DE19809769A1

DE19809769A1 - Commutatorless variable revs synchronous electric motor for model vehicle

Info

Publication number: DE19809769A1
Application number: DE1998109769
Authority: DE
Inventors: Adolf Haass
Original assignee: Doehler & Haass
Current assignee: Doehler & Haass
Priority date: 1998-03-06
Filing date: 1998-03-06
Publication date: 1999-09-09

Abstract

The electric motor has a permanent magnet rotor (2) and a cooperating stator (5) generating a rotating magnetic field, the current fed to the stator windings controlled in dependence on the required motor revs and the detected rotor position, provided by a rotor position sensor (3,7,13,16 ; 8,14,17), e.g. using at least one light barrier, which is stationary relative to the stator.

Description

Die Erfindung betrifft einen kommutatorlosen, drehzahlsteu erbaren Synchronmotor, insbesondere für Modellfahrzeuge.The invention relates to a commutatorless, speed control erbaren synchronous motor, especially for model vehicles.

Motoren dieser Art weisen vornehmlich dann, wenn sie als Kleinmotoren oder Kleinstmotoren ausgebildet sind, einen dauermagnetbestückten Rotor und einen mit einer mehrphasi gen Wicklung versehenen Stator auf. Die Phasenwicklungen werden von einer dem betreffenden Motor zugeordneten Steu ereinrichtung aus mit relativ zueinander phasenverschobenen Wechselströmen beaufschlagt, so daß in dem Stator ein re sultierendes magnetisches Drehfeld erregt wird, dessen Drehzahl von der Frequenz der die Statorwicklungen beauf schlagenden Wechselströme abhängt. Das magnetische Drehfeld tritt mit dem von der Dauermagnetanordnung des Rotors er zeugten magnetischen Feld in Wechselwirkung, derart, daß der Rotor mit der der Drehzahl des magnetischen Drehfeldes entsprechenden, synchronen Drehzahl umläuft.Engines of this type primarily show when they are Small motors or small motors are designed, one permanent magnet-equipped rotor and one with a multiphase towards the winding stator. The phase windings are from a tax assigned to the engine in question establishment with phase-shifted relative to each other AC currents are applied, so that a right in the stator resulting rotating magnetic field is excited, the Speed from the frequency of the stator windings striking alternating currents. The magnetic rotating field occurs with that of the permanent magnet arrangement of the rotor interacted magnetic field such that the rotor with the speed of the rotating magnetic field corresponding, synchronous speed revolves.

Wird die Rotorwelle durch einen mechanischen Verbraucher belastet, so bleibt der Feldvektor des von der Dauermagne tanordnung des Rotors erzeugten magnetischen Feldes um den sogenannten Lastwinkel gegenüber dem Vektor des magneti schen Drehfeldes des Stators zurück. Dieser Lastwinkel muß kleiner als der Kippwinkel des Synchronmotors gehalten wer den, bei welchem aufgrund der Belastung durch das Kippmo ment der Synchronismus zwischen dem Vektor des magnetischen Drehfeldes und dem Vektor des Feldes der Dauermagnetanord nung des Rotors verloren geht.The rotor shaft is driven by a mechanical consumer the field vector remains from the permanent magnet arrangement of the rotor generated magnetic field around the so-called load angle against the vector of the magneti the rotating field of the stator. This load angle must who is kept smaller than the tilt angle of the synchronous motor the one in which the Kippmo ment the synchronism between the vector of the magnetic Rotating field and the vector of the field of permanent magnet arrangement rotor is lost.

Um nun bei drehzahlsteuerbaren Synchronmotoren zu vermei den, daß die Steuereinrichtung etwa bei einer gewünschten Drehzahlerhöhung die Drehzahl des magnetischen Drehfeldes des Stators zu rasch ansteigen läßt und folglich der Vektor des Magnetfeldes des Rotors etwa aufgrund von Trägheits kräften in einem Antriebssystem um mehr als den Kippwinkel gegenüber dem Vektor des magnetischen Drehfeldes zurück bleibt, ist bei bekannten kommutatorlosen drehzahlsteuerba ren Synchronmotoren eine Rotorstellungs-Fühleranordnung vorgesehen, deren Stellungsmeldesignale die Steuereinrich tung derart beeinflussen, daß die Winkelstellung des Vek tors des magnetischen Drehfeldes relativ zum Vektor des vom Rotor erzeugten Magnetfeldes unterhalb des Kippwinkels zwi schen den Vektoren bleibt.In order to avoid synchronous motors with speed control that the control device at a desired Speed increase the speed of the magnetic rotating field of the stator rises too quickly and consequently the vector the magnetic field of the rotor due to inertia forces in a drive system by more than the tilt angle compared to the vector of the rotating magnetic field remains, is known in the case of known commutatorless speed control ren synchronous motors a rotor position sensor arrangement provided, the position signaling the Steuereinrich influence such that the angular position of the Vek tors of the magnetic rotating field relative to the vector of the Rotor generated magnetic field below the tilt angle between remains in the vectors.

Bekannte Systeme dieser Art enthalten beispielsweise eine von der Rotorwelle angetriebene Lochscheibe zur Freigabe bzw. Unterbrechung des Strahlenganges zwischen einer rela tiv zum Stator fest montierten Lichtquelle und einer eben falls relativ zum Stator fest montierten Lichtdetektorein richtung, von der die Stellungsmeldesignale abgeleitet wer den. Eine andere bekannte Möglichkeit besteht in der Ablei tung von Stellungsmeldesignalen von auf den Vorbeilauf des vom Rotor erzeugten Magnetfeldes ansprechenden Hall- Detektoren.Known systems of this type include, for example perforated disk driven by the rotor shaft for release or interruption of the beam path between a rela tiv to the stator permanently mounted light source and one if fixed to the stator light detector direction from which the position signal is derived the. Another well-known possibility is to use the Ablei Position signaling signals from on the passing of the responsive Hall generated by the rotor Detectors.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen kommutatorlosen, drehzahlsteuerbaren Synchronmotor mit zu gehörigen Steuereinrichtungen so auszubilden, daß die Ro torstellungs-Fühleranordnung zur Ableitung der Stellungs meldesignale im wesentlichen ohne Veränderungen des Aufbaus des Synchronmotors auch bei dessen stark verkleinerten oder miniaturisierten Abmessungen vorgesehen werden kann. Die Ausgangssignale der Rotorstellungs-Fühleranordnung sollen von dem jeweiligen Betriebszustand des Stators im wesentli chen unabhängig sein.The object of the invention is to solve a problem commutatorless, speed controllable synchronous motor with too associated control devices so that the Ro Gate position sensor arrangement for deriving the position signal signals essentially without changes to the structure the synchronous motor even with its greatly reduced or miniaturized dimensions can be provided. The Output signals of the rotor position sensor arrangement should from the respective operating state of the stator in essence be independent.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rotorstellungs-Fühleranordnung relativ zum Rotor stillste hend montiert ist und unmittelbar Merkmale des Rotors abta stet. Vorzugsweise enthält die Rotorstellungs- Fühleranordnung mindestens eine Lichtschrankeneinrichtung, die eine nahe einer Rotorstirnfläche montierte Lichtquelle, insbesondere eine lichtemittierende Diode, und einen nahe der anderen Rotorstirnfläche montierten Lichtempfänger, insbesondere eine Photodiode, enthält, wobei der die Licht schranke bildende Strahlweg von der Lichtquelle zum Licht empfänger relativ zum Rotor in bestimmten Rotorstellungen axial durch Rotordurchbrüche oder Rotoraxialnuten verläuft. Eine derartige Ausbildung hat den Vorteil, daß solche axial verlaufende Rotordurchbrüche oder Rotornuten bei kleinen Synchronmotoren oder bei miniaturisierten Synchronmotoren der hier betrachteten Art ohnedies vorgesehen sind und so mit den Aufbau einer sehr robusten und auch unter ungünsti gen Betriebsbedingungen, etwa bei Staubentwicklung, zuver lässig arbeitenden Lichtschrankeneinrichtung ermöglichen. Die Energiezuleitung für die lichtemittierende Diode von einem axialen Rotorende her und die Signalableitung von dem anderen axialen Rotorende führt zu einem übersichtlichen Leitungsverlauf, wobei die Lichtquelle auf einer zur Rotor welle koaxialen, festen Träger-Ringscheibe, und der Licht empfänger auf einer zweiten, zur Rotorwelle koaxialen, fe sten Träger-Ringscheibe montiert werden können.This object is achieved in that the The rotor position sensor arrangement is the quietest relative to the rotor hend is mounted and immediately detects characteristics of the rotor continuous The rotor position preferably contains Sensor arrangement at least one light barrier device, which is a light source mounted near a rotor face, in particular a light emitting diode, and a near one the other rotor face mounted light receiver, in particular a photodiode, which contains the light barrier-forming beam path from the light source to the light receiver relative to the rotor in certain rotor positions runs axially through rotor openings or rotor axial grooves. Such training has the advantage that such axially running rotor breakthroughs or rotor grooves for small Synchronous motors or miniaturized synchronous motors of the type considered here are provided anyway and so with the construction of a very robust and also under unfavorable against operating conditions, such as dust Enable casually working light barrier device. The power supply for the light emitting diode from an axial rotor end and the signal derivative from that other axial rotor end leads to a clear Line route, the light source on one to the rotor wave coaxial, fixed support washer, and the light receiver on a second, coaxial to the rotor shaft, fe most carrier washer can be mounted.

Im übrigen bilden vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter bildungen sowie Abwandlungen Gegenstand der dem anliegenden Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, auf deren Inhalt hier durch ausdrücklich hingewiesen wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen.Otherwise, advantageous configurations and further form Education as well as modifications subject of the attached Claim 1 subordinate claims, on their content here by being expressly pointed out at this point to repeat the wording.

Nachfolgend werden einige Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:Some embodiments are described below with reference to FIG Drawing explained in more detail. They represent:

Fig. 1 eine schematische, teilweise perspektivisch und im Schnitt gezeichnete Ansicht einer bevorzugten Ausführungs form eines Synchronmotors der hier betrachteten Art, Fig. 1 is a schematic, partially in perspective and drawn in the sectional view of a preferred execution form of a synchronous motor of the type considered here,

Fig. 2 eine schematische, teilweise perspektivisch und im Schnitt gezeichnete Ansicht einer gegenüber Fig. 1 abgewan delten Ausführungsform, Fig. 2 is a schematic, partially in perspective and drawn in sectional view a compared to Fig. 1 abgewan punched embodiment,

Fig. 3 eine ausschnittsweise, schematische Aufsicht auf ei nen Teil eines Synchronmotors gemäß Fig. 2, Fig. 3 is a fragmentary, schematic plan view of egg NEN part of a synchronous motor according to Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische, teilweise perspektivisch und im Schnitt gezeichnete Ansicht einer wiederum anderen Ausfüh rungsform eines Synchronmotors der hier angegebenen Art und Fig. 4 is a schematic, partly in perspective and sectioned view of yet another embodiment of a synchronous motor of the type specified here and

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild eines Synchronmotors der vorliegend angegebenen Art mit zugehörigen Steuerein richtungen und Signalerzeugungseinrichtungen. Fig. 5 is a schematic diagram of a synchronous motor of the type specified here with associated Steuerein devices and signal generating devices.

Der Synchronmotor nach Fig. 1 enthält einen auf einer Welle 1 befestigten Rotor 2, an welchem zwischen axialen Kanälen oder Nuten 3 gelegene Pole 4 ausgebildet sind. Diese Pole bieten an der Rotorumfangsfläche abwechselnd einen magneti schen Nordpol und einen magnetischen Südpol dar. Die Magne tisierung des Rotors 2 wird entweder durch in den Rotor eingebaute Dauermagnetstücke oder durch eine entsprechende selektive Magnetisierung eines einstückigen Rotorkörpers erzeugt. Diese beiden Möglichkeiten der Rotormagnetisierung werden durch den in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendeten Ausdruck einer Dauermagnetbestückung erfaßt.The synchronous motor according to FIG. 1 contains a rotor 2 fastened on a shaft 1 , on which poles 4 located between axial channels or grooves 3 are formed. These poles alternately provide a magnetic north pole and a magnetic south pole on the rotor circumferential surface. The magnetization of the rotor 2 is generated either by permanent magnet pieces installed in the rotor or by a corresponding selective magnetization of a one-piece rotor body. These two possibilities of rotor magnetization are covered by the expression of permanent magnet assembly used in the description and the claims.

Die Rotorwelle 1 ist an in der Zeichnung nicht gezeigten, an einem ebenfalls nicht dargestellten Gehäuse des Syn chronmotors abgestützten Lagern, beispielsweise Kugella gern, gelagert. Der Rotor 2 ist von einem mit einer mehr phasigen Statorwicklung versehenen Stator 5 umgeben, wel cher in dem Motorgehäuse befestigt ist, wobei Einzelheiten der Statorwicklung und ihrer Anordnung in dem Stator 5, weil dem Fachmann geläufig zur Vereinfachung der Darstel lung weggelassen sind. The rotor shaft 1 is supported on bearings, for example Kugella, which are not shown in the drawing, are supported on a housing of the synchronous motor, which is also not shown. The rotor 2 is surrounded by a stator winding provided with a multi-phase stator 5 , which is secured in the motor housing, details of the stator winding and their arrangement in the stator 5 , because the person skilled in the art are omitted to simplify the presen- tation.

Nahe der mit Bezug auf die dargestellte Lage gemäß Fig. 1 rechts liegenden Rotorstirnseite befindet sich, dieser ge genüberstehend, eine relativ zu dem Stator 5 feststehend montierte Träger-Ringscheibe 6, welche beispielsweise an der Innenseite des Motorgehäuses befestigt sein kann. Diese Träger-Ringscheibe 6 weist auf ihrer der benachbarten Ro torstirnseite zugekehrten Fläche zwei lichtemittierende Di oden 7 und 8 auf, welche mit elektrischen Anschlußleitungen 9 bzw. 10 verbunden sind und bei Speisung mit elektrischer Energie Lichtstrahlen 11 bzw. 12 in einer Richtung parallel zur Achse der Rotorwelle 1 auf Lichtempfänger 13 bzw. 14 hin auszusenden vermögen.Close to the right with respect to the position shown in FIG. 1 is the rotor end face, this ge opposite, a fixed relative to the stator 5 carrier ring 6 , which can be attached to the inside of the motor housing, for example. This carrier ring disc 6 has on its adjacent Ro end face facing two light-emitting diodes 7 and 8 , which are connected to electrical connecting lines 9 and 10 and when fed with electrical energy light beams 11 and 12 in a direction parallel to the axis the rotor shaft 1 are able to emit light receivers 13 and 14 .

Die Lichtempfänger 13 und 14 sind ganz ähnlich wie die lichtemittierenden Dioden 7 und 8 auf der der benachbarten linken Rotorstirnseite gegenüberstehenden Ringfläche einer Träger-Ringscheibe 15 befestigt, die wiederum relativ zum Rotor 5 feststehend etwa auf der entsprechenden Innenseite des Motorgehäuses montiert ist. Die Lichtempfänger 13 und 14 geben über Signalleitungen 16 bzw. 17 jedesmal dann ein Stellungsmeldesignal ab, wenn eine der Nuten oder Rillen 3 des Rotors 2 mit der Verbindungslinie zwischen der lichte mittierenden Diode 7 und dem Lichtempfänger 13 bzw. der lichtemittierenden Diode 8 und dem Lichtempfänger 14 fluch tet, einer der Lichtstrahlen 11 oder 12 also den zugeordne ten Lichtempfänger 13 bzw. 14 erreichen kann. Die von den Photozellen oder Photodioden 13 und 14 erzeugten Stellungs meldesignale gelangen über die Leitungen 16 bzw. 17 zu ei ner Verknüpfungsschaltung 18, welche mit einer Steuerein richtung 19 gekoppelt ist. Diese hat die Aufgabe, aus der durch ein Netz 20 bereitgestellten Speisespannung relativ zueinander phasenverschobene Phasenspannungen einer der je weils gewünschten Drehzahl des Rotors 2 entsprechenden Fre quenz auf den Phasenleitungen 21 bereitzustellen, um die Phasenwicklungen des Stators 5 so zu beaufschlagen, daß das mit dem Rotor 2 zusammenwirkende magnetische Drehfeld er zeugt wird. Auf das Zusammenwirken der Verknüpfungsschal tung 18 und der Steuereinrichtung 19 sei weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 5 näher eingegangen. Es genügt hier die Feststellung, daß entweder über das Netz 20 oder in der Steuereinrichtung 19 Steuersignale in Gestalt von Umschalt befehlsimpulsen bereitgestellt werden, welche die Frequenz der Phasenspannungen auf den Phasenleitungen 21 bestimmen. Diese Umschaltbefehlsimpulse können aber aufgrund entspre chender Ausbildung der Verknüpfungsschaltung 18 und der Steuereinrichtung 19 nur dann wirksam werden, wenn das Auf treten eines Stellungsmeldesignales auf der Leitung 16 und/oder auf der Leitung 17 anzeigt, daß der Rotor mit sei ner Drehung der durch die Umschaltbefehlsimpulse bestimmten Änderung der Drehzahl des Vektors des magnetischen Drehfel des folgt.The light receivers 13 and 14 are fastened in a manner similar to the light-emitting diodes 7 and 8 on the ring surface of a carrier ring disk 15 opposite the adjacent left rotor end face, which in turn is fixed relative to the rotor 5 approximately on the corresponding inside of the motor housing. The light receivers 13 and 14 emit a position signal each time via signal lines 16 and 17, respectively, when one of the grooves or grooves 3 of the rotor 2 with the connecting line between the light-centering diode 7 and the light receiver 13 or the light-emitting diode 8 and the light receiver 14 escapes, one of the light beams 11 or 12 can reach the assigned light receiver 13 or 14 . The position signal signals generated by the photocells or photodiodes 13 and 14 pass via lines 16 and 17, respectively, to a logic circuit 18 which is coupled to a control device 19 . This has the task, from the supply voltage provided by a network 20 , phase-shifted phase voltages relative to each other, to provide a frequency corresponding to the desired speed of the rotor 2 on the phase lines 21 in order to apply the phase windings of the stator 5 so that the rotor 2 interacting magnetic rotating field he is producing. The interaction of the combination circuit 18 and the control device 19 will be discussed in more detail below in connection with FIG. 5. Suffice it to say here that control signals are provided in the form of switching command pulses either via the network 20 or in the control device 19 , which determine the frequency of the phase voltages on the phase lines 21 . These Umschaltbefehlsimpulse but due to appropriate training of the logic circuit 18 and the control device 19 can only be effective when the occurrence of a position signal on the line 16 and / or on the line 17 indicates that the rotor with its rotation by the Umschaltbefehlsimpulse certain change in the speed of the vector of the magnetic rotating field of follows.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß in Abwandlung gegen über der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform auch nur eine einzige, mit den Axialrillen oder -nuten des Rotors 2 zu sammenwirkende Lichtschranke vorgesehen sein kann, wobei der Lichtempfänger, beispielsweise die Photodiode 13, die Freigabe der Lichtschranke durch eine Rille 3 des Rotors 2 durch einen Impulsanstieg und die darauffolgende Verlegung der Lichtschranke durch ein Polstück 4 mit einem Impulsab fall signalisiert. Die zeitlichen Impulsbreiten solcher Stellungsmeldesignale sind von der Rotordrehzahl abhängig. Von der ansteigenden und von der abfallenden Impulsflanke können jeweils ein Auslöseimpuls bzw. ein Begrenzungsimpuls für ein zeitliches Meßintervall abgeleitet werden, inner halb dessen ein Umschaltbefehlsimpuls eintreffen muß, um berücksichtigt zu werden und um eine Weiterschaltung der Statorwicklungen im Sinne eines Weiterdrehens des Vektors des magnetischen Drehfeldes herbeiführen zu können.It should be mentioned at this point that, as a modification to the embodiment shown in FIG. 1, only a single light barrier to be cooperated with the axial grooves or grooves of the rotor 2 can be provided, the light receiver, for example the photodiode 13 , which Release of the light barrier through a groove 3 of the rotor 2 by a pulse increase and the subsequent laying of the light barrier through a pole piece 4 with a pulse signal. The temporal pulse widths of such position signals depend on the rotor speed. A triggering pulse or a limiting pulse for a temporal measuring interval can be derived from the rising and falling pulse edge, within which a switching command pulse must arrive in order to be taken into account and to advance the stator windings in the sense of a further rotation of the vector of the magnetic rotating field to be able to bring about.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 kann der Auslöseimpuls zum Inlaufsetzen des vorerwähnten Zeitintervalles durch die eine und der Begrenzungsimpuls zur Beendigung des erwähnten Zeitintervalls durch die andere der beiden Lichtschranken erzeugt werden.In the embodiment according to FIG. 1, the trigger pulse for starting the aforementioned time interval can be generated by the one and the limiting pulse for ending the aforementioned time interval by the other of the two light barriers.

Die Anordnung von beispielsweise zwei relativ zur Rotorach se in Umfangsrichtung versetzten Lichtschrankeneinrichtun gen kann beim Zusammenschalten der Ausgangs-Signalleitungen für die Stellungsmeldesignale auch dazu dienen, trotz eines vergleichsweise großen umfangsmäßigen Abstandes der Axial nuten oder -rillen 3 des Rotors 2 eine dichte Folge von Stellungsmeldesignalen zu erzeugen, derart, daß die Im pulspausen zwischen den Ausgangssignalen der Lichtempfänger kürzer sind als die Zeit für die Weiterdrehung des Rotors 2 um den umfangsmäßigen Abstand zwischen zwei Rillen oder Nu ten 3. Hierdurch erhält man eine empfindlichere Überwachung des Synchronismus zwischen magnetischem Drehfeld und Rotor.The arrangement of, for example, two light barrier devices, which are offset relative to the rotor axis in the circumferential direction, can also be used when interconnecting the output signal lines for the position signal signals, despite a comparatively large circumferential distance between the axial grooves or grooves 3 of the rotor 2, a dense sequence of position signal signals generate, such that the pulse pauses between the output signals of the light receiver are shorter than the time for the further rotation of the rotor 2 by the circumferential distance between two grooves or Nu th 3 . This provides more sensitive monitoring of the synchronism between the rotating magnetic field and the rotor.

Die Ausführungsform nach Fig. 2, in der entsprechende Teile wie in Fig. 1 auch mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, enthält nur nahe einer Rotorstirnfläche eine Träger- Ringscheibe 15, die relativ zum Stator 5 in einer zur Ro torwelle 1 koaxialen Lage der Rotorstirnfläche in axialem Abstand gegenüberstehend festmontiert ist. An dieser Trä ger-Ringscheibe 15 sind auf der der benachbarten Rotor stirnfläche zugewandten Seite relativ zur Rotorachse in Um fangsrichtung versetzt sowohl lichtemittierende Dioden 22 und 23, als auch jeweils in Umfangsrichtung unmittelbar ne ben diesen, Lichtempfänger in Gestalt von Photozellen 24 bzw. 25 befestigt.The embodiment according to FIG. 2, in which corresponding parts as in FIG. 1 are also denoted by the same reference numerals, contains a carrier ring disk 15 only near a rotor end face, which is relative to the stator 5 in a position coaxial to the rotor shaft 1 of the rotor end face in opposite axial distance is fixed. On this Trä ger ring disc 15 are on the side facing the adjacent rotor face relative to the rotor axis in the circumferential direction in order to both light-emitting diodes 22 and 23 , as well as in the circumferential direction immediately ne ben these, light receiver in the form of photocells 24 and 25 respectively .

Die der Träger-Ringscheibe 15 zugewandte Rotorstirnseite ist mit einem ringförmigen Muster abwechselnd reflektieren der und nicht-reflektierender Bereiche 26 bzw. 27 versehen, die beispielsweise durch einen bedruckten, selbstklebenden Metallfolienring gebildet sein können. Von den lichtemit tierenden Dioden 22 und 23 ausgehende Lichtstrahlen treffen auf die reflektierenden Bereiche 26 oder die nicht- reflektierenden Bereiche 27 des Musterringes und werden, falls reflektiert, zu den Photozellen 24 und 25 abgelenkt, um diese zur Abgabe von Stellungsmeldesignalen auf den Lei tungen 16 und 17 zu veranlassen. Fig. 3 zeigt ausschnitts weise und mehr im einzelnen eine mögliche Ausbildung eines die lichtemittierende Diode 22 und die Photozelle 24 tra genden Blockes 28, der an der Träger-Ringscheibe 15 befe stigt ist und mit einem keilförmigen Ansatz 29 versehen ist, der die Aufgabe hat, einen unmittelbaren Lichtüber tritt von der lichtemittierenden Diode 22 zu der Photozelle 24 zu verhindern, derart, daß nur dann das Licht der lich temittierenden Diode 22 auf die Photozelle 24 trifft, wenn ein reflektierender Bereich der Stirnseite des Rotors 2 an der Rotorstellungs-Fühleranordnung vorbeiläuft.The rotor end face facing the carrier annular disc 15 is provided with an annular pattern alternately reflecting the and non-reflecting regions 26 and 27 , which can be formed, for example, by a printed, self-adhesive metal foil ring. Light rays emanating from the light-emitting diodes 22 and 23 strike the reflecting regions 26 or the non-reflecting regions 27 of the pattern ring and, if reflected, are deflected to the photocells 24 and 25 in order to emit position signals on the lines 16 and 17 to initiate. Fig. 3 shows a detail and more in detail a possible formation of a light-emitting diode 22 and the photocell 24 tra ing block 28 , which is BEFE Stigt on the carrier washer 15 and is provided with a wedge-shaped projection 29 , which has the task to prevent an immediate light transition from the light-emitting diode 22 to the photocell 24 , such that the light from the light-emitting diode 22 hits the photocell 24 only when a reflective region of the end face of the rotor 2 passes the rotor position sensor arrangement .

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform kann auch dann ver wendet werden, wenn der Rotor 2 in einer bestimmten Ausbil dung keine axialen Durchbrüche oder Rillen 3 hat. Es sei allerdings erwähnt, daß die Ausführungsform nach Fig. 1 sich durch besondere Robustheit und Übersichtlichkeit der Signalleitungsführung auszeichnet und auch etwa in staubbe lasteter Umgebung störungsfrei arbeitet.The embodiment shown in FIG. 2 can also be used when the rotor 2 has no axial openings or grooves 3 in a certain embodiment. However, it should be mentioned that the embodiment according to FIG. 1 is characterized by particular robustness and clarity of the signal line routing and also works trouble-free in a dusty environment.

In den Fig. 1 und 2 sind zur Befestigung der Träger- Ringscheiben 6 und 15 zu den Stator 5 geführte Haltewinkel angedeutet, die jedoch, wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich, hier nur die feste relative Verbindung zum Stator 5 symbolisieren sollen. Praktisch sind die Halterun gen für die Rotorstellungs-Fühleranordnungen mit ihren Lichtquellen in Gestalt von lichtemittierenden Dioden und ihren Lichtempfängern in Gestalt von Photodioden oder Pho tozellen vorzugsweise an einem Motorgehäuse auf dessen In nenseite der jeweiligen Rotorstirnfläche gegenüberstehend befestigt. Dabei können die vorstehend erwähnten Träger- Ringscheiben auch einstückig an die Innenseite des Motorge häuses angeformt und auch Bestandteil der jeweiligen Lager konstruktion für die Rotorwelle 1 sein. Diesbezügliche Ein zelheiten bedürfen hier keiner detaillierten Beschreibung. In Figs. 1 and 2, annular discs 6 and 15 indicated on the stator 5 managed angle bracket for fixing the carrier, which, however, be apparent to the skilled artisan, only the fixed relative connection to symbolize to the stator 5 here. In practice, the holders for the rotor position sensor arrangements with their light sources in the form of light-emitting diodes and their light receivers in the form of photodiodes or photocells are preferably attached to a motor housing on the inside of the respective rotor end face opposite. The above-mentioned carrier washers can also be integrally formed on the inside of the motor housing and also be part of the respective bearing construction for the rotor shaft 1 . Details in this regard do not require a detailed description here.

Bedeutsam ist aber, daß die Abtastung unmittelbarer Merkma le des Rotors oder in höchst einfacher Weise geschaffener Merkmale des Rotors, wie in Fig. 2 angedeutet, jeweils an einer Rotorstirnseite oder beiden Rotorstirnseiten die Mög lichkeit gibt, die Rotorstellungs-Fühleranordnung ohne Ver änderung der Motorkonstruktion im übrigen in einem hohlzy lindrischen Raum unterzubringen, der innerhalb der über das Statorblechpaket vorstehenden Wickelköpfe der Statorwick lung liegt und die Rotorachse 1 koaxial umgibt. Eine derar tige Konstruktion ermöglicht ohne wesentliche Änderung des Grundkonzepts eine geschützte Unterbringung der Rotorstel lungs-Fühleranordnung, wobei die gesamte Rotorkonstruktion einer Miniaturisierung zugänglich bleibt.It is important, however, that the scanning of immediate characteristics of the rotor or features of the rotor created in a very simple manner, as indicated in FIG. 2, gives the possibility of the rotor position sensor arrangement without changing the motor construction, in each case on one rotor end face or both rotor end faces otherwise to accommodate in a hollow cylindrical space which lies within the winding heads of the stator winding projecting above the stator core and surrounds the rotor axis 1 coaxially. Such a construction enables protected accommodation of the rotor position sensor arrangement without substantial change in the basic concept, the entire rotor construction remaining accessible to miniaturization.

Gemäß Fig. 4 kann eine Rotorstellungs-Fühleranordnung bei einem Synchronmotor der hier betrachteten Art anstelle von Lichtschrankeneinrichtungen mit geradem oder geknicktem Strahlengang auch einen induktiven oder kapazitiven Stel lungsdetektor oder Näherungsfühler aufweisen. Solche Aus führungsformen sind jedoch weniger bevorzugt, da die Aus gangssignale in manchen Fällen von dem jeweiligen Motorbe triebszustand abhängig sind, der die elektrische und/oder magnetische Umgebung des jeweiligen Steilungsfühlers beein flussen kann.According to FIG. 4, a rotor position sensor arrangement can be used instead of photoelectric devices with straight or kinked beam path and an inductive or capacitive detector Stel lung or have proximity sensor for a synchronous motor of the type considered here. Such embodiments are less preferred, however, since the output signals are in some cases dependent on the respective engine operating state, which can influence the electrical and / or magnetic environment of the respective slope sensor.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4, in der wiederum ent sprechende Teile wie bei bei den zuvor betrachteten Ausfüh rungsformen auch mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, ist der mit Bezug auf die Lage nach Fig. 4 links lie genden Rotorstirnfläche gegenüberstehend eine kleine Detek torspule 30 in einer Radialebene relativ zur Achse der Ro torwelle 1 feststehend mit Bezug auf den Stator 5 gehal tert. Der Rotor 2 des Synchronmotors nach Fig. 4 ist mit Dauermagnetleisten bestückt, welche zur Rotorumfangsfläche hin abwechselnd einen Nordpol und einen Südpol darbieten, wie in der Zeichnung angedeutet ist. An den Rotorstirnsei ten treten von den Dauermagnetleisten Streufelder aus. Die se Streufelder induzieren beim Vorbeilauf an der Detektor spule 30 eine elektromotorische Kraft, von der ein auf der Leitung 16 dargebotenes Stellungsmeldesignal abgeleitet wird.In the embodiment according to FIG. 4, in which parts corresponding to those in the previously considered embodiments are also designated by the same reference numerals, the rotor end face lying on the left with respect to the position according to FIG. 4 is a small detector coil 30 opposite in a radial plane relative to the axis of the ro torwelle 1 stationary with reference to the stator 5 gehal tert. The rotor 2 of the synchronous motor according to FIG. 4 is equipped with permanent magnetic strips, which alternately present a north pole and a south pole towards the rotor circumferential surface, as indicated in the drawing. Stray fields emerge from the permanent magnet strips on the rotor end faces. These stray fields induce an electromotive force when passing the detector coil 30 , from which a position report signal presented on line 16 is derived.

Anstelle der in Fig. 4 gezeigten Detektierung des Vorbei laufs von Streufeldern der Rotorpole kann auch die Detek tierung von stirnseitigen Rotorvorsprüngen mittels eines kapazitiven Näherungsfühlers zur Ableitung von Stellungs meldesignalen vorgesehen sein. Solche stirnseitigen Rotor vorsprünge können Merkmale bestimmter Rotoren sein oder können künstlich, etwa durch Aufkleben einer mit einem Höc kerkranz versehenen Scheibe erzeugt werden.Instead of the detection of stray fields of the rotor poles shown in FIG. 4, the detection of end-side rotor projections can also be provided by means of a capacitive proximity sensor for deriving position signaling signals. Such front rotor protrusions can be features of certain rotors or can be generated artificially, for example by gluing a disc with a Höc kerkranz.

In Fig. 5 ist ein Synchronmotor mit seinen zugehörigen Steuermitteln in einem schematischen Schaltbild darge stellt. Der Stator 5 mit seinen Phasenwicklungen ist über die Phasenleitungen 21 an die Steuereinrichtung 19 ange schlossen. Die Steuereinrichtung 19 bezieht elektrische Leistung, beispielsweise in Gestalt einer elektrischen Gleichspannung, über das Netz 20 von einer Spannungsquelle und Steuersignalquelle 31. Diese kann so ausgebildet sein, daß an ihr beispielsweise eine bestimmte Drehzahl des Ro tors 2 des Synchronmotors an einem Steuerknopf 32 einge stellt werden kann. Diese Drehzahleinstellung am Orte der Spannungsquelle und Signalquelle 31 wird dort in eine ko dierte Signalinformation umgeformt und gelangt zusammen mit der Speisespannung über das Netz 20 zu der Steuereinrich tung 19.In Fig. 5 is a synchronous motor with its associated control means in a schematic diagram Darge provides. The stator 5 with its phase windings is connected to the control device 19 via the phase lines 21 . The control device 19 draws electrical power, for example in the form of a direct electrical voltage, via the network 20 from a voltage source and control signal source 31 . This can be designed so that, for example, a certain speed of the ro tor 2 of the synchronous motor can be set on a control button 32 . This speed setting at the location of the voltage source and signal source 31 is converted there into a coded signal information and reaches the control device 19 together with the supply voltage via the network 20 .

In der Steuereinrichtung 19 wird die kodierte Information über die Drehzahleinstellung an dem Steuerknopf 32 von dem Netz 20 ausgekoppelt und dekodiert und dient nun zur Steue rung des Betriebes eines in der Steuereinrichtung 19 vorge sehenen, insbesondere elektronischen Umrichters, der aus der Speisespannung des Netzes 20 phasenverschobene Wech selspannungen zur Ausgabe auf den Phasenleitungen 21 bil det, wobei die Frequenz dieser Wechselspannungen unter der Steuerung durch die dekodierte Drehzahleinstellungsinforma tion so gewählt wird, daß die Drehzahl des Vektors des ma gnetischen Drehfeldes des Rotors 5 dieser Drehzahleinstel lung entspricht.In the control means 19 the coded information is coupled via the speed setting on the control knob 32 from the network 20 and decoded and now serves to Steue tion of the operation of a pre in the control device 19 provided, in particular electronic inverter, the phase-shifted from the supply voltage of the network 20 Alternating voltages for output on the phase lines 21 bil det, the frequency of these alternating voltages under the control of the decoded speed setting information is selected such that the speed of the vector of the magnetic rotating field of the rotor 5 corresponds to this speed setting.

Nimmt die Bedienungsperson an dem Einstellknopf 32 die Ein stellung einer schließlich gewünschten Enddrehzahl allmäh lich vor, so verändert sich die kodierte Information, die in der Steuereinrichtung 19 von dem Netz 20 ausgekoppelt wird, entsprechend allmählich und die Drehzahl des magneti schen Vektors des Drehfeldes des Stators 5 ändert sich wie derum entsprechend so allmählich, daß der Rotor diesem Drehfeld folgen kann.Accepts the operator on the knob 32, the A position to a final desired final speed gradually descend before, then the encoded information is coupled in the control device 19 of the network 20 changes, accordingly gradually and the speed of the magneti rule vector of the rotating field of the stator 5 changes accordingly so gradually that the rotor can follow this rotating field.

Wird aber von der Bedienungsperson 32 die Einstellung einer bestimmten gewünschten Enddrehzahl des Rotors 2 abrupt vor genommen, so muß in der Spannungsquelle und Steuersignal quelle 31 dafür Sorge getragen sein, daß gleichwohl die ko dierte Drehzahleinstellungsinformation auf dem Netz 20 von einem Ausgangswert allmählich zu einem der vorgenommenen Einstellung entsprechenden Endwert verändert wird, damit der Rotor 2 nicht aus dem Synchronismus mit dem magneti schen Drehfeld des Stators 5 fällt.However, if the operator 32 takes the setting of a certain desired final speed of the rotor 2 abruptly, it must be ensured in the voltage source and control signal source 31 that nevertheless the coded speed setting information on the network 20 gradually changes from an initial value to one of the made setting corresponding final value is changed so that the rotor 2 does not fall out of synchronism with the magnetic rotating field of the stator 5 .

Unabhängig davon, ob eine allmähliche Änderung der kodier ten Drehzahleinstellungsinformation von dem Benutzer am Einstellknopf 32 oder durch eine besondere Steuersignalein richtung etwa nach Art eines Fahrstufenreglers, vorgenommen wird, so steht jedenfalls in der Steuereinrichtung eine Soll-Wechselspannung zur Verfügung, welche einen gewünsch ten zeitlichen Verlauf der Drehzahl des Rotors 2 ent spricht. Dieser Verlauf ist im allgemeinen durchaus stetig und kann durch eine Folge von Soll-Umschaltbefehlsimpulsen dargestellt werden, welche auf einer Leitung 33 von der Steuereinrichtung 19 abgegeben werden. Die Soll- Umschaltbefehlsimpulse bestimmen also die Zeitpunkte, zu denen die Phasenspannungen von Phasenwicklung zu Phasen wicklung weitergeschaltet werden sollen, um die gewählte Drehzahl des magnetischen Drehfeldes zu verwirklichen bzw. den gewünschten Verlauf der Drehzahl des magnetischen Dreh feldes hin zu der eingestellten Drehzahl zu ermöglichen.Regardless of whether a gradual change in the coded speed setting information is made by the user on the setting button 32 or by a special control signal device, for example in the manner of a speed controller, there is in any case a target AC voltage available in the control device which provides a desired time Course of the speed of the rotor 2 speaks ent. This course is generally quite continuous and can be represented by a sequence of target switchover command pulses which are output on a line 33 by the control device 19 . The target switching command pulses thus determine the times at which the phase voltages are to be switched from phase winding to phase winding in order to implement the selected speed of the magnetic rotating field or to enable the desired course of the speed of the magnetic rotating field to the set speed.

Geringe kurzzeitige Veränderungen des Belastungsdrehmomen tes des Rotors, etwa kurzzeitige Veränderungen des Fahrwi derstandes in einer Modelleisenbahnanlage, veränderliche Anfahrwiderstände je nach Anhängelast, das Ansprechen von Kupplungen und dergleichen können bewirken, daß der Rotor dann, wenn zu einem bestimmten Zeitpunkt das magnetische Drehfeld des Stators relativ zum Rotor weitergedreht würde, der Synchronismus zu dem magnetischen Statorfeld verloren ginge, der Synchronmotor also kippen würde, obwohl er im nächsten Augenblick schon wieder einem geringeren Bela stungsmoment ausgesetzt wäre und der Kippzustand dann ver mieden würde.Small short-term changes in the loading torque tes of the rotor, such as brief changes in the Fahrwi current in a model railroad layout, changeable Starting resistance depending on the trailer load, the response of Couplings and the like can cause the rotor then, if at a certain point the magnetic Rotating field of the stator would be rotated relative to the rotor, the synchronism to the magnetic stator field is lost would, the synchronous motor would tip over, even though it the next moment a lesser Bela would be exposed to the moment and then the tilting state would avoid.

Zur Vermeidung des Verlustes des Synchronismus aufgrund vorübergehender Belastungsmomentschwankungen werden die Soll-Umschaltbefehlsimpulse der Leitung 33 nicht unmittel bar dem in der Steuereinrichtung 19 vorgesehenen Umrichter zugeführt, sondern erreichen die Steuereinrichtung 19 über eine Verknüpfungsschaltung 34, welche als weitere Eingangs signale das Stellungsmeldesignal von einer Rotorstellungs- Fühleranordnung, etwa der Lichtschrankeneinrichtung 7, 13, sowie die Ausgangsimpulse eines Minimaltaktgenerators 35 erhält, der parallel zu dem Stellungsmeldesignal der Rotor stellungs-Fühleranordnung einer angenommenen Minimaldreh zahl des Rotors entsprechende Schein-Stellungsmeldesignale an die Verknüpfungsschaltung 34 liefert, welche die Weiter schaltung der Strombeaufschlagung der Wicklungen des Sta tors 5 durch einen Soll-Umschaltbefehlsimpuls auch dann zu lassen, wenn zuvor noch kein Stellungsmeldesignal von der Rotorstellungs-Fühleranordnung über die Leitung 16 zuge führt wurde. Hierdurch wird vermieden, daß der Anlauf aus einer ungünstigen Motorstillstandposition erschwert wird.In order to avoid the loss of synchronism due to temporary fluctuations in the load torque, the target changeover command impulses of the line 33 are not supplied directly to the converter provided in the control device 19 , but reach the control device 19 via a logic circuit 34 which, as further input signals, sends the position signal from a rotor position Sensor arrangement, such as the light barrier device 7 , 13 , and receives the output pulses of a minimum clock generator 35 which, in parallel with the position signal of the rotor position sensor arrangement of an assumed minimum speed of the rotor, supplies corresponding dummy position signal signals to the logic circuit 34 , which switches the current supply to the circuit To let windings of the gate 5 by a desired changeover command pulse even if no position signal from the rotor position sensor arrangement via line 16 has previously been supplied was led. This prevents start-up from an unfavorable motor standstill position being made more difficult.

Claims

1. Commutatorless, speed-controllable synchronous motor, especially for model vehicles with a permanent magnet rotor ( 2 ), with a one with the rotor ( 2 ) cooperating magnetic rotating field generating stator ( 5 ), with a control device ( 19 ) for controlling the current loading Stator winding for the purpose of setting a variable rotational speed of the magnetic rotating field, and with a rotor position sensor arrangement ( 3 , 7 , 13 , 16 ; 8 , 14 , 17 or 22 , 24 , 23 , 25 or 30 ), the position signal signals the control device in such a way influence that the angular position of the vector of the magnetic rotary field re relatively to the vector of the magnetic field generated by the rotor remains at least below the tilt angle between the vectors mentioned, characterized in that the rotor position sensor arrangement is stationary relative to the stator and directly features of Rotors scans.

2. Synchronous motor according to claim 1, characterized in that the rotor position sensor arrangement contains at least one light barrier device ( 7 , 11 , 13 , 16 ; 8 , 12 , 14 , 17 ) which has a light source ( 7 , 8 ) mounted near a rotor end face, in particular a light-emitting diode and a light receiver ( 13 , 14 ), in particular a photodiode, mounted near the other rotor end face, ent, the beam path forming the light barrier ( 11 , 12 ) from the light source to the light receiver relative to the rotor in certain rotor positions runs axially through rotor breakthroughs or rotor axial grooves ( 3 ).

3. Synchronous motor according to claim 2, characterized in that several, relative to the rotor axis in the circumferential direction ver set light barrier devices ( 7 , 11 , 13 , 16 ; 8 , 12 , 14 , 17 ) are accordingly provided for generating position signal signals finer angular resolution.

4. Synchronous motor according to claim 1, characterized in that the rotor position sensor arrangement near a rotor face mounted a light source ( 22 , 23 ), in particular re a light-emitting diode and next to the rotor axis offset in the circumferential direction, a light receiver ( 24 , 25 ) , in particular a photodiode, the beam path from the light source to the light receiver in certain rotor positions via reflecting areas of a reflection surface provided on the relevant rotor end face ( 26 , 27 ).

5. Synchronous motor according to claim 1, characterized in that the rotor position sensor arrangement contains a near a ro tor end face approximately in a radial plane to the rotor axis eccentrically to this mounted detector coil ( 30 ) in which, depending on the passage of a front stray field of a rotor pole, a position signal ind is adorned, or contains a proximity sensor mounted near a rotor end face, which, depending on the passing of the rotor end elevations, emits a position signal.

6. Synchronous motor according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the control device ( 19 ) according to a desired temporal profile of the ro speed depending on the temporal profile of the AC supply voltages for the stator winding or of these AC supply voltages determining control signals target - Switching command pulses can be derived, which are linked to the position signaling signals in a logic circuit ( 34 ) in such a way that the switching on of the current impingement of the stator winding for the further rotation of the vector of the magnetic rotating field by a desired switching command pulse only takes place when a position signal is also given occured.

7. Synchronous motor according to claim 6, characterized in that the logic circuit ( 34 ) parallel to the position signaling signal of the rotor position sensor arrangement also an assumed minimum speed of the rotor ( 2 ) accordingly supplied apparent position signaling signals, which che the switching of the current applied to the stator Trigger the winding by a target changeover command pulse even if no position signal has occurred before.