DE1563364A1 - Stromrichtermotor mit Hallsondensteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromrichtermotor, dessen in Stern geschaltete Wicklungsstränge über einen Wechselrichter mit Stromtoren an eine Gleichstromquelle oder an eine mit Gleichrichtern gebildete Gleichspannung angeschlossen sind, wobei die Strangenden paarweise Über je einen Kommutierungskondensator miteinander verbunden sind und die Zündung der Stromtore drehwinkelabhängig mit Hilfe von Hallsonden über Schalttransistoren erfolgt, v/elche im Nullzweig einer von einem Rechteckoszillator gespeisten Gleichrichterbrücke liegen.

Es wurde bereits ein Stromrichtermotor dieser Art vorgeschlagen, welcher eine Drehetromwicklung aufweist, deren Wicklungsstränge in Stern geschaltet und über" einen Dreiphaöen-Brückenwechselrichter aus sechs Halbleiterstrommotoren von einer Gleichstromquelle gespeist werden. Jedem Stromtor ist hierbei eine Hallsonde zugeordnet, wobei die einseinen Hallspannungen über Anpassungs- und Kippstufen unter entsprechender Verstärkung an die im Zündkreis liegenden Schalttransistoren weitergeleitet werden. Die Hallsonden werden durch Permanentmagnete erregt, die von der Motorwelle angetrieben werden, so daß sie zyklisch hintereinander vom Fluß durchsetzt und je eine HaIlspannung wechselnder Polarität abgeben. Diese ..Heuereinrichtung ist aufwendig.

■GemaU der Erfindung kann bei einem Jtromrichtermotor der eingangs beschriebenen Art der Aufwand dadurch bedeutend vermindert werden, daß den Schalttranaiatoren der paarweise zusammengefaßten Wicklungsstränge je eine Hallsonde derart zugeordnet ist, daß die Basen der einander zugeordneten Schalttransistoren

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Unterlagen (Art 7 | f_Ab,. 2 Nr. I Satz S

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über die Hallspannungsausgänge miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann die Zahl der Hallsonden auf die Hälfte vermindert werden. Die Schaltung ist hierbei derart getroffen, daß die Emitter der beiden zugeordneten Schalttransistoren und die eine Steuerstromzuleitung der zugeordneten Hallaonden an dem einen Pol der Steuerstromversorgungequelle liegen, während die andere Steueretromzuleitung über einen Widerstand an dem anderen Pol der Steuerstromvereorgungsqueile liegt. Dadurch erhalten die beiden Transistoren einen über Basis und Emitter fließenden Vorstrom, der die Schwellspannung leichter zu überwinden gestattet. Die Transistoren öffnen dann, wenn sich zu diesem Vorstrom der von der Spannung der Hallsonden getriebene Hallstrom mit richtigem Vorzeichen addiert. Auf diese Weise kann auf Anpassungs- und Kippstufen für die Hallsonden verzichtet werden.

Anhand der Zeichnung, in der mehrere AusfUhrungsbeiapiele schematisch dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen vierpulsigeη Stromrichtermotor mit parallelgeschalteten Ankerwicklungen,

Fig. 2 einen solchen Stromrichtermotor mit in Jerien geschalteten Ankerwicklungen,

Fig. 3 einen sechsspuligen Stromrichtermotor,

Fig. 4 das Prinzip einer Drehzahlregelung für einen Motor gemäß Fig. 1,

Fig. 5 das Prinzip einer Drehzahlregelung fur einen Motor gemä3 Fig. 2,

Fig. 6 den drehwinkelabhängigen Verlauf der Hallapannungen, der induzierten Spannungen und der Teilwicklungsströme far Rechts- und Linkslauf.

Fig. 1 zeigt einen Gleichstrommotor, dessen Ankerwicklung als Dreiphasen-Wicklung in Mittelpunktschaltung ausgeführt ist. Mit 1 und 2 sind die Teilwicklungen der einen Phase und mit 3 und 4 die Teilwicklungen der anderen Phase bezeichnet. Die Mittelpunkt te der Phasenwicklungen 1,2 und 3,4 sind miteinander verbunden,

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bo daß ein Wicklungestern entsteht, welcher mit dem Pluspol der Spannungequelle verbunden iat. In Reihe mit jeder Teilwicklung 1 bis 4 ist je ein Stromtor 5 bis 8 geschaltet. Sie liegen parallel am negativen Pol der Spannungsquelle. Zwischen den Teilw.icklungen 1 und 2 bzw. 3 und 4 ist je ein Kommutierungskondensator 9 bwz. 10 geechaltet. Damit sich die Kondensatoren 9 und 10 bei niedrigen Impulszahlen nicht über die zugeordneten Wickiungen entladen können, eind Dioden 11 bis 14 vorzusehen.

Die Maschine besitzt einen Perraanentmagnetläufer 15, welcher diametral gegenüberliegend die Pole N und S trägt. Die Maschine kann auch eine höhere Polpaarzahl besitzen. Anstelle des.Permanentmagneten kann eine vorzugsweise ruhende Erregerwicklung Verwendung finden. Im Luftspalt der Maschine sind die beiden um 90° versetzten Hallgeneratoren 16 und 17 angeordnet. Sie liegen vorzugsweise in der Wicklungeachse der Phaaenwicklüngen 1,2 und 3,4. Die Hallsonden 16 und 17 werden vom Magnetfluß des Läufers 15 drehwinkelabhängig derart erregt, daü jede der . "beiden Hallsonden eine Spannung abgibt, deren Periode gleich einer Umdrehung des Läufers entspricht. Die Hallspannungen der beiden Hallgeneratoren 16 und 17 sind entsprechend der räumlichen 90°-Versetzung ebenfalls in der Phase um 90° verschoben, wie das Diagramm gemäß Fig. 6 zeigt. Ee wurde angenommen, daß die Hallspannung positiv (Pfeilrichtung) ist, wenn der Läuferfluß die Hallsonde vom Ständer zum Läufer durchsetzt. In den Ankerwicklungen 1 bis 4 werden vom rotierenden Läufer annähernd sinusförmige Spannungen induziert, die gemäß Fig. 6 phasenverschoben sind. Die Zuordnung dee drehwinkelabhängigen Steuerteils zu den Stromtoren 5 bis θ iet so getroffen, daß stets diejenigen beiden otromtore gezündet werden, bei denen die in den zugehörigen Wicklungen induzierten Spannungen der angelegten Gleichspannung U₁ das Gegengewicht zu halten vermögen.

Die Zündströme werden den Stromtoren 5 bi6 8 zwecks Potentialtrennung zwischen Starkstrom und Steuerteil über vier Impulswandler 18 bis 21 zugeführt. Die Zündenergie wird mit Hilfe eines RechtecKoszillators 22 bereitgestellt. Da die Zündung, der

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BAD ORSGWAL

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15 t rom to re zyklisch erfolgen nuß, sind zwiuchen den Impulswandlern 1B bis ?1 und dem Kechteckosziilator 2? iJchalttranaistören ?3 bis 26 eingeschaltet, die im Nulizweig je einer Gleichrichter*', brücke 27 bis 30 liegen» damit die Schalttraneistoren sowohl von den positiven a Ls auch von den negativen Impulsen des Versorgungsoszillatore 22 im selben Sinne durchsetzt werden* Auf der Sekundärseite der Impulswandler 16 bie 21 1st über je eine weitere Gleichrichterbrücke 31 bis 34 die Zündstrecke der Stromtore 5 bis 8 angeschlossen. Die OlelchrichterbrUcken 31 bis 34 richten die durchgelesenen Rechteckimpulse des Vorsorgungsoszillators 22 gleich, sobald einer der Schalttraneistoren 23 bis 26 . geöffnet wird, so daIi zum Zünden der Stromtore 5 bis θ an deren * Zündetrecken Gleichspannung ansteht. '

Die zyklische Ansteuerung der Schalttransietoren erfolgt nun mit Hilfe der Hallgeneratoren 16 und 17 drehwinkelabhängig» wobei in Gegensatz zu des älteren Vorschlag nicht jedem Schalttran-, eietor 23 bis 26 ein Hallgenerator zugeordnet ist, sondern es werden jedem Hallgenerator zwei Schalttraneistoren zugeordnet, und zwar immer die tinea zugeordneten Wicklungspaaree. Dem Hallgenerator 16 sind aleo die beiden Schalttraneistoren 23 und 24 und dem Hallgenerator 17 die beiden Schalttraneistüren 25 und 26 zugeordnet. Hierbei stehen die Basen der beiden zugeordneten Schalttraneistoren 23 und 24 bzw. 25 und 26 über die Hallepannungsausgänge der Hallgeneratoren 16 und 17 miteinander in Verbindung. Ferner sind die Emitter der beiden zugeordneten Schalt-, transistoren miteinander verbunden und liegen zusammen mit der ! einen Steueretromzuleltung des zugeordneten Hallgenerators an dem einen (negativen) Pol der Steueretromversorgunge«|uelIe, während die andere Steueretromzuleltung über je einen Widerstand 35 b.zw. 36 mit dem anderen (positiven) Pol der Steueretromversorgungsquelle verbunden ist. Durch entsprechende Bemessung der Widerstände 35 und 36 kann ein über die Baeis-Emitteretrecke der Schalttransietoren 23 und 24 bzw. 25 und 26 fließender Vorstrom eingestellt werden. Damit besteht die Möglichkeit, mit ι einer relativ geringen Höhe der Hallspannung die Schwellspannung der Transistoren 23 bis 26 zu überwinden. Durch den über die ^Widerstände 35 und 36 eingeprägten Basie-Emitterstrom können die

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Schalttransistoren unmittelbar an die Hallelektroden angeschlossen werdent so daß man auf die aufwendigen Anpassungen und Impulsformerstufen verzichten kann. Dadurch tritt eine erhebliche Einsparung an elektronischen Mitteln gegenüber der älteren Ausführung ein.

In Fig. 6'a sind Ausgangespannungen U^..,- und U^₁ „ der beiden Hallgeneratoren 16 und 17 und die in den einzelnen Teilwicklungen induzierten Spannungen e-j bis e. in Zuordnung zur Winkellage des Magnetflusses la Läufer dargestellt. Darunter ist in gleicher Abhängigkeit der Streofluß in den Wicklungssträngen 1 bis 4 bzw. Stromtoren 5 biß 8 dargestellt. Bei der in Figur 1 dargestellten Läuferstellung gibt der Hal!generator 16 eine Spannung Uj₁₁^ ab, die sieh zur Spannung des Vorstromes des Schalttransistors 23 addiert, so daß dieser durchlässig ist und die vom Oszillator 22 kommenden Impulse zum Impulswandler 18 durchläßt. An der Zü&dstrecke des Stroratores 5 steht also die gleichgerichtete Zündspannung an« Das Stromtor 5 ist somit durchlässig und es kann durch den Wieklungszweig 3 Strom fließen. Durch den anderen Pol des Permatietitmagnetläufers gibt der Hallgenerator 17 eine Spannung entgegengesetzter Polarität ab, öl© sich zur Vorspannung des Schalttransistors 26 addiert, so daß auch das Stromtor 8 geöffnet und der Wicklungsstrang 2 vom Strom durchflössen ist. Die Durchflutiingen der beiden Wicklungszweige 2 und 3 addieren sich geometrisch. Hat der Nordpol des Läufers die senkrechte Lage überschritten, wechselt der magnetische' Fluß durch den Hallgenerator 16 die Richtung Nord, so daß letzterer nunmehr eine Spannung ^wiß entgegengesetzter Polarität entgegen der Pfsi!richtung abgibt. Dadurch wird der Schalttransistor 23 gesperrt und der Sehalttransistor 24 geöffnet. Beim Leitendwerden des Stromes 6 kenn sieh der Kondensator 9 entladen und sperrt das Stromtor 5* Ss führen nun die Tei!wicklungen 2 und 4 Strom. Anschließend wird das Stromtor 7 gezündet und damit das Stromtor 8 (duröh Kondensator 10) sum Löschen gebracht«' Es fütesn a&wa di© Teilwiatelragen 4 wau. 1 Strom. Bei weiterer Drefeuüg dta Läufers itfirä torch Aufsteuerung -des Stromtores 5 das Stromtor 6 golSecfct* bo daß g®mlS Figo Sa nun "die Teilwiolclungen 1 wad 3 Steom 'fUferea* AnsöhlidSend

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tiert der Strom von der Teilwicklung 1 auf die Tel!wicklung 2, eo daß schließlich wieder die Teilwicklungen 3 und 2 Strom führen. Beim nächsten Umlauf des Läufers wiederholen eich die Vorgänge.

Die Stromversorgung kann sowohl von Batterien als auch von einem Wechselstromnetz aus erfolgen, welches mit 37 bezeichnet ist. Über eine Gleichrichterbrücke 38 wird die Wechselspannung zur Versorgung der Wicklungsetränge 1 bis 4 gleichgerichtet. Der Steuerstrom wird über einen Transformator 39 und Gleichrichter 40 gewonnen. Die gleichgerichtete Spannung ÜV, kann sowohl zur Versorgung der Hallgeneratoranordnungen als auch zur Versor-" gung des Oszillators 22 dienen. Anstelle von Stroetoren können als Schaltventile auch Traneistoren verwendet werden. Bei Speisung aus einem normalen Wechselstromnetz braucht man jedoch bei Einsatz vom Stromtoren keinen Zwischentransformator. Bei Verwen-^ dung von Transistoren ist ein solcher erforderlich, über welchen die gesamte Motorleistung gefuhrt werden muß, um die Spannung auf das für die Transistoren erforderliche Niveau herabzusetzen. Damit bei dem zu löschenden Stromtor im Löschmoment mit Sicherheit keine Zündspannung mehr ansteht, kann es zweckmäßig sein, daß im Nullzweig der Brücken 27 bis 30 je ein Differenziergiied 41 bis 44 angeordnet ist.

Figur 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der die einzelnen Wicklungszweige 1 bis 4 nicht parallel zur Spannungsquelle, sondern in Reihe geschaltet sind. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern wie in Figur 1 versehen. Bei der in Fig. 2 dargestellten Läul'eretellung gibt entsprechend Fig. 6 der Hallgenerator 16 eine positive und der Hallgenerator 17 eine negative Spannung ab, so daß, wie zuvor, über die Schalttransistoren 23 und 2b die Stromtore 5 und 8 aufgesteuert werden, so daß ein Strom vom positiven Pol der Spannungaquelle über Stromtor 5, Teilwicklung 3, Teilwicklung 2 und Stromtor 8 zum negativen Pol der Spannungequelle fließt. Wie bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 führen aleo die Teilwicklungen 3 und 2 Strom. Bei senkrechter Lage des Läuferflusses kommutiert entsprechend Fig. 6 der durch die Wicklung 3 fließende Strom auf die Wicklung 4, so

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daä nunmehr die Teilwicklungen ? wniS 4 :Hron fuhrmi. ti« ι weiterer Drehung de· Läufers 15 werden die Teilwicklungen 4»! und 1,3 und schließlich wieder die Teilwieklungen 3*2 erregt.

Eine Drehrichtungsumkehr kenn durch paarweieea Vertauochen der einander zugeordneten Zündkanäl« vorgenommen werden. In Fig.6b sind die Zuordnungen von Hai!spannungen, in den Teilwicklungen induzierten Spannungen und den durch die Wicklungen fließenden Ströme für Linkslauf dargestellt. Die Schaltung in Fig. 2 weist gegenüber der Schaltung in Fig. 1 einen besseren Wirkungsgrad auf» weil durch Ser!anschaltung zweier um 90° phasenverschobener Teilwicklungen die Gegen-ΣΜΚ in der Schaltung gemäß Fig. 2 eine geringere Welligkelt hat.

Die Drehzahl de· Motorft ist proportional der Spannung U₁. Eine Drehzahländerung kann somit durch Änderung der Spannung U₁ herbeigeführt werden. Flg. 4 zeigt la Prinzip eine Drehzahlregeleinrichtung für die Motorschaltung gemäß Flg. 1« Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsslffern wie in Fig. 1 und 2 versehen. Die Regelung auf konstante Drehzahl erfolgt durch Soll-Istwert-Vergleich mit Hilfe einer Anachnittasteuerung 45, die in an sich bekannter Weise ausgebildet ist. Zu diesem Zweck werden in Abhängigkeit von der Soll-Istwert-Differene die in der Netzzuleitung liegenden Stromtor· 46 In an sich bekannter Weise angesteuert. Der Sollwert kann beispielsweise mit Hilfe einer Zenerdiode 47 vorgegeben werden. Biese Spannung wird mit einer der Drehzahl des Motors proportionalen Spannung verglichen. Zu diesem Zweck können über Dioden 48 bis 51 die an den Teilwicklungen 1 bis 4 in den nicht stromführenden Phasen induzierten Spannungen ausgekoppelt werden. Sie werden auf einen Kondensator 52 gegeben. Die daran resultierende Spannung liegt an einer Brücke, die aus drei Widerständen 53 bis 55 aus der Zenerdio.de 47 besteht.

Fig. 5 zeigt die entsprechende Drehzahlregeleinrichtung für den Motor in Serienschaltung gemäß Flg. 2, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. '. .

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Figur 3 zeigt einen Stromrichtermotor in Dreiphasen-Schaltung. Die Dreiphasen-Wicklung 56, 57 und 58, welche eine Drehetrom-

wicklung bilden« werden In an sich bekannter Weite Über einen Drehstrombrückenwechselrichter, welcher aus den Stromtoren 59 bie 64 besteht, aue dem Wechselstromnetz 37 Über Gleichrichteranordnung 38 mit Gleichstrom versorgt. Die Strangenden der Phasenwicklungen 56 bis 58 sind paarweise über Je einen Kommutierungskondensator 65 bis 67 miteinander verbunden. Als Läufer findet ein Permanentmagnetläufer 68 Verwendung, der die mit N und S bezeichnete Polarität aufweist. Auch hier könnte die Erregung durch eine Erregerwicklung, welche vorzugsweise ruhend angeordnet ist, erfolgen. Um 90° zu den Wicklungsacheen versetzt liegen die Hallgeneratoren 69 bis 71. Sie werden bei der Drehung des Läufers 68 vom Läjuferfeld durchsetzt.

Die Stromtore 59 bis 64 werden wiederum zyklisch in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Maschine angesteuert. Die Ansteuerung erfolgt wie zuvor über Schalttransistoren 12 bis 77, die im Nullkreis der GieichrichterbrUoken 78 bis 83 liegen. Wandler 84 bis 89 dienen wiederum der Potentialtrennung. Die Zündkanäle werden wie bei dem AusfUhrungsbeisplel nach Fig. 1 und 2 von einem Rechteckoezillator 22 gespeist, der die erforderliche Zündenergie liefert. Differenzierglieder 90 bis 95 dienen dazu, daß die Stromtore 61 bis 64 bei der Ansteuerung nur einen einmaligen Ziindimpuls erhalten. Damit wird mit Sicherheit vermieden, daß nach dem Löschen des entsprechenden Stromtoree keine Zündspannung mehr ansteht. Der Steuerteil wird wiederum über einen Transformator 39 und Gleichrichterbrücke 4ü aus dem Wechselstromnetz 37 gespeist.

Den zugeordneten Stromtoren 61 und 62, 60 und 63, 59 und 64 bzw. deren SchaIttransistoren 72 und 73, 74 und 75, 76 und 77 1st jeweils nur ein Hallgenerator 69, 70 und 71 zugeordnet. Die von den Hallgeneratoren abgegebenen Hallspannungen sind in der Phase um 120° verschoben. Die Ansteuerung der Stromtore 59 bis 64 erfolgt analog wie bei den Schaltungen in Fig. 1 und 2. Auf diese Weise entsteht eine Drehdurchflutung, an der alle drei Wicklungen 56 \)is 58 beteiligt sind, wobei der Stromfluß in jeweils

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zwei Wicklungen gleich und in der dritten Wicklung entgegengesetzt gerichtet let.

Wie-bei den AusfUhrungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 kann durch Änderung oder Regelung der Eingangsspannung die Drehzahl des Stromrichtermotors geändert bzw. konstant gehalten werden.

8 Patentansprüche 6 Figuren

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Claims (8)

1. Patentansprüche

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   Stromrichtermotor, dessen In Stern geachaltete Wicklungestränge über einen Wechselrichter mit Stromtoren an eine Gleichspannungsquelle oder an eine mit Gleichrichtern gebildete Gleichspannung angeschlossen sind, wobei die Strangenden paarweise über je einen Kommutierungskondensator miteinander verbunden sind und die Zündung der Stromtore drehwinkelabhängig mit Hilfe von Hallsonden über Schalttransistoren (Ventiltransistoren) erfolgt, welche im Nullzweig einer von einem Kechteckosziilator gespeisten Gleichrichterbrücke liegen, dadurch gekennzeichnet, daß den Schalttransistoren der paarweise zusammengefaßten Wicklungsetränge je eine Hallsonde W zugeordnet ist, wobei die Basen der einander zugeordneten Schalttransistoren über die Hallspannungsausgänge miteinander verbunden sind.
2. 2. Stromrichtermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter der beiden zugeordneten Schalttransistoren und die eine Steuerstromzuleitung der zugeordneten Hallsonde an dem einen Pol der Steuerstromversorgungsquelle liegen, während die andere Steuerstromzuleitung über einen Widerstand an dem anderen Pol der Steueretromversorgungsquelle liegt.
3. 3. Stromrichtermotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Nullzweig der Gleichrichterbracke ein Differenzierglied liegt.
4. 4. Stromrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung des Wechselrichters wahlweise über Brückengleichrichter aus dem Wechselstromnetz erfolgt.
5. 5. Stromrichtermotor nach einea der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung des Läufers durch Dauermagnete und/oder durch Erregerwicklungen erfolgt.

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6. 6. Stromrichtermotor nach Anspruch 5₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Hallaonden vorzugsweise Ib Luftspalt der Maschine angeordnet sind.
7. 7. Stromrlchteraotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsonden durch Magnete, die in einem mit den läufer mitrotierenden Steuerkopf angebracht sind, beeinflußt werden.
8. 8. Stromrichtermotor nach eine« der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, dafi die Hallsonc Wlcklungsachsen angeordnet sind,

   gekennzeichnet, dafi die Hallsonden um 90° versetzt zu den

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