CH648964A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Kommutator für Motoren mit einer aus einer Mehrzahl von Teilspulen bestehenden Ankerspule, die als Luftanker ausgebildet oder auf einen Eisenanker gewickelt ist.

Die Kommutierung von Motoren, insbesondere Kleinmotoren, bereitet Probleme, z.B. bei der Herstellung und der Montage der sehr kleinen Teile der mechanischen Kollektoranordnung. Ausserdem können solche mechanischen Kollektoren nicht beliebig für beliebige Wicklungen wie Sternwicklungen, Dreieckwicklungen oder Ringwicklungen sowie für Luftankermotoren und Eisenankermotoren verwendet werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Kommutator der eingangs genannten Art zu schaffen, der für beliebige Wicklungen wie Ring-, Dreieck- und Sternwicklungen sowie für Luftankermotoren und auch für Eisenankermotoren verwendet werden kann.

Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass der Kommutator eine Trägerscheibe aus einem elektrisch nicht-leitenden Material enthält, auf der Anschlussfahnen für die Teilspulen und für jede Anschlussfahne zwei zugeordnete photoempfindliche Halbleiterelemente angeordnet sind, dass ferner ein Halbleiterelement einer Anschlussfahne und ein Halbleiterelement einer anderen Anschlussfahne eine Gruppe bilden, die von einer Beleuchtungseinrichtung über einen Umfangwinkel von 360°/n beleuchtbar ist, wobei n die Anzahl der Anschlussfahnen ist.

Vorzugsweise sind die beiden Anschlussfahnen einer Gruppe von Halbleiterelementen auf der Trägerscheibe im wesentlichen diamétral gegenüberliegend angeordnet.

Die Trägerscheibe selbst kann zweckmässigerweise auf beiden Seiten mit elektrischen Anschlussfahnen belegt sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zum Umschalten der Drehrichtung des Motors jedes Halbleiterelement aus zwei gegeneinander geschalteten Phototransistoren gebildet die bei Beleuchtung Strom in der einen oder in der anderen Richtung durchlassen.

Vorzugsweise sind hierbei je vier Phototransistoren in integrierter Schaltung zu einem Halbleiterelement zusammen-gefasst, wobei jeder Anschlussfahne zwei gegeneinandergeschaltete Phototransistoren zugeordnet sind, die bei Beleuchtung in beiden Durchlassrichtungen auf zwei voneinander unabhängigen Bahnen stromleitend sind.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Kollektorscheibe einschliesslich der Ankerwicklung,

Fig. 2 die Draufsicht auf eine praktische Ausführungsform einer Kollektorscheibe und

Fig. 3 die schematische Schaltungsanordnung von vier Phototransistoren.

Fig. 1 zeigt schematisch einen elektronischen Kommutator 10 in Verbindung mit einer Ankerspule 18, die hier beispielsweise als Ringwicklung ausgebildet ist, wobei der Kommutator jedoch auch in Verbindung mit Dreieckwicklungen oder Sternwicklungen verwendet werden kann. Er eignet sich ausserdem für die Anwendung bei Luftankermotoren und bei Eisenankermotoren.

Der Kommutator besteht im wesentlichen aus einer Trägerscheibe 12 aus einem elektrisch nicht-leitenden Material, z.B. einem Kunststoffmaterial.

Die, wie gesagt, als Ringwicklung dargestellte Ankerspule 18 ist im vorliegenden Beispiel aus fünf Teilspulen 20 aufgebaut, die über Anzapfungen 16 und Verbindungsleitungen 14 entsprechend mit Anschlussfahnen 22, 24,26,28 und 30 verbunden sind, die sich auf der Trägerscheibe 12'befinden. Jeder der fünf Teilspulen ist somit eine metallische Anschlussfahne zugeordnet, und jede dieser Anschlussfahnen ist über die zugehörige Leitung 14 mit einer der fünf Anzapfungen 16 verbunden.

Auf der Trägerscheibe 12 sind ferner nebeneinander aber getrennt voneinander zwei Halbleiterelemente 32, 34 angeordnet und jeder Anschlussfahne sind wiederum zwei solcher Halbleiterelemente 32,34 zugeordnet, wobei in Fig. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nur zwei solcher Halbleiterelemente 32,34 gezeigt sind, die zu einer Gruppe zusam-mengefasst und benachbart zu der Anschlussfahne 22 angeordnet sind. In der Praxis sind, wie Fig. 2 zeigt und später noch erläutert wird, für jede Anschlussfahne zwei solcher Halbleiterelemente 32,34 vorgesehen.

In der Mitte der Trägerscheibe 12 sind schematisch zwei Schleifringe 36,38 dargestellt.

Die beiden Halbleiterelemente 32,34, die z.B. in Form von Phototransistoren ausgebildet sind, sind zweckmässigerweise, wie dargestellt, radial hintereinander angeordnet, und sie können durch ein Fenster 52 hindurch mittels einer Lichtquelle beleuchtet werden. Das Fenster 52 kann beispielsweise in einer über der Trägerscheibe 12 angeordneten Abdeckung ausgebildet sein, über der wiederum eine Lichtquelle angeordnet ist, deren Licht durch das Fenster 52 hindurch auf die beiden Phototransistoren 32, 34 fällt. Der Winkelausschnitt des Fensters 52 beträgt 360° dividiert durch die Anzahl der Teilspulen bzw. Anschlussfahnen, im vorliegenden Fall also 360/5 = 72°.

Die beiden Phototransistoren 32,34 werden daher während ihres Umlaufs mit der Trägerscheibe 12 von der nicht-gezeigten Lichtquelle über einen Umfangswinkel von 72° beleuchtet jind damit auf Durchgang geschaltet.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung arbeitet folgendermas5

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sen: Der Schleifring 38 soll an den positiven Pol einer nicht-gezeigten Stromquelle angeschlossen sein. Er ist ferner über eine Leitung 40 mit dem Kollektor des Phototransistors 32 verbunden, dessen Emitter über eine Leitung 42 mit der Anschlussfahne 22 verbunden ist. Die letztere ist über die zugehörige Leitung 14 mit einer der Anzapfungen 16 der Ankerspule 18 verbunden. Der Strom fliesst daher bei durchgeschaltetem Phototransistor 32 vom Schleifring 38 über die Leitung 40, den Transistor 32, die Leitung 42, die Anschlussfahne 22 und die Leitung 14 zur Anzapfung 16' der Ankerspule 18. Dort verzweigt sich der Strom entsprechend den Pfeilen PI und P2. Folgt man nun dem Pfeil PI in Uhrzeigerrichtung, so gelangt man zur Anzapfung 16 der Anschlussfahne 24 und dann zur Anzapfung 16 der Anschlussfahne 26. Von dort aus fliesst nun der Strom über die zugehörige Leitung 14 zur Anschlussfahne 26 und von dieser über eine Leitung 44 zum Kollektor des Phototransistors 34, dessen Emitter über eine Leitung 46 mit dem Schleifring 36 verbunden ist, womit der Stromkreis geschlossen ist. Folgt man dem Stromzweig längs des Pfeiles P2 in Gegenuhrzeigerrichtung, so gelangt man über die Anzapfungen 16 der Anschlussfahnen 30 und 28 ebenfalls zur Anzapfung 16 der Anschlussfahne 26, d.h. beide Teilströme, die sich bei der Anzapfung 16' in Richtung der Pfeile PI und P2 verzweigen, fliessen zur Anschlussfahne 26 und von dort, wie vorstehend erwähnt, zum Schleifring 36.

Die Phototransistoren 32,34, die sich in Fig. 1 in der dargestellten Position unter dem Fenster 52 befinden, sind beleuchtet und damit leitend, so dass der Stromverlauf in der vorstehend beschriebenen Weise erfolgt.

Es sind zwar im Bereich der übrigen Anschlussfahnen 24, 26,28 und 30 ebenfalls je zwei Phototransistoren 32,34 angeordnet, die in analoger Weise wie die beschriebenen Phototransistoren geschaltet sind, diese nicht-gezeigten Phototransistoren 32, 34 sind aber in der in Fig. 1 dargestellten Position nicht beleuchtet, so dass die Ströme über die Anschlussfahnen 24, 28 und 30 nicht abfliessen können.

Wie dargestellt, sind somit der Phototransistor 32, der mit der Anschlussfahne 22 verbunden ist und der Phototransistor 34, der mit der Anschlussfahne 26 verbunden ist, zu einer Gruppe zusammengefasst, derart, dass diese beiden Phototransistoren dieser Gruppe gleichzeitig und zusammen von der Lichtquelle durch das Fenster 52 hindurch beleuchtet und damit auf Durchgang geschaltet werden.

Nimmt man nun in der beschriebenen Ausführungsform die Anschlussfahne 22 als Basis, die mit dem einen Transistor 32 der Gruppe verbunden ist, so verbindet man den anderen Transistor 34 dieser Gruppe mit der Anschlussfahne, in diesem Fall die Anschlussfahne 26, die der als Basis genommenen Anschlussfahne 22 auf der Trägerscheibe 12 möglichst diametral gegenüberliegt, d.h. die beiden Anschlussfahnen, in diesem Fall 22 und 26, die mit den beiden Transistoren 32, 34 einer Gruppe verbunden sind, sollen auf der Trägerscheibe 12 in Umfangsrichtung gesehen, möglichst weit voneinander weg liegen, wobei die grösste Entfernung dann erreicht wäre,

wenn sich diese beiden Anschlussfahnen 22, 26 genau diametral gegenüberliegen würden, was bei der hier gewählten 5er-Teilung jedoch nicht möglich ist.

Wenn die beiden Phototransistoren 32,34 bei weiterer Drehung der Kommutatorscheibe das Fenster 52 verlassen, so treten die nächsten beiden (hier nicht gezeigten) Phototransistoren in das Fenster ein, werden beleuchtet und auf Durchgang geschaltet, womit der Stromkreis erneut, aber diesmal über ein anderes Paar von Phototransistoren geschlossen ist usw.

Der Stromkreis wird also jeweils nur über die über das Fenster 52 beleuchteten und damit auf Durchgang geschalteten Phototransistoren geschlossen, während die anderen

Paare bzw. Gruppen von Phototransistoren, die in Fig. 1 nicht gezeigt sind, nicht beleuchtet und damit nicht leitend sind, so dass über die zugehörigen Anschlussfahnen 24, 28, 30 in der in Fig. 1 dargestellten Lage kein Strom abgeleitet werden kann.

Fig. 2 zeigt nun eine praktische Ausführungsform des Kommutators nach Fig. 1, wobei die Trägerscheibe 12 ver-grössert dargestellt ist.

In Fig. 2 ist das Substrat, d.h. das nicht-leitende Material der Trägerscheibe 12 schraffiert gezeichnet.

Die Leitung 40 nach Fig. 1 ist hier eine Kupferschicht auf dem Substrat, die in elektrischer Verbindung mit dem Schleifring 38 steht und die sternförmig ausgebildet ist und an ihren Sternenden die Halbleiterelemente 32, im vorliegenden Fall fünf solcher Elemente, trägt. Die Kupferschicht hat die übliche Dicke gedruckter Schaltungen. Die Anschlussfahnen 22 bis 30 sind ebenfalls in Form geeigneter metallischer Schichten, z.B. Kupferschichten, ausgebildet, und jede der Anschlussfahnen ist einstückig bzw. zusammenhängend mit der Leitung 44 ausgebildet, die an ihrem Ende in elektrischer Verbindung mit je einem der H.albleiterelemente 34 steht. Jedes Halbleiterelement 32 ist nun über je eine Leitung 42 mit einer der Anschlussfahnen verbunden, wobei in Fig. 2 die beiden Halbleiterelemente, die radial einwärts von der Anschlussfahne 22 angeordnet sind, mit 32' und 34' bezeichnet sind. Diese beiden Halbleiterelemente 32' und 34' bilden zusammen eine Gruppe, die gemeinsam durch das in Fig. 2 nichtgezeigte Fenster hindurch von einer Lichtquelle beleuchtet wird.

Das Halbleiterelement 32' ist nun gemäss Fig. 2 der Anschlussfahne 22 zugeordnet und über die Leitung 42 auch mit dieser verbunden, während das Halbleiterelement 34' der Anschlussfahne 26 zugeordnet ist und über die Leitung 44 auch mit dieser letzteren Anschlussfahne verbunden ist. Andererseits ist die Anschlussfahne 22 über ihre Leitung 44 ebenfalls mit einem Halbleiterelement 34 verbunden, das jedoch, wie Fig. 2 zeigt, radial einwärts von der Anschlussfahne 28 liegt und mit dem Halbleiterelement 32, das mit dieser Anschlussfahne 28 verbunden ist, zusammen wiederum eine Gruppe bildet usw.

Jede Anschlussfahne ist somit über eine Leitung 42 mit einem Halbleiterelement 32 verbunden, das radial einwärts von der jeweiligen Anschlussfahne liegt, sowie über die Leitung 44, die als etwas spiralförmig verlaufende Kupferbahn ausgebildet ist, mit einem Halbleiterelement 34, das jedoch auf der Trägerscheibe 12 im wesentlichen diametral zu der Anschlussfahne, mit der es verbunden ist, angeordnet ist.

Der Stromverlauf ist nun folgender:

Betrachtet man wiederum die Anschlussfahne 22, so verläuft der Strom vom Schleifring 38 über die Kupferschicht 40 zum Halbleiter 32', von dort über die Leitung 42 zur Anschlussfahne 22, danach über die in Fig. 2 nicht-gezeigte Verbindungsleitung 14 zur Ankerspule und von dieser wiederum über die nicht-gezeigte Verbindungsleitung zur Anschlussfahne 26 und von dort über die Kupferbahn bzw. Verbindungsleitung 44 zum Halbleiterelement 34'. Von dort aus läuft der Strom weiter über die Leitung 46 zu einem metallischen Anschluss 48 und von diesem über die Leitung 50 zum Schleifring 36.

Voraussetzung für diesen Stromverlauf ist wiederum (wie bei Fig. 1), dass die beiden Halbleiterelemente 32' und 34' beleuchtet und damit auf Durchgang geschaltet werden. Durch die übrigen Halbleiterpaare, die also nicht beleuchtet und damit nicht auf Durchgang geschaltet werden, kann kein Strom fliessen, so dass nur der Stromkreis geschlossen wird, in welchem das beleuchtete Halbleiterpaar liegt.

Das Substrat, d.h. die Trägerscheibe 12, ist zweckmässigerweise auf beiden Seiten mit geeigneten Leitern bzw. Kup5

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ferbahnen belegt, so sind beispielsweise in Fig. 2 die Leitungen 50 auf der Rückseite der Scheibe angebracht, und die Anschlüsse 48 sind geeignet von der Vorderseite zur Rückseite durchkontaktiert. Entsprechend kann mit den Verbindungsleitungen 42 verfahren werden.

Durch die etwa spiralförmige Anordnung der Kupferbahnen bzw. Verbindungsleitungen 44 ist nun dafür gesorgt, dass der Stromkreis geschlossen wird, obwohl die beiden Halbleiterelemente einer Gruppe am Umfang nur durch ein Fenster von 72° beleuchtet werden.

Die Halbleiter können NPN-Halbleiter sein, und ihre Kollektoren und Emitter sind angeschlossen, während die Basis der Phototransistoren frei bleibt, da der Basisstrom durch die Belichtung erzeugt wird.

Die genannten Halbleiter leiten den Strom nur in einer Richtung, wenn sie beleuchtet sind, wobei der Kollektor positiv und der Emitter negativ ist.

Soll nun die Drehrichtung eines mit dem beschriebenen Kommutator versehenen Motors umgekehrt werden, so können statt zwei jeweils vier Halbleiter bzw. vier Phototransistoren vorgesehen werden, wobei jeweils zwei solcher Phototransistoren wechselweise gegeneinander geschaltet sind, so dass jeweils zwei Paare den Strom in der einen oder der, anderen Richtung durchlassen.

Fig. 3 zeigt das Schaltbild einer solchen Anordnung. Das Halbleiterelement 32 besteht hier aus zwei Phototransistoren 29 und 31, wobei der Kollektor des Transistors 29 mit dem Emitter des Transistors 31 verbunden und die Verbindungsstelle an die Leitung 40 gelegt ist. Der Emitter des Transistors 29 und der Kollektor des Transistors 31 sind ebenfalls verbunden, und ihre Verbindungsstelle liegt an der Leitung 42. Das Halbleiterelement 34 ist entsprechend aufgebaut, und es besteht aus zwei Phototransistoren 35 und 37, wobei der Emitter des Transistors 35 mit dem Kollektor des Transistors 37 zusammengefasst und die Verbindungsstelle an die Leitung 46 gelegt ist, während der Kollektor des Transistors 35 und der Emitter des Transistors 37 ebenfalls zusammengefasst sind und ihre Verbindungsstelle mit der Leitung 44 verbunden ist.

Im Halbleiterelement 32 fliesst somit der Strom entweder von der Leitung 40 über den Kollektor und den Emitter des 5 Transistors 29 zur Leitung 42 oder bei Umpolung von der Leitung 42 über den Kollektor und den Emitter des Transistors 31 zur Leitung 40. Entsprechendes gilt für das Halbleiterelement 34, in welchem der Strom entweder von der Leitung 44 über den Kollektor und den Emitter des Transistors 35 zur io Leitung 46 fliesst oder bei Umpolung von der Leitung 46 über den Kollektor und den Emitter des Transistors 37 zur Leitung 44.

Die beiden Halbleiterelemente 32, 34 nach Fig. 3 lassen somit bei Beleuchtung den Strom in beiden Richtungen 15 durch, bzw. sie bilden ?wei voneinander unabhängige Strompfade, von denen jeweils einer je einer der beiden Drehrichtungen zugeordnet ist.

Die Halbleiterelemente 32,34 - seien es die der Fig. 1 und 2 oder die der Fig. 3 - können in integrierter Schaltung in 20 Form eines einzigen Chips zusammengefasst werden, so dass jeder Anschlussfahne je ein solcher Chip zugeordnet ist.

Mit anderen Worten, in jedem Stromkreis, der durch eine Anschlussfahne an der Ankerwicklung liegt, ist ein solcher Halbleiter-Chip angeordnet, der aus vier integrierten Photo-25 transistoren besteht, die bei Beleuchtung in zwei unabhängig voneinander befindlichen Bahnen in beiden Richtungen stromleitend werden, so dass je nach Polung der Strom entweder in der einen oder in der anderen Richtung durch die Phototransistoren und damit durch den Stromkreis hindurch-30 fliesst, so dass eine Umkehr der Drehrichtung des zugehörigen Motors durch Umschalten der Polung ermöglicht wird.

Die Drehrichtung des Motors kann auch dadurch umge-. kehrt werden, dass ein beleuchtetes Fenster am Umfang um im wesentlichen 180° versetzt wird. Diese Art der Beleuch-35 tung der Halbleiter ist jedoch relativ aufwendiger als die vorbeschriebene Methode, andererseits ist es bei dieser Ausführungsform möglich, durch gleichzeitige Beleuchtung beider Fenster, den Motor stillzusetzen.

2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

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1. Elektronischer Kommutator für Motoren mit einer aus einer Mehrzahl von Teilspulen bestehenden Ankerspule, die als Luftanker ausgebildet oder auf einen Eisenanker gewik-kelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Trägerscheibe (12) aus einem elektrisch nicht-leitenden Material enthält, auf der Anschlussfahnen (22, 24,26, 28,30) für die Teilspulen (20) und für jede Anschlussfahne'zwei zugeordnete photoempfindliche Halbleiterelemente (32,34) angeordnet sind, dass ferner ein Halbleiterelement (32) einer Anschlussfahne (22) und ein Halbleiterelement (34) einer anderen Anschlussfahne (26) eine Gruppe bilden, die von einer Beleuchtungseinrichtung über einen Umfangwinkel von 360°/n beleuchtbar ist, wobei n die Anzahl der Anschlussfahnen ist.

2. Kommutator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Anschlussfahnen (22,26) einer Gruppe von Halbleiterelementen (32,34) auf der Trägerscheibe (12) im wesentlichen diametral gegenüberliegend angeordnet sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Kommutator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerscheibe (12) beidseitig mit Anschlussfahnen belegt ist.

4. Kommutator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Umschalten der Drehrichtung des Motors jedes Halbleiterelement (32, 34) aus zwei gegeneinander geschalteten Phototransistoren (29, 31 bzw. 35, 37) gebildet ist, die bei Beleuchtung Strom in der einen oder in der anderen Richtung durchlassen.

5. Kommutator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass je vier Phototransistoren (29, 31 und 35, 37) in integrierter Schaltung zu einem Halbleiterelement zusammenge-fasst sind und jeder Anschlussfahne (22,24, 26,28,30) zwei gegeneinandergeschaltete Phototransistoren (29,31 bzw. 35, 37) eines solchen Elements zugeordnet sind.