DE2428718A1

DE2428718A1 - Brushless DC motor with inductive commutation - has multi-phase stator winding and permanent magnet rotor

Info

Publication number: DE2428718A1
Application number: DE2428718A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Morath; Joachim Dr Ing Rogge; Gerd Ruff; Heinz Dr Rer Nat Wehde
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1974-06-14
Filing date: 1974-06-14
Publication date: 1976-01-02
Also published as: DE2428718C3; DE2428718B2

Abstract

The motor circuit has a switch network via which at least one phase of the stator winding can be controlled, to bring the rotor to its rest position, and via which one phase of the stator winding can be controlled for a selected time duration, to bring the rotor up to the required running speed. Pref. the stator winding is connected to an amplifier stage via a commutating circuit, providing control signals for the amplifier stage in dependence on signals supplied from the switch network and on induced voltage signals dependent on the rotation of the rotor. The commutating circuit pref. employs a differential amplifier stage for each stator phase winding.

Description

Bürstenloser Gleichstrommotor mit induktiver Kommutierung Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit induktiver Kommutierung enthaltend eine mehrphasige Statorwicklung und einen mit Permanentmagneten versehenen Rotor, welcher in eine Ruhelage stellbar ist. Brushless DC motor with inductive commutation The invention relates to a brushless DC motor with inductive commutation containing a multi-phase stator winding and a permanent magnet rotor, which can be placed in a rest position.

Problemstellung Bei derartigen Motoren werden die durch den sich drehenden Rotor in Wicklungen induzierten Spannungen verwendet, um eine Sommutierung des Stromes von Phase zu Phase durchzuführen. Bei stehendem Rotor kann jedoch die Kommutierung nicht erfolgen, so daß zum Anlaufen des Rotors weitere Mittel vorgesehen werden müssen. So ist aus der deutschen Patentschrift 1 108 312 ein bürstenloser Gleichstrommotor bekannt geworden mit einem auf dem Stator angeordneten Hilfsmagneten, mittels dessen der Rotor in einer Ruhelage festgehalten wird. Durch Betätigen eines Schalters soll auf die Statorwicklung ein Stromimpuls gegeben werden um den Rotor in der einen oder anderen Drehrichtung anlaufen zu lassen. Es sind weiterhin auf dem Stator Steuerwicklungen vorgesehen, welche bei drehendem Rotor die zur Kommutierung erforderlichen Signale erzeugen. Der genannte Hilf smagnet ergibt ein den Wirkungsgrad des Motors verschlechterndes Rastmoment. Weiterhin ist der sichere Anlauf des Rotors nicht gewährleistet, denn wenn der genannte Schalter zu lange betätigt wird, bleibt der Rotor nach einer kleinen Drehung vor der angesteuerten Phase der Statorwicklung wiederum stehen. Andererseits wird bei zu kurzer Betätigung des Schalters der Stromimpuls nicht ausreichen um den Anlauf zu bewirken.Problem With such motors, the rotating Rotor in windings induced voltages used to Sommutierung the current to be carried out from phase to phase. When the rotor is stationary, however, the commutation do not take place, so that further means are provided for starting the rotor have to. For example, German patent specification 1 108 312 describes a brushless direct current motor known become with an auxiliary magnet arranged on the stator, by means of which the Rotor is held in a rest position. By pressing a switch should a current pulse is given to the stator winding around the rotor in one or another direction of rotation. There are still control windings on the stator provided which the signals required for commutation when the rotor is rotating produce. Said auxiliary magnet results in a deterioration in the efficiency of the motor Cogging torque. Furthermore, the safe start of the rotor is not guaranteed because if the said switch is pressed too long, the rotor will stop after a small one Rotation in front of the controlled phase of the stator winding. on the other hand If the switch is pressed too briefly, the current pulse will not be sufficient to bring about the start-up.

Aufsabe und Lösung Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und einen im Aufbau einfachen Motor zu schaffen, welcher einen guten Wirkungsgrad aufweist und mit Sicherheit in die gewünschte Drehrichtung anläuft. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.Object and solution The present invention is based on the object to avoid the disadvantages mentioned and to create a motor with a simple structure, which has a good efficiency and with certainty in the desired direction of rotation starts up. This object is achieved according to the features of the first claim.

Vorteile und Weiterbildungen Der erfindungsgemäße Motor zeichnet sich aus durch einen einfachen Aufbau und gewährleistet einen sicheren Anlauf.Advantages and developments The motor according to the invention is distinguished due to a simple structure and ensures a safe start-up.

Mittels einer preiswerten Schaltvorrichtung, welche konventionelle Bauelemente enthält, wird der Rotor elektronisch zunächst in eine Ruhestellung gebracht, aus welcher dann der Anlauf erfolgen kann. Die Ruhestellung des Rotors wird in vorteilhafter Weise lediglich durch Ansteuern einer oder mehrerer Phasen der Statorwicklung erreicht. Anschließend wird durch zeitlich verzögertes Abschalten beziehungsweise Einschalten weiterer Phasen auf den Rotor ein oder mehrere Drehimpulse gegeben um den Anlauf in einer vorgegebenen Drehrichtung zu bewirken. Die Zeitdauer der Ansteuerung der Wicklungsphasen wird in vorteilhafter Weise an die Bauart des Motors angepaßt, wobei insbesondere das Anfahrdrehmoment, das Trägheitsmoment und die Polpaarzahl zu berücksichtigen sind. Eine bevorzugte Weiterbildung wird gemäß den Merkmalen des dritten Patentanspruches geschaffen, da gesonderte Sensoren für die Erzeugung der Kommutierungssignale nicht erforderlich werden. Es werden vielmehr die in den Statorwicklungen induzierten Spannungen direkt in einer xommutierungseinrichtung ausgewertet, wobei gemäß des vierten Patentanspruches bevorzugt Differenzverstärker eingesetzt werden. Mit der sehr vorteilhaften Weiterbildung gemäß den Merkmalen des fünften Patentanspruches wird es möglich den Einsatzpunkt und die Dauer des Stromflusses durch die Phasen der Statorwicklung den gewünschten Bedingungen anzupassen, so daß praktisch alle Motor- und Drehzahlcharakteristiken realisierbar sind. Insbesondere kann so eine Überlappung der Ströme bei der Kommutierung vermieden und damit ein guter Wirkungsgrad des Motors erreicht werden. Wird gemäß des siebten Patentanspruches ein Lagesensor vorgesehen, welcher vorzugsweise als magnetfeldabhängiger Widerstand ausgebildet ist, so wird entsprechend der geometrischen Anordnung für einen bestimmten Winkelbereich ein Signal erzeugt und damit die Zeitdauer des Stromflusses beeinflußt. Enthält die Kommutierungseinrichtung gemäß des neunten Patentanspruches ein Widerstandsnetzwerk, so läßt sich in sehr einfacher Weise durch geeignete Dimensionierung der einzelnen Widerstände die Stromflußdauer durch die Phasen der Statorwicklung vorgeben. Der Aufwand an Bauteilen ist dabei äußerst gering. Werden gemäß den Merkmalen des elften Patentanspruches die Schaltvorrichtung mit zwei RC Gliedern ausgerüstet, so lassen sich sehr einfach deren Zeitkonstanten vorgeben. Damit wird es mit einem geringen Schaltungsaufwand ermöglicht den Rotor zunächst in seine Ruhestellung zu bringen, aus welcher er dann nach Ablauf der ersten Zeitdauer sofort herausläuft. Es hat sich weiterhin als besonderer Vorteil erwiesen, nicht nur eine Phase sondern insbesondere zwei Phasen der Statorwicklung zunächst gemeinsam anzusteuern, da auf diese Weise der Rotor schnell in die Ruhelage eingestellt werden kann und ein Pendeln um die Ruhelage verhindert wird.By means of an inexpensive switching device, which is conventional Contains components, the rotor is first electronically brought into a rest position, from which then the Start-up can take place. The rest position of the The rotor is advantageously only controlled by one or more Phases of the stator winding reached. Then it is delayed by Switching off or switching on further phases on the rotor one or more Angular impulses given to cause the start-up in a specified direction of rotation. The duration of the activation of the winding phases is advantageously increased adapted to the type of motor, in particular the starting torque, the moment of inertia and the number of pole pairs must be taken into account. A preferred further training is created according to the features of the third claim, as separate sensors are not required for generating the commutation signals. It will rather, the voltages induced in the stator windings directly in a commutation device evaluated, wherein according to the fourth claim preferred differential amplifier can be used. With the very advantageous development according to the features of the fifth claim it is possible to set the point of use and the duration of the Adapt the current flow through the phases of the stator winding to the desired conditions, so that practically all engine and speed characteristics can be implemented. In particular an overlap of the currents during commutation can thus be avoided and thus a good engine efficiency can be achieved. Is according to the seventh claim a position sensor is provided, which is preferably a magnetic field-dependent resistor is formed, it is according to the geometric arrangement for a particular Angular range generates a signal and thus influences the duration of the current flow. If the commutation device according to the ninth claim contains a resistor network, so can be in a very simple manner by suitable dimensioning of the individual Resistors specify the duration of current flow through the phases of the stator winding. Of the The number of components required is extremely low. Are according to the Features of the eleventh claim, the switching device is equipped with two RC elements, this makes it very easy to specify their time constants. So it becomes with one low circuit complexity enables the rotor to initially return to its rest position bring, from which it then runs out immediately after the first period of time has elapsed. It has also proven to be a particular benefit, not just a phase but in particular to initially control two phases of the stator winding together, since on this way the rotor can be quickly set to the rest position and a pendulum swing around the rest position is prevented.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeicklung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.EXEMPLARY EMBODIMENT The invention is described below with reference to the in Zeicklung illustrated embodiments explained in more detail.

Es zeigen: Fig. 1 Ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer Schaltvorrichtung enthaltend einen Lagesensor Fig. 2 ein Ausführungsbei spiel mit einer Schaltvorrichtung enthaltend Zeitglieder Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel,bei welchem ähnlich wie in Fig. 1 mittels den in der Statorwicklung induzierten Spannungen die Kommutierung bewirkt wird Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Kommutierungseinrichtung, wobei die Differenzverstärker über Rückführwiderstände zyklisch miteinander verschaltet sind.1 shows a first exemplary embodiment with a switching device containing a position sensor Fig. 2, a Ausführungsbei play with a switching device containing timing elements Fig. 3 shows a third embodiment, in which similar As in Fig. 1, the commutation by means of the voltages induced in the stator winding FIG. 4 shows a further exemplary embodiment with a commutation device, whereby the differential amplifiers are interconnected cyclically via feedback resistors are.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung eines bürstenlosen Gleicnstrommotors mit einer dreiphasigen Statorwicklung, wobei die drei Wicklungsphasen 1 bis 3 in Stern geschaltet sind und die gegemeinsamen Enden an der Spannungsquelle UM liegen. Der nicht dargestellte Rotor enthält Permanentmagnete, derart, daß falls die genannten Phasen der Statorwicklung in geeigneter Weise von Strom durchflossen werden, auf den Rotor in bekannter Weise ein Drehmoment wirksam wird. Die freien Enden 4 bis 6 der Phasen sind mit einer Kommutierungseinrichtung 7 verbunden, enthaltend drei Differenzverstärker 10 bis 12. Dabei ist jeweils eines der Enden 4 bis 6 mit einem der ersten Eingänge der Differenzverstärker verbunden.Fig. 1 shows a first embodiment of a circuit arrangement a brushless DC motor with a three-phase stator winding, whereby the three winding phases 1 to 3 are connected in star and the common ones Ends at the voltage source UM. The rotor, not shown, contains permanent magnets, such that if the said phases of the stator winding in a suitable manner of Current flows through it, a torque is effective on the rotor in a known manner will. The free ends 4 to 6 of the phases are equipped with a commutation device 7 connected, containing three differential amplifiers 10 to 12. There is one in each case the ends 4 to 6 are connected to one of the first inputs of the differential amplifier.

Die zweiten negativ bewerteten Eingänge sind jeweils mit einem Ende einer benachbarten Phase verbunden, so daß beispielsweise am Ausgang des Verstärkers 10 dann ein positives Signal ansteht, wenn die in der Phase 1 induzierte Spannung größer ist als die in der Phase 2 induzierte Spannung. Den Differenzverstärker 10 bis 12 2 sind Inverterstufen 16 bis 18 sowie N11)-Gatter 19 bis 21 nachgeschaltet. Dabei ist beispielsweise ein Ausgang des vorgeschalteten Differenzverstärkers 10 über die Inverterstufe 16 mit dem NAND-Gatter 19 verbunden, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 12 verbunden ist. In entsprechender Weise sind auch die weiteren NAND-Gatter mit dem vorgeschalteten Differenzverstärkern verbunden. Der Kommutierungseinrichtung 7 ist eine Verstärkerstufe 9 nachgeschaltet, welche Transistoren 27, 29, 31 aufweist. Die Ausgänge der genannten NAND-Gatter sind über Widerstände jeweils mit der Basis eines der Transistoren 26, 28, 30 verbunden, deren Kollektoren jeweils mit der Basis der Leistungstransistoren 27, 29, 31 verbunden sind. Die freien Enden der Phasen 4, 5, 6 liegen jeweils am Kollektor der genannten Leistungstransistoren, deren Emitter an Masse liegen.' Der Einfachheit halber sind die Klemmen der Schaltung, welche an einer gemeinsamen Spannungsquelle UE liegen mit einem +-Zeichen versehen. Es sind weiterhin eine Schaltvorrichtung 33 vorgesehen um den Rotor zum Anlaufen zu bringen. Diese enthält als Lagesensor für die Rotorstellung einen magnetfeldabhängigen Widerstand 34, welcher mit einem Widerstand 35 einen Spannungsteiler bildet zur Erzeugung der Basisspannung eines Transistors 36. Der Kollektor des Transistors 36 ist direkt mit der Basis des Leistungstransistors 31 und über eine Diode 37 mit einem Schalter 39 verbunden. Der genannte Schalter 39 ist weiterhin über eine Diode 38 mit dem Mittenabgriff eines Spannungsteilers aus den Widerständen 22, 23 verbunden, welche in der Basisstrecke des Transistors 28 liegen. Es ist weiterhin eine Prüfanordnung 41 vorgesehen, mit welcher nach Erreichen einer vorwählbaren Rotordrehzahl der Transistor 36 gesperrt wird. Die Prüf anordnung enthält einen Differenzverstärker 43 sowie einen Frequenz-Spannungsumformer 42 bekannter Bauart, welcher mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 12 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 43 liegt an der Basis des Transistors 36.The second negatively evaluated inputs are each with an end connected to an adjacent phase, so that, for example, at the output of the amplifier 10 then there is a positive signal when the voltage induced in phase 1 is greater than the voltage induced in phase 2. The differential amplifier 10 to 12 2 are followed by inverter stages 16 to 18 and N11) gates 19 to 21. In this case, for example, there is an output of the upstream differential amplifier 10 Connected via the inverter stage 16 to the NAND gate 19, the second input of which is connected to the output of the differential amplifier 12. In a corresponding way are also the other NAND gates with the upstream differential amplifier tied together. The commutation device 7 is followed by an amplifier stage 9, which transistors 27, 29, 31 has. The outputs of the aforementioned NAND gates are each connected to the base of one of the transistors 26, 28, 30 via resistors, their collectors are each connected to the base of the power transistors 27, 29, 31 are. The free ends of the phases 4, 5, 6 each lie on the collector of the aforementioned Power transistors whose emitters are connected to ground. ' For the sake of simplicity, are the terminals of the circuit which are connected to a common voltage source UE provided with a + sign. A switching device 33 is also provided to start the rotor. This contains as a position sensor for the rotor position a magnetic field-dependent resistor 34, which with a Resistor 35 forms a voltage divider for generating the base voltage of a Transistor 36. The collector of transistor 36 is directly connected to the base of the power transistor 31 and connected to a switch 39 via a diode 37. That switch 39 is also via a diode 38 with the center tap of a voltage divider from the resistors 22, 23 connected, which in the base path of the transistor 28 lying. A test arrangement 41 is also provided with which, after reaching a preselectable rotor speed, the transistor 36 is blocked. The test arrangement contains a differential amplifier 43 and a frequency-voltage converter 42 known Type which is connected to the output of the differential amplifier 12. The exit of amplifier 43 is connected to the base of transistor 36.

Die Punktionsweise der angegebenen Schaltung ist folgende: Durch Schließen des Schalters 39 bei zunächst still stehendem Rotor wird die Basis der Transistoren 28 und 31 auf Masse-Potential gelegt, so daß der Leistungstransistor 29 öffnet, während der Leistungstransistor 31 gesperrt ist. Somit wird aufgrund des durch die Phase 2 fließenden Stromes der Rotor in eine definierte Ruhestellung gebracht. Aufgrund der geometrischen Anordnung des als ein magnetfeldabhängiger Widerstand 34 ausgebildeten Lagesensors wird mittels des Transistors 36 ein Signal erzeugt, welches jedoch über die Diode 37 zunächst unwirksam gemacht wird. Nach dem Öffnen des Schalters 39 wird der Stromfluß in der Phase 2 unterbunden, während infolge des nun wirksamen Signales des Lagesensors ein Strom durch die Phase 3 fließen wird.The method of puncturing the circuit specified is as follows: By closing of switch 39 when the rotor is initially stationary becomes the base of the transistors 28 and 31 placed on ground potential so that the power transistor 29 opens, while the power transistor 31 is blocked. Thus, due to the Phase 2 current flowing brought the rotor into a defined rest position. Because of the geometric arrangement of the resistor 34 designed as a magnetic field-dependent resistor Position sensor, a signal is generated by means of the transistor 36, which, however, via the diode 37 is initially made ineffective. After opening the switch 39 is the flow of current in phase 2 is prevented, while as a result of the now effective signal of the position sensor a current will flow through phase 3.

Damit erhält der Rotor einen Drehimpuls und er läuft aus der Ruhestellung in die vorgegebene Drehrichtung an. Es sei darauf hingewiesen, daß der Lagesensor derart angeordnet ist, daß der Strom durch die Phase 3 nur solange fließt wie es zur Erzeugung eines Drehimpulses erforderlich ist.This gives the rotor an angular momentum and it moves from its rest position in the specified direction of rotation. It should be noted that the position sensor is arranged such that the current flows through phase 3 only as long how it is necessary to generate an angular momentum.

Ein "Besthalten" des Rotors in einer neuen Stellung tritt somit nicht ein. Für den Fall, daß mit dem genannten Drehimpuls in den Phasen 1 bis 3 ausreichend starke Spannungen induziert werden, werden über die Kommutierungseinrichtung 7 und die Verstärkerstufe 9 zunächst die Phase 1 und nachfolgend sämtliche Phasen zyklisch nacheinander von Strom durchflossen. Die Stromflußdauer und der jeweilige Durchschaltzeitpunkt der Phasen 1 bis 3 kann dabei durch den Differenzverstärkern 10 bis 12 nachgeschaltete logische Verknüpfungen wie oben beschrieben vorgegeben werden. Der Rotor läuft somit bei einem guten Wirkungsgrad auf die mit der Motorspannung UM vorwählbare Drehzahl. Für den Fall, daß die mit dem ersten Drehimpuls induzierten Spannungen nicht stark genug sind, dreht sich der Rotor weiter bis gesteuert durch den Lagesensor die Phase 3 wiederum vom Strom durchflossen wird und ein erneuter Drehimpuls erzeugt wird. Dies wiederholt sich solange bis die induzierten Spannungen ausreichen, um die oben beschriebene, induktive Kommutierung zu übernehmen. Um während des normalen Laufes des Rotors einen unnötigen Einfluß des Lagesensors auszuschließen, ist die Prüfanordnung 41 vorgesehen. Hat der Rotor eine bekannte Drehzahl erreicht, so gelangt über den Frequenz-Spannungs-Umformer 42 ein Signal zu dem Differenzverstärker derart, daß dessen Ausgang negativ wird und der Transistor 36 sperrt. Anstelle des oben beschriebenen Umformers 42 kann zum Sperren des Transistors 36 auch direkt die in wenigstens einer-der Phasen 1 bis 3 induzierte Spannung verwendet werden.A "holding" of the rotor in a new position does not occur a. In the event that the aforementioned angular momentum in phases 1 to 3 is sufficient Strong voltages are induced, via the commutation device 7 and the amplifier stage 9 first phase 1 and then all phases cyclically flowed through one after the other by electricity. The duration of the current flow and the respective switching time phases 1 to 3 can be followed by differential amplifiers 10 to 12 logical links can be specified as described above. The rotor thus runs with a good degree of efficiency to the speed that can be preselected with the motor voltage UM. In the event that the voltages induced with the first angular momentum are not strong are enough, the rotor continues to rotate until the phase is controlled by the position sensor 3 is again traversed by the current and a new angular momentum is generated. This is repeated until the induced voltages are sufficient to the above to take over described inductive commutation. To during the normal run The test arrangement is to exclude an unnecessary influence of the position sensor of the rotor 41 provided. Once the rotor has reached a known speed, the Frequency-to-voltage converter 42 sends a signal to the differential amplifier such that whose output becomes negative and transistor 36 blocks. Instead of the one described above Converter 42 can also directly block the transistor 36 in at least one of the Phases 1 to 3 of induced voltage can be used.

In Fig. 2 ist eine weitere Schaltungsanordnung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor dargestellt, wobei außer der Statorwicklung noch eine Steuerwicklung mit den Phasen 51, 52, 53 vorgesehen ist. Die Steuerwicklung weist in bezug auf die Statorwicklung einen entgegengesetzten Wicklungssinn auf und ist ebenfalls in Stern geschaltet. Die freien Enden 54 bis 56 sind auf ein zu einem Ring verbundenen Widerstandsnetzwerk 57 bis 62 geschaltet, wobei jeweils zwei Widerstände zwischen zwei freien Enden liegen. Die anderen gemeinsamen Verbindungspunkte zweier benachbarter Widerstände sind über weitere Widerstände 66 bis 68 jeweils auf Eingänge von drei Differenzverstärkern 75 bis 77 geführt. Die freien Enden 54 bis 56 sind außerdem über in Sperrichtung betriebene Dioden 69 bis 71 auf die genannten Eingänge gefuhrt. Es ist an die Spannungsquelle 1JE ein Spannungsteiler 73, 74 angeschlossen, dessen Mittenabgriff sowohl auf den Sternpunkt der Steuerwicklung als auch auf die zweiten Eingänge der Differenzverstärker 65 bis 77 geführt ist. Es ist eine Verstärkerstufe 78 nachgeschaltet, enthaltend Leistungstransistoren 79 bis 81, über welche die Phasen 1, 2, 3 der Statorwicklung angesteuert werden.In Fig. 2 is a further circuit arrangement for a brushless DC motor shown, with a control winding in addition to the stator winding with phases 51, 52, 53 is provided. The control winding has with respect to the stator winding has an opposite direction of winding and is also in Star connected. The free ends 54 to 56 are connected to a ring Resistor network 57 to 62 connected, each with two resistors between two free ends lie. The other common connection points of two neighboring ones Resistors are each on inputs of three via further resistors 66 to 68 Differential amplifiers 75 to 77 out. The free ends 54 to 56 are also led via reverse-biased diodes 69 to 71 to the inputs mentioned. It is connected to the voltage source 1JE a voltage divider 73, 74 whose Center tap on both the star point of the control winding and the second Inputs of the differential amplifier 65 to 77 is performed. It's an amplifier stage 78 connected downstream, containing power transistors 79 to 81, via which the phases 1, 2, 3 of the stator winding are controlled.

Die ersten Eingänge der Differenzverstärker sind darüberhinaus mittels der Dioden 84 bis 86 mit einer Schaltvorrichtung 87 verbunden. Diese enthält einen Schalter 89 mit welchem ein RC-Glied 90, 91 und ein Differenzverstärker 92 verbunden ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers ist über eine Diode 93 mit einem weiteren RC-Glied 94, 95 und über die Diode 85 mit dem Verstärker 75 verbunden. Der gemeinsame Punkt des RC-Gliedes 94, 95 liegt über die Diode 84 am Eingang des Verstärkers 76. Zusätzlich ist noch ein Schalttransistor 96 vorgesehen, dessen Kollektor über die in Sperrichtung geschaltete Diode 86 mit dem Eingang des Verstärkers 77 verbunden ist. Der Eollektor-Emitterstrecke des Transistors 96 ist ein RC-Glied 98a, 98 parallel geschaltet, dessen gemeinsamer Verbindungspunkt über eine Diode 99 mit -dem ersten Eingang des Differenzverstärkers 77 verbunden ist. Der mit der Basis des Transistors 96 verbundene Widerstand 97 kann bevorzugt auch durch den gestrichelt dargestellten Kondensator 97 a ersetzt werden. Damit wird mit einem geringen Aufwand erreicht, daß bei entsprechender Dimensionierung der RC-Glieder 94, 95 bzw. 97 a, 97 b auf den Rotor zeitlich nacheinander zwei-Drehimpulse wirksam werden. Dies ist für den Anlauf von besonderer Bedeutung.The first inputs of the differential amplifiers are also by means of of the diodes 84 to 86 are connected to a switching device 87. This contains one Switch 89 to which an RC element 90, 91 and a differential amplifier 92 are connected is. The output of the differential amplifier is via a diode 93 with another RC element 94, 95 and connected to amplifier 75 via diode 85. The common one The point of the RC element 94, 95 is connected to the input of the amplifier 76 via the diode 84. In addition, a switching transistor 96 is also provided, the collector of which via the reverse diode 86 connected to the input of amplifier 77 is. The collector-emitter path of the transistor 96 is an RC element 98a, 98 in parallel switched, whose common connection point via a diode 99 with the first Input of the differential amplifier 77 is connected. The one with the base of the transistor 96 connected resistor 97 can preferably also by the dashed line Capacitor 97 a must be replaced. This achieves with little effort, that with appropriate dimensioning of the RC elements 94, 95 or 97 a, 97 b the rotor successively two rotary impulses become effective. This is for the Start-up of particular importance.

Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 ist folgende: Durch Betätigen des Schalters 89 liegt am Ausgang des Differenzverstärkers 92 ein positives Signal, so daß zum einen über die Diode 85 der Transistor 79 und über die Dioden 93, 84 der Transistor 80 durchgeschaltet werden.The mode of operation of the circuit arrangement according to FIG. 2 is as follows: By When the switch 89 is actuated, the output of the differential amplifier 92 is positive Signal, so that on the one hand the transistor 79 via the diode 85 and via the diodes 93, 84 of the transistor 80 are turned on.

Gleichzeitig wird der Transistor 96 durchgeschaltet, so daß der Transistor 81mit Sicherheit sperrt. Aufgrund des Stromf-lusses durch die Phasen 1, 3 wird der permanentmagnetische Rotor des Gleichstrommotors in eine definierte Ruhestellung gebracht. Nach einer gewissen durch die Dimensionierung des RC-Gliedes 90, 91 vorwählbaren Zeitdauer verschwindet am Ausgang des Verstärkers 92 das genannte Signal, so daß übeæ den Verstärker 75 der Strom durch die Phase 3 unterbrochen wird. Aufgrund der Sperrwirkung der Diode 93 bleibt jedoch für eine vorwählbare Zeitdauer das positive Signal am Kondensator 95 bestehen, so daß auch die Phase 1 noch vom Strom durchflossen wird.At the same time, the transistor 96 is turned on, so that the transistor 81 locks with security. Due to the current flow through phases 1, 3, the permanent magnetic rotor of the DC motor in a defined rest position brought. After a certain preselectable through the dimensioning of the RC element 90, 91 Duration disappears at the output of the amplifier 92, said signal, so that übeæ the amplifier 75 the current through phase 3 is interrupted. Due to the However, the blocking effect of the diode 93 remains positive for a preselectable period of time Signal at capacitor 95 exist, so that phase 1 still has current flowing through it will.

Damit wird auf den Rotor ein Drehimpuls gegeben um ihn aus seiner Ruhestellung zum Anlaufen zu bringen. Durch geeignete Dimensionierung des RC-Gliedes 94, 95 wird die Zeitdauer des Stromflusses derart vorgegeben, daß auf den Rotor kein Bremsmoment wirksam werden kann. Der Transistor 96 dient wie bereits ausgeführt zunächst dazu über die Diode 86 und den Differenzverstärker 77 den Transistor 81 solange ZU sperren, wie die Transistoren 79 beziehungsweise 80 Stromführen. Mittels des dem Transistor 96 vorgeschalteten RO-Gliedes wird weiterhin erreicht, daß der Transistor 96 nach Abschalten der Phase 2 verzögert sperrt und über das RC-Glied 98 a, 98 und die Diode 99 der Transistor 81 und die Phase 2 kurzeitig von Strom durchflossen wird. Durch geeignete Dimensionierung der RC-Glieder 94, 95 beziehungsweise 97 a, 97b wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Phasen 1, 2 nacheinander von Strom durchflossen werden, und auf den Rotor somit zwei Drehimpulse wirksam werden.This gives an angular momentum to the rotor to get it out of its To bring the rest position to start. By suitably dimensioning the RC element 94, 95 the duration of the current flow is specified in such a way that on the rotor no braking torque can take effect. The transistor 96 is used as already stated first for this purpose the transistor 81 via the diode 86 and the differential amplifier 77 to block as long as the transistors 79 and 80 carry current. Means of the upstream of the transistor 96 RO element is also achieved that the Transistor 96 blocks delayed after switching off phase 2 and via the RC element 98 a, 98 and the diode 99 of the transistor 81 and phase 2 for a short time from current is traversed. By suitably dimensioning the RC elements 94, 95, respectively 97 a, 97b is achieved in an advantageous manner that the phases 1, 2 one after the other are traversed by current, and thus two angular impulses are effective on the rotor will.

Der genannte Drehimpuls reicht aus, daß durch den permanenmagnetischen Rotor in der Steuerwicklung ausreichend starke Spannungen induziert werden, mit welchen über die Kommutierungseinrichtung 50 nun das Schalten der Leitungstransistoren bewirkt wird. Dies ser für die Phase 2 nachfolgend erläutert, wobei davon ausgegangen sei, daß in der Steuerwicklung 51 bis 53 um jeweils 1200 el. versetzte Spannungen durch den Rotor induziert werden. Mittels der benachbarten Widerstände 61, 62 wird aus den Spannungen der Phasen 3 und 1 der Mittelwert gebildet, entsprechend des Widerstandsverhältnisses. tberschreitet der genannte Mittelwert des durch den Spannungsteiler 73, 74 gebildete Bezugspotential, so erscheint am Ausgang des Verstärkers 77 ein positives Signal, und die Phase 2 wird durchgeschaltet. Wird der Mittelwert größer als die Spannung der Phase 53, so wird diese Spannung über die Diode 71 auf den Eingang des Verstärkers 77 gelegt. Unterschreitet die Spannung der Phase 53 das Bezugspotential,-wobei der Vollständigkeit halber auch noch der Spannungsabfall an der Diode 71 zu brücksichtigen ist, so wird die Phase 2 gesperrt. Durch entsprechende Dimensionierung der benachbarten Widerstände 61, 62 kann dabei der Einschaltzeitpunkt der Phase 2 verschoben, die Einschaltdauer kleiner oder größer als 1200 el. eingestellt werden, so daß mit der angegebenen Schaltung praktisch alle gewünschten Motor- und Drehzahlcharakteristiken realisierbar sind. Insbesondere ist somit die überlappungsfreie Kommutierung der Phasen 1 bis 3 ohne besonderen Aufwand realisierbar. Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 kann zur Einsparung von Bauteilen in bevorzugter Weise modifiziert werden. Dem Transistor 81 wird ein liOR-Gatter vorgeschaltet, welches die Ausgänge der Differenzverstärker 75, 76 miteinander verknüpft. Der Differenzversärker 77 und die vorgeschalteten Widerstände 61, 62, 68 entfallen hierbei ebenso wie der Transistor 96 aus der Schaltvorrichtung. Im Hinblick auf den sicheren Anlauf wird auf diese Weise erreicht, daß auf den Rotor hintereinander zwei Drehlmpulse wirksam werden. Der erste wird wie oben beschrieben durch Ansteuern der Phase 1 bewirkt. Nach Beendigung des Stromflusses der Phase 1, dessen Zeitdauer durch das RC-Glied 94, 95 vorgegeben ist, wird über das genannte NOR-Gatter der Transistor 81 durchgeschaltet und somit ein zweiter Drehimpuls auf den Rotor gegeben. Auch diese Schaltungsvariante bietet den erheblichen Vorteil von zwei nacheinander auf den Rotor wirksamen Drehimpulsen, so daß der Rotor sicher in der vorgegebenen Richtung anlaufen wird.The said angular momentum is sufficient that by the permanent magnetic Rotor in the control winding sufficiently strong voltages can be induced with which is now the switching of the line transistors via the commutation device 50 is effected. This ser for phase 2 below explained, where It is assumed that in the control winding 51 to 53 offset by 1200 el Tensions are induced by the rotor. By means of the neighboring resistors 61, 62, the mean value is formed from the voltages of phases 3 and 1, accordingly of the resistance ratio. t exceeds the mean value given by the Voltage divider 73, 74 formed reference potential, appears at the output of the amplifier 77 a positive signal, and phase 2 is switched through. Becomes the mean greater than the voltage of the phase 53, this voltage across the diode 71 is on applied to the input of amplifier 77. If the voltage falls below phase 53 the reference potential, and for the sake of completeness also the voltage drop is to be taken into account at diode 71, phase 2 is blocked. Through appropriate Dimensioning of the adjacent resistors 61, 62 can be the switch-on time shifted to phase 2, the duty cycle is set to be less than or greater than 1200 el be, so that with the specified circuit practically all desired motor and Speed characteristics are realizable. In particular, it is therefore the non-overlap Commutation of phases 1 to 3 can be implemented without any special effort. The circuit arrangement 2 can be modified in a preferred manner to save components will. The transistor 81 is preceded by a liOR gate, which the outputs the differential amplifier 75, 76 linked to one another. The difference insurer 77 and the upstream resistors 61, 62, 68 are omitted here, as is the Transistor 96 from the switching device. With regard to a safe start-up, achieved in this way that one behind the other effective on the rotor two rotation pulses will. The first is effected as described above by activating phase 1. After termination of the current flow of phase 1, its duration through the RC element 94, 95 is specified, the transistor 81 is switched through via the said NOR gate and thus a second angular momentum is given to the rotor. This circuit variant too offers the substantial Advantage of two in a row on the rotor effective angular momentum, so that the rotor can start safely in the specified direction will.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Schaltungsanordnung, welche sich von der in Fig. 2 gezeigten im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß keine gesonderte Steuerwicklung vorgesehen ist. Die zur Kommutierung erforderlichen Spannungen werden vielmehr direkt aus der Statorwicklung ausgekoppelt.Fig. 3 shows a preferred circuit arrangement, which differs from that shown in Fig. 2 essentially differs in that no separate Control winding is provided. The voltages required for commutation are rather, it is decoupled directly from the stator winding.

Der Sternpunkt der Statorwicklung 1 bis 3 liegt auf Massepotential, während die freien Enden der Statorwicklung mit den Eingangsklemmen 54 bis 56 der Kommutierungseinrichtung 50 verbunden sind. Der Einfachheit halber sind die sich entsprechenden Bauelemente aus Fig. 2 und Fig. 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Dem zu Tiders t ITiderstandsnetzwerk 57 bis 68 sind entsprechend dem obigen Beispiel drei Differenzverstärker 105 bis 107 nachgeschaltet, deren positiv bewerteten Eingänge auf Massepotential liegen. Die Ausgänge der genannten Vetärker sind über nicht näher bezeichnete Widerstände jeweils auf die Basis der Transistoren 108 bis 110 geführt. Deren Emitter liegen an der positiven Spannungsquelle UE, während die Kollektoren über Spannungsteiler mit der Basis der Leistungstransistoren 79 bis 81 verbunden sind. Die Emitter der genannten Leistungstransistoren sind mit einer negativen Motorspannungsquelle UM verbunden. Das Anlaufen des Motors erfolgt, wie oben bereits beschrieben, mittels der Schaltvorrichtung 87, wobei beispielsweise für eine gegenüber Masse positive Spannung am negativ bewerteten Eingang des Verstärkers 105, an dessen Ausgang ein negatives Signal erscheint, so daß Transistoren 108 und 79 geöffnet werden und durch die Phase 3 ein Strom fließen kann.The star point of the stator winding 1 to 3 is at ground potential, while the free ends of the stator winding connect to input terminals 54 to 56 of the Commutation device 50 are connected. For the sake of simplicity, these are themselves corresponding components from Fig. 2 and Fig. 3 with the same reference numerals Mistake. The resistance network 57 to 68 to be tied are corresponding to the above Example three differential amplifiers 105 to 107 connected downstream, their positive rated Inputs are at ground potential. The outputs of the vetärker mentioned are over unspecified resistors each to the base of the transistors 108 to 110 led. Their emitters are connected to the positive voltage source UE, while the Collectors via voltage dividers with the base of the power transistors 79 to 81 are connected. The emitters of the power transistors mentioned are with a negative motor voltage source UM connected. The motor starts up as already described above, by means of the switching device 87, for example for a positive voltage compared to ground at the negative input of the amplifier 105, at the output of which a negative signal appears, so that transistors 108 and 79 can be opened and a current can flow through phase 3.

Im übrigen entsprechen sich die Funktionsweise der Schaltungsanordnungen aus Fig. 2 und Fig. 3.Otherwise, the mode of operation of the circuit arrangements is the same from FIGS. 2 and 3.

Solh weiterhin die Drehzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors einen bestimmten Wert nicht überschreiten, so kann das in vorteilhafter Weise durch Abschalten wenigstens einer Phase der Statorwicklung über eine Regeleinrichtung 112 erreicht werden. Hierzu wird mittels einer Gleichrichterschaltung, enthaltend Dioden 114 bis 116 eine der momentanen Drehzahl des Rotors proportionale Spannung gebildet. In der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 sind die genannten Dioden mit den freien Enden der Statorwicklung 1 bis 3 verbunden.So continue to set the speed of the brushless DC motor Do not exceed a certain value, this can be done in an advantageous manner by switching off at least one phase of the stator winding is reached via a control device 112 will. For this purpose, a rectifier circuit, containing Diodes 114 to 116 have a voltage proportional to the current speed of the rotor educated. In the circuit arrangement according to FIG. 3, the diodes mentioned are with the free ends of the stator winding 1 to 3 connected.

Ist gemäß Fig. 2 eine Steuerwicklung vorgesehen, so werden die Dioden zweckmäßigerweise mit dieser verbunden. Die genannte Spannung wird über ein RC-Glied 117, 118 auf den negativ bewerteten Eingang eines Differenzverstärkers geführt, an dessen zweiten Eingang über einenspnnnungsteiler 121, 122 eine Bezugsspannung UR liegt. Der Ausgang des Differenzverstärkers 120 X> liegt über eine in Sperrichtung geschaltete Diode 124 am Eingang des der Phase 2 zugeordneten Differenzverstärkers 107. Uberschreitet die der Drehzahl proportionale Spannung die Bezugsspannung UR, so wird der Ausgang des Verstärkers 120 negativ und damit auch der Eingang des Verstärkers 107. Die Phase 2 kann daher auch wenn über das Widerstandsnetzwerk 57 bis 68 entsprechende Signale anstehen, solange nicht durchgeschaltet werden, bis die Drehzahl des Rotors wieder den mit der Bezugsspannung UR vorgewählten Wert erreicht hat.If a control winding is provided according to FIG. 2, the diodes expediently connected to this. The voltage mentioned is via an RC element 117, 118 fed to the negatively rated input of a differential amplifier, at its second input via a voltage divider 121, 122 a reference voltage UR lies. The output of the differential amplifier 120 X> is in the reverse direction switched diode 124 at the input of the differential amplifier assigned to phase 2 107. If the voltage proportional to the speed exceeds the reference voltage UR, so the output of amplifier 120 will be negative and so will the input of the amplifier 107. The phase 2 can therefore also if corresponding via the resistor network 57 to 68 Signals are present as long as they are not switched through until the speed of the rotor has again reached the value preselected with the reference voltage UR.

Die Drehzahlregelung kann auch dadurch-erreicht werden, daß der Motor in bekannter Weise mit einer äußeren Steuerfrequenz synchronisiert wird. Hierbei wird die Frequenz der in der Statorwicklung 1 bis 3 oder in die Steuerwicklung induzierten Spannung in einer Frequenzvergl eichseinrichtung mit der äußeren Steuerfrequenz verglichen. Sind die genannten Frequenzen bei Erreichen der Solldrehzahl gleich, so wird mittels der Vergleichseinrichtung ein Signal erzeugt, welches wenigstens eine Phase der Statorwicklung abschaltet oder zumindest den Stromflußwinkel reduziert.The speed control can also be achieved in that the motor is synchronized in a known manner with an external control frequency. Here becomes the frequency of the induced in the stator winding 1 to 3 or in the control winding Voltage in a frequency comparison device with the external control frequency compared. If the stated frequencies are the same when the target speed is reached, a signal is generated by means of the comparison device, which at least switches off a phase of the stator winding or at least reduces the current conduction angle.

Die aufgrund des einfachen Aufbaus bevorzugte Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 enthält eine Kommutierungseinrichtung 130 mit Differenzverstärkern 10 bis 12, deren Eingänge ähnlich wie in Fig. 1 dargestellt, mit den Steuerwicklungen 131 bis 133 verbunden sind. Im Unterschied zu Fig. 1 sind jedoch den Differenzverstärkern keine Inverterstufen und Gatter nachgeschaltet, sondern es sind lediglich zyklisch verschaltete Rckführwiderstände 138 bis 140 vorgesehen.The circuit arrangement preferred due to its simple design 4 contains a commutation device 130 with differential amplifiers 10 to 12, the inputs of which are similar to those shown in FIG. 1, with the control windings 131 to 133 are connected. In contrast to FIG. 1, however, the differential amplifiers no inverter stages and gates connected downstream, they are only cyclical interconnected feedback resistors 138 to 140 are provided.

So ist beispielsweise der Ausgang des Differenzversärkers 11 mittels des Ruckführwiderstandes 138 auf den negativ bewerteten Eingang des Differenzverstärkers 10 geschaltet.For example, the output of the differential amplifier 11 is by means of of the feedback resistor 138 to the negative input of the differential amplifier 10 switched.

Mittels der genannten Kommutierungseinrichtung werden ähnlich wie in Fig.' 1 beschrieben durch die in den Steuerwicklungen 131 bis 133 induzierten Spannungen die Transistoren der nachgeschalteten Verstärkerstufe 9 zyklisch nacheinander von Strom durchflossen. Zum Anlauf des Rotors ist eine Schaltvorrichtung 87 a vorgesehen, die in Aufbau und Wirkungsweise im wesentlichen der Schaltvorrichtung 87 entspricht.By means of the mentioned commutation device, similar to in Fig. ' 1 described by the induced in the control windings 131 to 133 Voltages the transistors of the downstream amplifier stage 9 cyclically one after the other traversed by electricity. A switching device 87 a is provided to start the rotor, which essentially corresponds to the switching device 87 in structure and mode of operation.

} Obgleich die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele sich auf Gleichstrommotoren mit dreiphasiger Statorwicklung beziehen sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Erfindung Motore mit mehrphasiger Statorwicklung betrifft. Wesentlich ist in allen Fällen, daß der Rotor durch Ansteuern einer oder mehrerer Phasen der Statorwicklung zunächst in eine Ruhestellung gebracht wird und daß nachfolgend eine oder mehrere Phasen nacheinander zyklisch für eine vorwählbare Zeitdauer angesteuert werden und den Rotor zum Anlaufen zu bringen. } Although the embodiments shown in the drawing explicitly refer to direct current motors with three-phase stator winding pointed out that the invention relates to motors with polyphase stator winding. It is essential in all cases that the rotor is controlled by one or more Phases of the stator winding is first brought into a rest position and that subsequently one or more phases controlled cyclically one after the other for a preselectable period of time and start the rotor.

- Patentansprüche - - patent claims -

Claims

-Patent claims -g 1. Brushless DC motor with inductive Commutation, containing a polyphase stator winding and one with permanent magnets provided rotor, which can be placed in a rest position, characterized in that, that a switching device (33, 87) is provided, by means of which at least one Phase of the stator winding (1, 2, 3) can be controlled to put the rotor in a rest position to provide and by means of which preferably one phase of the stator winding for a pre-selectable time is controllable to get the rotor to start.

2. Brushless DC motor according to claim 1, wherein the stator winding is connected to an amplifier stage, characterized in that the amplifier stage (9, 78) a commutation device (7, 50) is connected upstream, which as a function of both the signals generated by said switching device (33, 87), as also the voltages induced by the rotating rotor are signals for control generated by the amplifier stage.

3. Brushless DC motor according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the free ends (4, 5, 6) of the stator winding on the inputs the commutation device and thus the induced in the stator winding Voltages cause commutation.

4. Brushless DC motor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the commutation device, preferably as a differential amplifier trained amplifier (10 to 12; 75 to 77).

5. Brushless DC motor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the commutation device is preferably an ohmic Resistors (57 to 68) constructed network and / or an arrangement of gates (19 to 21), through which the point of use and the duration the signals generated to control the amplifier stage can be determined.

6. Brushless DC motor according to claim 5, characterized in that that in each case two free ends of the stator winding cyclically via ohmic resistors interchanged are placed on the inputs of the differential amplifier 10 to 12 that each Amplifier 10 to 12 is followed by an inverter stage (16 to 18), which with are each connected to a NAND gate 19 to 21, the second inputs of the said gates (19 to 21) each directly to an output of one of the differential amplifiers is connected, and that the outputs of said gates with the base each have a 6 Transistors (26, 28 to 30) are connected, at the collectors of which the signals to Control of the amplifier stage (9) can be tapped.

7. Brushless DC motor according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device is preferably a magnetic field-dependent Resistance (34) has formed position sensor, which provided the rotor its Assumes rest position, emits a signal.

8. Brushless DC motor according to claim 6 and 7, characterized in that that the switching device (33) has a switch (39) which is closed State the cathodes of two diodes (37) to ground potential that the anode of the Diode (38) is connected to the base of transistor (28) that the anode of the diode (37) is connected to the collectors of transistors (30) and (36), the Base of the transistor (36) on a voltage divider containing the magnetic field-dependent Resistance (34) is located.

9. Brushless DC motor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the commutation device (50, 100) has a resistor network 57 to 62 connected to form a ring, wherein between the free ends 54 to 56 of the phases (1 to 3; 51 to 53) two each There are resistors whose center taps have a further resistor (66 to 68) with one input of a downstream differential amplifier (75 to 77; 105 to 107) are connected, and that the free ends (54 to 56) over in the blocking direction switched diodes (69 to 71) are led to the inputs mentioned.

10. Brushless DC motor according to one of claims 1 to 5, characterized in that two free ends of a control winding (131 to 133) or the stator winding cyclically exchanged for the Inputs of the differential amplifier (10 to 12) are placed that the outputs of the differential amplifier each by means of a feedback resistor (138 to 140) cyclically with an input one of said differential amplifiers are connected, and that the outputs of the Differential amplifiers are connected to the amplifier section (9).

11. Brushless DC motor according to one of claims 1 to 5, 9 or 10, characterized in that a switching device (87) is provided, with which preferably two phases of the stator winding simultaneously for a first pre-selectable duration can be controlled to put the rotor in the rest position, and that one of the phases mentioned can then be switched off, while the other Phase remains activated for a second preselectable period of time.

12. Brushless DC motor according to claim 10, characterized in that that the switching device (87) has a differential amplifier (92) on whose entry a first RC element 90, 91 is connected for preselection the first period that the output of the differential amplifier via diodes 84, 85 is connected to the commutation device for controlling two phases, wherein the diode 84 is preceded by a further diode 93 and a second RC element 94, 95 is for pre-selection of the second time period.