DE2006487B2

DE2006487B2 - Tachometrische gegenkopplungsanordnung fuer einen kollektorlosen gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2006487B2
Application number: DE19702006487
Authority: DE
Inventors: M. Marc; Grancoin M. Bernard; Paris Bregeault
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1969-02-17
Filing date: 1970-02-13
Publication date: 1977-11-24
Also published as: FR2034171B1; DE2006487C3; FR2034171A1; DE2006487A1; US3597643A; GB1292719A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine tachometrische Gegenkopplungsanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem Läuferstellungsgeber, dessen Stator zwei im elektrischen Winkel π/2 zueinander angeordnete Hall-Generatoren trägt und dessen Rotor ρ Polpaare mit fester Magnetisierung hat, und mit einem Motorelement, dessen Stator zwei von den Hall-Generatoren gesteuerte Wicklungen trägt und

dessen Rotor gleichfalls ρ Polpaare mit fester Magnetisierung aufweist und mit dem Rotor des Läuferstellungsgebers verbunden ist.

Bei einer aus dem »Archiv für technisches Messen« BI. Z 562-1 (April 1968), S. 79 bis 82 bekannten tachometrischen Gegenkopplungsanordnung dieser Art erfolgt die Gegenkopplung durch Einwirkung auf den Steuerstrom der Hall-Generatoren mittels einer Transistorschaltung, die als Vergleichswert für die Drehzahl eine drehzahlproportionale Tachospannung empfängt, die über Dioden aus den nicht stromdurchflossenen Wicklungen ausgekoppelt wird. Diese Lösung erfordert einen erheblichen zusätzlichen Schaltungsaufwand und eine paarweise Vertauschung der Anschlußklemmen aller von den Hall-Generatoren gesteuerten Wicklungen zur Änderung der Drehrichtung.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer tachometrischen Gegenkopplungsanordnung für einen koliektorlosen Gleichstrommotor, die einen sehr einfachen Aufbau hat und auf einfache Weise die Änderung der Drehrichtung ermöglicht.

Nacii der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch zwei jeweils einem der beiden Hall-Generatoren zugeordnete Spulen, die so angeordnet sind, daß sie unter der Wirkung des vom Rotor des Läuferstellungsgebers erzeugten Magnetfelds stehen, daß die Spulen gegenüber den zugeordneten Hall-Generatoren jeweils um Winkel versetzt sind, die, bis auf Vielfache von π/ρ, einem vorbestimmten gemeinsamen Winkelabstand gleich sind, und daß jede Spule in Serie mit dein Ausgangskreis des zugeordneten Hall-Generators geschaltet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen erläutert.

Bei der Anordnung nach der Erfindung bleibt der Steuerstrom der Hall-Generatoren konstant, und die Gegenkopplung erfolgt dadurch, daß der von jedem Hall-Generator abgegebenen Spannung unmittelbar eine drehzahlproportionale Spannung entgegengeschaltet wird, die in einer zugeordneten Spule bei der Drehung des Rotors induziert wird. Es entfallen daher zusätzliche elektronische Schaltungen für die Änderung des Steuerstroms der Hall-Generatoren. Ferner kann die Drehrichtung durch einfache Umkehrung der Richtung des Steuerstroms der Hall-Generatoren erfolgen, wobei die durch die Gegenkopplung bewirkte Drehzahlregelung voll erhalten bleibt,

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 einen nach der Erfindung ausgeführten kollektorlosen Gleichstrommotor in Vorderansicht und in Schnittansicht,

F i g. 2 eine andere Ausführungsform des Motors von Fig. 1,

Fig. 3 das elektrische Schaltbild des nach der Erfindung ausgebildeten kollektorlosen Gleichstrommotors und

Fig.4 verschiedene Abänderungen der elektrischen Schaltung des kollektorlosen Gleichstrommotors nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt bei (a) in Vorderansicht und bei (b) in einem Schnitt nach der Linie OX einen mehrpoligen kollektorlosen Gleichstrommotor, der mit einer tachometrischen Gegenkopplungsanordnung ausgestattet ist. Ein solcher Motor enthält einen Läuferstellungsgeber und ein Motorelement, die aneinandergefügt sind. Der Läuferstellungsgeber enthält einen Statorring 1 aus weichmagnetischem Material, der zwei Hall-Gcnerato-

ren 3 und 4 tragt.

Die radiale Halbebene, die Teil einer Symmetrieebene für den Generator 3 bildet und die Zeichenebene von pig 1 (a) in der Linie OX schneidrt, dient als Bezugshalbebene.

Die Hali-Generatoren 3 und 4 liegen voneinander in einem Winkelabstand, der dem elektrischen Winkel π/2 entspricht, d. h. in einem geometrischen Winkelab· tand νοηπ/2ρ, wenn ρ die Polpaarzahl des Rotors ist.

Der Rotor 2 enthält also ρ Polpaare 21 (im vorliegenden Fall P=3), die durch weichmagnetische Blechpakete gebildet sind, in welche Permanentmagnete 20 eingespannt sind, die senkrecht zu den ihre Symmetrieebenen bildenden Radialebenen des Rotors abwechselnd im einen und im anderen Sinn magnetisiert sind. Der so gebildete Rotor ist dem Läuferstellungsgeber und dem Motorelement gemeinsam. Seine Winkelstellung ist durch die Lage der Symmetriehalbebene eines beliebigen Bezugspols angegeben, wobei die Schnittlinie dieser Halbebene mit der Zeichenebene durch OK dargestellt ist. Der Statorteil des Motorelements enthält ein weichmagnetisches Blechpaket 50, in dessen Nuten zwei mehrpolige Wicklungen mit ρ Polpaaren eingelegt sind, die gegeneinander um den elektrischen Winkel π/2 versetzt sind, und von denen ein Teil 51 dargestellt ist.

Die tachometrische Gegenkopplungsanordnung enthält zwei gleiche Wicklungen 5 und 6 mit η Windungen, die um den Statorring 1 in einem Winkelabstand von 2 π/3 bzw. von π/6 + π/3 von der Bezugshalbebene OX und damit vom Hall-Generator 3 angeordnet sind.

Diese Anordnung arbeitet in folgender Weise: Die Hall-Generatoren 3 und 4 liefern Spannungen, die dem durch sie hindurchgehenden Steuerstrom /<-; sowie cos 3 Θ bzw. sin. 3 Θ proportional sind, wobei θ die augenblickliche Winkelstellung des Rotors 2 (Winkel zwischen OX und OY) darstellt. Ganz allgemein lassen sich für einen Rotor mit ρ Polpaaren die von den Hall-Generatoren 3 und 4 gelieferten Spannungen folgendermaßen schreiben:

K₃ = K I₀ B_n cos ρ (-),

I⁷4 = - K I_(; B₀ sin ρ (-).

Darin ist K der Hall-Koeffizient der als gleich angenommenen Hall-Generatoren und Bn der maximale Wertder magnetischen Induktion im Luftspalt.

Für eine den Ring 1 umgebende Spule mit η Windungen, die in einem Winkelabstand ψ von der Bezugshalbebene OX entfernt ist, beträgt die Induktion im Luftspalt in jedem Zeitpunkt

B =

(D

daher eine Tachometer-Wechselspannung bilden. Für eine Spule, die in der Winkelstellung \)> = k\sr/p liegt, worin Αί eine ganze Zahl ist, ist die induzierte Spannung also

I', = : Ii Ι;, ρ <■· cos /j W ,

wobei das Vorzeichen davon abhängt, ob jfci gerade oder ungerade ist.

Dies ist der Fall für die Spule 5, die um den Winkel 2.T/3 von der Achse OX entfernt ist (k_] geradzahlig), und in der die folgende Spannung induziert wird:

I'_s = Ii Γ,, /j ι- cos ρ <->.
Für eine Spule, die in einer Winkelstellung

' -P ^ ² P

angeordnet ist, worin /r> eine ganze Zahl ist (oder, was auf dasselbe hinauskommt, die im Winkelabstand (ki + 1) stlρ vom Generator 4 liegt), ist die induzierte Spannung

I₂= +'! 1Ό /' ι- sin ρ (-).

wobei das Vorzeichen davon abhängt, ob k: gerade oder ungerade ist.

Dies ist der Fall für die Spule 6, die im Abstund π/6 + π/3 von der Achse OX liegt (ki ungerade), und in der die folgende Spannung induziert wird:

I',, = — Ii I₀ ρ ι-, sin ρ (-).

Wenn man die von den Spulen 5 und 6 gelieferten Spannungen jeweils einer der von den Hallelektroden 30,31 des Generators 3 bzw. von den Hallelektroden 40, 41 des Generators 4 gelieferten Spannungen entgegengeschaltet (F i g. 3), haben die zu den Motorwicklungen 12 und 13 über die Verstärker 10 bzw. 11 gelieferten Spannungen den folgenden Wert:

und der effektiv durch die Spule hindurchgehende Magnetfluß ist gegeben durch

</' = '/'(, sin fi [ψ — W).

Wenn sich der Rotor mit der Winkelgeschwindigkeit ω dreht, gilt θ = ωί, wenn zur Vereinfachung angenommen wird, daß Θ = 0 zum Zeitpunkt f = 0, und die in einer solchen Spule induzierte Spannung ist daher

V = η V₀ ρ i.i cos ρ {ψ ι.ιΐ) /ι V₀ ρ ,.> cos ρ (ι/· W).

Eine solche Spannung hat eine Amplitude, die der Winkelgeschwindigkeit ω proportional ist, und sie kann I',, = I', -I₅ = cos ρ W [K /,, ß„ - Ii I „ [

I I- .

I₁., = K₄ - I·; = - sin /j W (K /_(; B₀ - η 1 „ ρ ,■<).

Man legt also an die um den elektrischen Winkel π/2 gegeneinander versetzten Motorwicklungen zwei Spannungen gleicher Amplitude, die aber um 90° phasenverschoben sind, und die den Hall-Spannungen Vi und V.\ proportional sind, wodurch zwar das Auftreten eines konstanten Drehmoments bestimmt wird, dessen Amplitude jedoch um einen der Winkelgeschwindigkeit ο) des Motors proportionalen Wert verringert ist. Man hat also eine Gegenkopplung tachomctrischcr Art ohne Verwendung einer zusätzlichen Maschine einfach dadurch erzielt, daß Spannungen verwendet werden, die in Spulen induziert werden, die auf dem Läuferstellungssieber selbst angeordnet sind. Da es sich hierbei aber um Wechselspannungcn handelt, unterscheidet sich ihre Anwendung von derjenigen einer taehomctrischcn Spannung in den üblichen Regelanordnungen, bei denen die Spannung von der den Motor steuernden Fehlerspannung abgezogen wird. Im vorliegenden Fall werden nämlich die erhaltenen Spannungen nicht von dem Steuerstrom /₍,- des Motors abgezogen, sondern direkt von den Hall-Spannungen selbst.

Dies gilt unabhängig von der Drehrichtung des Motors. Wenn man nämlich beispielsweise den Drehsinn dadurch umkehrt, daß die Richtung des von der Quelle 9 (Fig. 3) gelieferten Steuerstroms Ir der Hall-Generatoren umgekehrt wird, ändern sowohl /_A. als auch o) das Vorzeichen, so daß stets eine richtige Gegenkopplung erhalten wird.

Bei dem zuvor beschriebenen Beispiel werden Spulen 5 und 6 verwendet, die um den gleichen Winkel 2k π/ρ gegen die Hall-Generatoren 3 bzw. 4 versetzt sind.

F i g. 2 zeigt eine andere Anordnung der Gegenkopplungsspulen. Die Spulen 7 und 8 mit η Windungen sind im Luftspalt selbst angeordnet, wobei die Windungsebene senkrecht zur magnetischen Induktion im Luftspalt liegt, und sie befinden sich in einem Winkelabstand von jr/6 + 3jr/3 bzw. 3π/3 von der Bezugshalbebene OX. also vom Hall-Generator 3.

Da die Induktion im Luftspalt an einem Punkt mit dem Winkelabstand ψ stets durch die Gleichung (1) gegeben ist, ist in diesem Fall der Magnetfluß, der durch die an diesem Punkt angebrachte Spule geht, gegeben durch

und die bei einer Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors induzierte Spannung ist gegeben durch

V = - η K₀' ρ ο sin ρ (ψ — (-)).

Für eine Spule, die in der Winkelstellung

.τ k{ j "·= Ip⁺ ρ

angeordnet ist, wobei k\ eine ganze Zahl ist, ist die induzierte Spannung gegeben durch

C₁' = ι ι; I₀ ρ c, cos /' (->,

wobei das Vorzeichen üavon abhängt, ob k\ gerade oder ungerade ist.

Dies ist der Fall für die Spule 7, die im Winkelabstand π/6 + 3π/3 (k'\ ungerade) angeordnet ist, und in der die folgende Spannung induziert wird:

V₁ — ti I₀ /) c, cos /) (-).

Für eine Spule, die in einer Winkelstellung ψ = k'₂n/p (oder, was auf das gleiche hinauskommt, im Abstand π/2ρ+ k'₂nlp\om Hall-Gcnrator 4) angeordnet ist, gilt

I'·,' = I ;i I'd ρ <■> sin /> <->.

wobei das Vorzeichen davon abhängt, ob kΊ gerade oder ungerade ist.

Dies ist der Fall der Spule 8, die im Winkel 3π/3 (k'₂ ungerade) angeordnet ist, und in der die folgende Spannung induziert wird:

V_n = — η I 'd ρ ι

Auch hier verfügt man wieder über Spannungen V₁ und V₈, deren Amplitude der Winkelgeschwindigkeit o) proportional ist, und die man den Hall-Spannungen Vj bzw. V4 entgegenschalten kann, damit eine tachometrische Gegenkopplung erzielt wird. Dies gilt allgemeiner für Luftspaltspulen, die im Winkelabstand n/2p+{2k'+\)jilp von den Hall-Generatoren 3 bzw. 4 angeordnet sind.

Wie zuvor könnte man auch zwei Spulen im Winkelabstand jt/2p + 2k'jr/p von den Hall-Generatoren anordnen oder eine kombinierte Lösung anwenden.

Die tachometrischen Gegenkopplungsspannungen, die in der in Fig. 3 angegebenen Weise verwendet werden, können jedoch nicht eingestellt werden. Bei der Anordnung von Fig. 3 sind die Schaltungsteile 10 und 11 Verstärker, welche die Motorwicklungen 12 bzw. 13 speisen.

In F i g. 4 sind drei Schaltungsbeispiele dargestellt, bei denen die tachometrische Gegenkopplung einstellbar ist. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist jeweils nur ein Kanal dargestellt. In Fig. 4a ist die Spule 5 parallel zu einem einstellbaren Widerstand 18 geschaltet (die gleiche Schaltung wird bei der Spule 6 angewendet).

In Fig.4b ist eine aus dem Widerstand 15 und dem einstellbaren Widerstand 14 bestehende Potentiometeranordnung parallel zu der Spule 5 geschaltet. Schließlich ist in Fig.4c eine aus dem Widerstand 16 und dem einstellbaren Widerstand 17 bestehende Potentiometeranordnung parallel zu dem Hall-Generator geschaltet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Tachometrische Gegenkopplungsanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrom; r mit einem Läuferstellungsgeber, dessen Stat, zwei in: elektrischen Winkel π/2 zueinander angeordnete Hall-Generatoren trägt und dessen Rotor ρ Polpaare mit fester Magnetisierung hat, und mit einem Motorelernent, dessen Stator zwei von den Hall-Generatoren gesteuerte Wicklungen trägt und dessen Rotor gleichfalls ρ Polpaare mit fester Magnetisierung aufweist und mit dem Rotor des Läuferstellungsgebers verbunden ist, gekennzeichnet durch zwei jeweils einem der beiden Hall-Ger.eratoren (3, 4) zugeordnete Spulen (5,6; 7, 8), die so angeordnet sind, daß sie unter der Wirkung des vom Rotor (2) des Läuferstellungsgebers (1, 2) erzeugten Magnetfelds stehen, daß die Spulen (5, 6; 7,8) gegenüber den zugeordneten Hall-Generatoren (3, 4) jeweils um Winkel versetzt sind, die, bis auf Vielfache von π/ρ, einem vorbestimmten gemeinsamen Winkelabstand gleich sind, und daß jede Spule (5, 6; 7, 8) in Serie mit dem Ausgangskreis des zugeordneten Hall-Generators (3,4) geschaltet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (7, 8) im Luftspalt des Läuferstellungsgebers angeordnet sind, und daß der vorbestimmte gemeinsame Winkelabstand π/2ρ ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator des Läuferstellungsgebers (1,2) einen den Magnetfluß sammelnden Ring (1) aus weichmagnetischem Material aufweist, daß die Spulen (5, 6) um diesen Ring (1) gewickelt sind und daß der vorbestimmte gemeinsame Winkelabstand den Wert Null hat und die Winkel zwischen Spulen (5, 6) und Hall-Generatoren (3, 4) von Null verschiedene Vielfache von nip sind.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spule (z. B. 5) ein einstellbarer Widerstand (18) parallel geschaltet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spule (z. B. 5) eine Serienschaltung aus einem Widerstand (15) und einem einstellbaren Widerstand (14) parallel geschaltet ist und daß der zugeordnete Hall-Generator (z. B. 3) zwischen einer Klemme der Spule und dem Verbindungspunkt der Widerstände angeschlossen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Hall-Generator (z. B. 3) eine Serienschaltung aus einem Widerstand (16) und einem einstellbaren Widerstand (17) parallel geschaltet ist und daß die Spule (z. B. 5) an den Verbindungspunkt der Widerstände angeschlossen ist.