oszillatoren zugeordneten Steuerelemente ansprechen können. Durch den Fliehkraftschalter erfährt die Anordnung in einfachster Weise eine Erweiterung iin Sinn einer Konstanthaltung der--Drehzahl, denn der Fliehkraftschalter öffnet beim Überschreiten einer. vorbestimmten Drehzahl, so daß in diesem Fall die Dämpfungswirkung nicht eintritt. Eine solche Drehzahlregelung wird höchsten Ansprüchen gerecht, obwohl sie nur einen minimalen Aufwand erfordert. Die Anordnung vereinigt in sich die Vorzüge des kollektorlosen Betriebes mit denjenigen der höchsten Ansprech- und Regelgenauigkeit.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben -sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie an Hand des in der Zeichnung wiedergegebenen Schaltbildes.
• Die Stromzuführungen des mit M bezeichneten Motors sind bei 1, 2 und 3 angedeutet, und es ist weiter dargestellt, daß in diese Stromzuführungen je ein Steuerelement in Form eines mit einem Transistor 4 bestückten Schalters 5 einbezogen ist. Dieser Schalter 5 vereinigt in sich weiter die erforderlichen Widerstände sowie einen Kondensator und einen Gleichrichter. Jedem dieser Steuerelemente 5 ist ein Oszillator 6 von an sich bekannter Ausführung zugeordnet, dessen Steuerspule mit 7 bezeichnet ist. Der Oszillator erzeugt einen HF-Strom und bewirkt dadurch ein Trennen des Schalters 5, so daß der Stromfluß durch die einzelnen Zuleitungen 1-, 2 oder 3 unterbrochen wird.
• Die Steuerelemente 5 sind entsprechend den drei Stromzuführungen IL bis 3 um jeweils 360'/n = 1201 gegeneinander versetzt angeordnet.
• Mit dem in der Schemazeichgung nicht wiedergegebenen Anker des Motors M, dessen Unilaufrichtung beispielsweise dem Pfeil 8 entspricht, läuft eine Blende um, die in Form eines Dämpfungskreises 9 mit einem Widerstand und einer Spule 10 versehen ist. Zur Drehzahlregelung ist außerdem noch ein Fliehkraftregler 11 in den Dämpfungskreis 9 einbezogen.
• Läuft der Motor M im Betrieb in Pfeilrichtung 8 um, so wirkt die mit dem Anker umlaufende Dämpfungsspule 10 nacheinander auf die Steuerspulen 7 des jeweiligen Oszillators 6 ein. Das hat zur Folge, daß die HF-Stromerzeugung durch den Oszillator unterbrochen wird, so daß der diesem Oszillator zugeordnete Schalter 5 vollen Strom ziehen kann. Dieses Spiel wiederholt sich mit dem Umlauf des Dämpfungskreises 9 bei jedem der dargestellten drei Steuerelemente bzw. deren Oszillatoren von neuem, so daß sich hieraus eine wirkungsvolle und außerordentlich zuverlässig arbeitende Motorsteuerung ergibt.
• Steigt dabei die Drehzahl des Ankers über einen vorbestimmten Wert an, so öffnet der Schalter 11 unter der Wirkung der Zentrifugalkraft, d. h., die von der Spule 10 ausgehende Dämpfungswirkung wird momentan unterbrochen, so daß der jeweils im Einwirkungsbereich der Spule 10 des Dämpfungskreises 9 liegende Oszillator 6 weiterschwingt und mithin der jeweilige Schalter 5 getrennt ist. Sinkt dabei infolge der unterbrochenen Stromzufuhr zum Motor dessen Drehzahl entsprechend ab, schließt der Fliehkraftschalter 11 im vorbestimmten Drehzahlbereich wieder, so daß der Dämpfungskreis 9 wieder funktionsfähig ist.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Anordnung zum Steuern von Elektromotoren mit je einem stromsteuernden Steuerelement in jeder Stromzuführung, bei der jedes Steuerelement unter dem Einfluß eines Oszillators steht und in einem Winkelbereich von etwa 3600, geteilt durch die Anzahl der Steuerelemente, ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Steuerelement (5) ein in Abhängigkeit von der Winkellage des umlaufenden Ankers bedämpfbarerHochfrequenz-Steueroszillator (6) zu- geordnet und jeweils mindestens einer der Steueroszillatoren bedämpft ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Anker umlaufende Blende (9) vorgesehen ist, in deren Wirkungsbereich Schwingkreisspulen (7) der Steueroszillatoren (6) angeordnet sind. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende aus einer Blechfahne besteht. 4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende aus einer Dämpfungsspule (10) besteht. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsspule (10) einen Fliehkraftschalter (11) aufweist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1049 788, 1060 327, 1105 045; USA.-Patentschriften Nr. 1719 492, 2 829 324, 2 980 839; Neues aus der Technik, 1960, Nr. 9, S. 1. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsche Patente Nr. 1168 549, 1219 581.