Beschreibung

Titel

Elektrische Maschine mit einem Rotor, sowie Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine mit einem Rotor, sowie einem Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Mit der EP 0 917 755 Bl ist eine Kommutierungsvorrichtung eines Gleichstrommotors bekannt geworden, bei der Bürsten an einer Kontaktfläche von Lamellen eines Kommutators anliegen. Dabei erfasst eine elektronische Schaltung die Frequenz der Welligkeit des Motorstroms, um daraus ein Maß für die Drehzahl des Elektromotors zu bestimmen. Zur Gewinnung von einer zuverlässigen Drehzahlinformation weisen die Kanten der Kommutatorlamellen einen bestimmten Winkel zur Längsachse des Kommutators, bzw. zu den Kanten der Bürsten auf. Ein solcher Kommutator ist sehr aufwändig herzustellen und bietet keine Möglichkeit, eine Frequenz der Welligkeit zu erzeugen, die kleiner ist als die Nutfrequenz.

Bei solchen Elektromotoren wird der Wechselanteil des Stromsignals zur Drehzahlerkennung ausgewertet. Die Welligkeit dieses Signals wird durch verschiedene Ursachen erzeugt. Ein großer Anteil an der Welligkeit hat die

Anzahl der Nuten des Kommutators. Im Stromsignal lässt sich die Nutzahl und deren Vielfachen erkennen. Dabei tritt die Ordnung des kleinsten gemeinsamen Vielfachen aus Nutzahl und Magnet-Polzahl meist dominierend auf. Hervorgerufen wird diese Welligkeit im unteren Drehzahlbereich (kleinere Drehzahlen) und unter großer Last durch die Variation des Ankerwiderstandes

über die Kommutierung. Nahe der Leerlaufdrehzahl und bei geringem Strom wird die Welligkeit durch die Variation der induzierten Spannung, hervorgerufen durch die Spulenwicklungen im Magnetfeld, erzeugt. Bei mittlerer Motorlast wird die Welligkeit im zeitlichen Verlauf des Stromsignals durch beide Effekte verursacht. Beide Effekte können zueinander phasenverschoben sein und sich in verschiedenen Arbeitspunkten eliminieren, so das die Nutordnung und deren Vielfachen im Stromverlauf über die Motorkennlinie deutlich variieren und auch verschwinden können.

Wird zur Generierung eines auswertbaren Strom- Rippel-Signals die Anzahl der einzelnen Leiterschleifen der Rotorspulen variiert, erfährt der Rotor gleichzeitig eine Drehmomentenwelligkeit, die für bestimmte Anwendungen unerwünscht ist. Eine solche Drehmomentwelligkeit führt ebenfalls zu einer störenden Geräuschbildung der elektrischen Maschine.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine, sowie das erfindungsgemäße

Verfahren zum Betreiben einer solchen Maschine, mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Ausbildung eines sich über den Umfang des Rotors veränderlichen Radius gezielt eine vorgebbare Drehmomentenwelligkeit generiert werden kann. Diese durch die Variation des Rotordurchmessers erzeugte Drehmomentwelligkeit kann so ausgebildet werden, dass diese phasenverkehrt zu einer Drehmomentwelligkeit wirkt, die durch die Ausgestaltung der Spulen der Rotorwicklung verursacht wird.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen möglich. Besonders von Vorteil ist es, den Radius des Rotors derart zu variieren, dass der Radius eine von einer kreisrunden Form des Rotors abweichende Modulation beschreibt.

Diese Modulationskurve weist über den Umfang des Rotors eine bestimmte Anzahl von Maxima und Minima auf, die vorzugsweise mit der Anzahl der Magnetpole des Stators identisch ist. Dadurch kann insbesondere eine durch die Variation der Anzahl der Leiterschleifen der Rotorspule erzeugte Drehmomentenwelligkeit bestmöglich kompensiert werden.

Günstig ist es, wenn die Amplitude der Radiusmodulation in etwa eine Sinusfunktion abbildet. Dadurch kann beispielsweise zusammen mit einer sinusförmigen Variation der Leiterschleifen-Anzahl ein optimales Stromwelligkeitssignal erzeugt werden, wobei gleichzeitig die

Drehmomentenwelligkeit des Rotors minimiert wird.

Weist der Rotor radiale Rotorstege mit dazwischen liegenden Nuten für die Wicklungsspulen auf, kann die Modulation des Radius dadurch erzeugt werden, dass die radiale Länge der Rotorstege variiert wird. In Abhängigkeit der Anzahl der Rotorstege und der Magnetpole ist ein Längenunterschied- beispielsweise zweier benachbarter - Rotorstege im Bereich von 0,05 bis 0,2 mm besonders vorteilhaft.

Bevorzugt wird der Rotor aus einzelnen magnetisch leitenden Lamellenblechen hergestellt, die axial miteinander verbunden werden. Dabei können die Lamellenbleche, insbesondere mit den unterschiedlich langen Rotorstegen, kostengünstig als Stanzteile ausgebildet werden.

Vorteilhaft ist die elektrische Maschine mit einem zwei- oder vierpoligen Stator ausgebildet, wobei der Rotor beispielsweise 8, 10, 14 oder 18 Rotorstege mit der gleichen Anzahl dazwischen liegender Rotornuten aufweist.

Am Rotor ist ein Kommutator angeordnet, der mit den einzelnen Spulen der elektrischen Wicklung verbunden ist. Am Kommutator liegen zwei oder mehr

Kohlebürsten an, deren Motorstromsignal erfasst wird, um dessen Welligkeit zu ermitteln. Aus der Welligkeit des Motorstromsignals kann dann elektronisch die Drehzahlinformation bestimmt werden.

Zur Erzielung eines eindeutigen Motorstrom- Rippeis wird die Anzahl der einzelnen Leiterschleifen der verschiedenen Spulen über den Kommutierungsumlauf vorzugsweise sinusförmig variiert. In Kombination mit der vorzugsweise sinusförmigen Variation des Rotorradius über dessen Umfang kann dabei die Momentenwelligkeit minimiert werden.

Dabei ist die Modulation des Rotorradius vorteilhaft phasenverkehrt zur Variation der Anzahl der einzelnen Leiterschleifen der Spulen ausgebildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine wird bevorzugt für die Ausbildung einer Einklemmschutzfunktion verwendet, bei der ein Einklemmen von Hindernissen zwischen einem zu verstellenden Teil und einem festen Anschlag verhindert werden soll. Hierzu wird aus dem veränderlichen Motorstromsignal mindestens ein für das Einklemmschutz- System charakteristischer Parameter bestimmt, der zur Detektion eines

Einklemmereignisses mit einem Grenzwert verglichen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors mit einer schematischen Darstellung der änderung des Rotorradius, und

Figur 2: ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine nebst schematischer Leiterschleifenanzahländerung.

In Figur 1 ist ein Rotor 18 einer elektrischen Maschine 12 dargestellt, die beispielsweise als ein Gleichstrommotor 14 ausgebildet ist. Der Rotor 18 weist eine Rotorwelle 16 auf, auf der drehfest ein Anker 19 angeordnet ist, der beispielsweise als ein Lamellenpaket 26 ausgebildet ist, das sich aus einzelnen

axial zusammengefügten Lamellen 27 besteht. Der Rotor 18 weist einen Radius 62 auf, der sich von einer Achse 17 der Rotorwelle 16 bis zu einer äußeren Umfangsfläche 64 des Rotors 18 erstreckt. In Figur 1 ist hilfsweise ein Umfangskreis 66 abgebildet, der einen Radius 67 aufweist, der einem maximalen Radius 68 des Rotors 18 entspricht. Der Radius 62 ist über den Umfang des

Rotors 18 nicht konstant, sondern variiert über den Umfang, sodass sich eine veränderliche Längendifferenz 70 des Radius 62 ergibt. Die Variation dieser Längendifferenz 70 ist vorzugsweise über den Umfang des Rotors 18 sinus- bzw. kosinusförmig ausgebildet. Im dargestellten Beispiel ergibt sich somit bei 0° und 180° jeweils ein Maximum 72 des Radius 62 und bei 90° und 270° ein Minima 73 des Radius 62. Eine solche Variation des Radius 62 mit zwei Maxima 72 wird vorzugsweise für eine elektrische Maschine 12 mit zwei Magnetpolen 32 eines Stators 34 verwendet. Im Ausführungsbeispiel weist der Rotor 18 radial verlaufende Rotorstege 76 auf, zwischen denen Nuten 24 zum Wickeln von Spulen 30 angeordnet sind. Die Rotorstege 76 weisen beispielsweise an ihrem radial äußeren Ende Polschuhe 78 auf, deren radial äußere Fläche 79 die Umfangsfläche 64 des Rotors 18 bilden. Die Rotorstege 76 weisen eine unterschiedliche radiale Länge 77 auf, deren Differenz der Längendifferenz 70 der Modulation des Radius 62 entspricht. Im Ausführungsbeispiel weist ein erster Rotorsteg 80 bei 0° zu beiden benachbarten Rotorstegen 88 eine

Längendifferenz 70 auf. Der dritte Rotorsteg 81 weist hingegen die gleiche Länge 77 auf, wie der vierte Rotorsteg 82, die beide symmetrisch zum Minimum 73 der Radiusmodulation bei 90° angeordnet sind. Die Variation des Radius 62 über den Umfang des Rotors 18 kann kontinuierlich, oder in diskreten Schritten entsprechend der Anzahl der Rotorstege 76 erfolgen. In Figur 1 ist der Rotor 18 in einem Koordinatensystem dargestellt, woraus sich beispielsweise ein Radius 62 von 14 mm (0,014 m) ergibt. Die gesamte Variation des Radius 62 beträgt vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,2 mm, wobei die Größenordnung der Längendifferenz 70 zweier benachbarter Rotorstege 76 bei den dargestellten zehn Rotorstegen 76 in Figur 1 etwa 0,05 mm beträgt. In einer alternativen

Ausführung kann der Anker 19 beispielsweise auch einstückig hergestellt werden, wobei sich bevorzugt der Radius 62 über die äußere Umfangsfläche 64 kontinuierlich ändert.

In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei der die elektrische Maschine 12 einen Stator 34 mit einem Magnetring 46 aufweist, der vier Magnetpole 32 mit einem Polteilungswinkel 50 von etwa 90° hat. Der Magnetring 46 ist beispielsweise als geschlossener umlaufender Ring ausgebildet, so dass die einzelnen Magnetpole 32 nahtlos ineinander übergehen. Der Rotor 18 ist mit einem Spaltmaß 35 zum Stator 34 angeordnet, das beispielsweise 0,3 bis 0,6 mm beträgt. Auf der Rotorwelle 16 ist ein Kommutator 20 angeordnet, an dem entsprechend der Anzahl der Magnetpole 32 ebenso viele Bürsten 28 (beispielsweise vier) anliegen. In der unteren Bildhälfte ist schematisch die sinusförmige änderung der Leiterschleifenanzahl in der Reihenfolge der nacheinander kommutierten Spulen 30 dargestellt. Die Anzahl von Leiterschleifen 36 pro Spule 30 variiert beispielsweise zwischen 10 und 13, wobei pro nacheinander kommutierter Spule 30 diese nur um eine einzige Leiterschleife 36 geändert wird. Eine Kommutierungsphase erstreckt sich hierbei über sieben Kommutierungszustände, die zusammen eine Periode der Sinuskurve 60 bilden.

Dadurch ergibt sich eine besonders glatte Sinuskurve 60 für die änderung der Leiterschleifenanzahl. In diesem Ausführungsbeispiel der vier-poligen elektrischen Maschine 12 ergibt sich dadurch die vierfache Rotordrehfrequenz für die mittels der Leiterschleifenvariation generierten Frequenz der zusätzlichen Stromwelligkeit. Hierbei wird eine Schwingung mit der Magnetpolordnung auf den

Motorstromverlauf eingeprägt. Eine solche Stromwelligkeits- Frequenz ist dabei deutlich niedriger als die entsprechende Nutfrequenz des Motorstromsignals. Die Abfolge der nacheinander kommutierten Spulen 30 gemäß der Sinuskurve 60 ist in diesem Fall nicht Deckungsgleich mit der Abfolge der Spulen 30 bezüglich des Umfangs des Rotors 18. Die Spulen 30 sind in diesem Ausführungsbeispiel jeweils als zwei symmetrische Teilspulen 29 ausgebildet, die geometrisch parallel zueinander spiegelbildlich zu einer gedachten Ebene durch die Rotorachse 17 angeordnet sind. Die beiden Teilspulen 29 sind dabei elektrisch ebenfalls parallel geschaltet und mit jeweils gleichen Kommutatorlamellen 22 verbunden, so dass die beiden Teilspulen 29 zusammen bezüglich der Magnetpole 32 des Stators 34 wie eine einzige Spule 30 wirken. Dies ist beispielhaft an einer konkreten Spule 53 dargestellt, bei der die erste Teilspule 29 zwischen der ersten und der vierten Nut 24 im Uhrzeigersinn gewickelt ist, und die zweite Teilspule 29 zwischen der achten und der elften Nut 24 gewickelt ist. Diese aus zwei Teilspulen 29

bestehende Spule 53 weist beispielsweise jeweils dreizehn Leiterschleifen 36 auf. Die im Uhrzeigersinn aufeinanderfolgenden Spulen 30 des Rotors 18 bestehen jeweils aus 11, 10, 12, 12, 10, 11 Leiterschleifen 36. In dem Ausführungsbeispiel weist der Kommutator 20 vierzehn Kommutatorlamellen 22 auf, die mit den sieben Spulen 30 - bestehend aus insgesamt vierzehn Teilspulen

29 - verbunden sind. Dabei wird nach der Kommutierung von sieben aufeinanderfolgenden Spulen 30 wieder die gleiche Phasenlage der Kommutierung, wie bei der Ausgangsposition erreicht, so dass sich bei vierzehn Rotorstegen 76, vierzehn Kommutatorlamellen 22 und vier Bürsten 28 vier Perioden 38 über eine Rotorumdrehung ergeben.

Entsprechend den vier Magnetpolen 32 des Stators 34 weist auch der Radius 62 des Rotors 18 vier Maxima 72 (0°, 90°, 180°, 270°) und vier Minima 73 (45°, 135°, 225°) auf. Die Modulation des Radius 62 ist wiederum näherungsweise sinusförmig ausgebildet, derart, dass diese phasenverkehrt zur näherungsweise sinusförmigen änderung der Leiterschleifenanzahl der Spulen 30 in Kommutatorabfolge wirkt. Die Längendifferenzen 70 der einzelnen Rotorstege 76 korrelieren dabei im Wesentlichen der dargestellten Sinuskurve 60 der änderung der Anzahl der Leiterschleifen 36. Die Rotorstege 76 mit den Polschuhen 78 sind derart ausgeformt, dass die Spulen 30 direkt auf die Nuten 24 des Rotors 18 aufgewickelt werden können.

Zur Bestimmung von Drehzahlinformationen wird das durch die Bürsten 28 und den Kommutator 20 fließende Motorstromsignal bezüglich seiner Welligkeit ausgewertet, und daraus ein Signal gewonnen, das die Drehzahl bzw.

Periodendauer der Rotorumdrehung repräsentiert. Hierzu wird das Motorstromsignal einer Elektronikeinheit 40 zugeführt, die eine Einklemmschutzfunktion 44 aufweist. Um festzustellen, ob beispielsweise eine bestimmte Schließkraft für ein mittels der elektrischen Maschine 12 zu verstellendes Teil überschritten wird, wird das die Drehzahl repräsentierende

Signal auf seine änderung untersucht. Dazu werden die vorzugsweise mit der Frequenz der erfindungsgemäßen Stromwelligkeit eingelesenen Messwerte miteinander verglichen, um ein Drehzahlabfall zu erkennen. Um die Schließkraftbegrenzung auszulösen, wird das die Drehzahl repräsentierenden

Signals oder dessen änderung mit einem vorgebbaren Wert verglichen, so dass eine bestimmte Schwelle für eine Schließkraft oder eine Federrate eingestellt werden kann.

Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise der Rotor 18 aus einzelnen Stanzblechen zusammengesetzt werden oder einstückig gefertigt werden, wobei der Radius 62 über den Umfang kontinuierlich oder in diskreten Schritten geändert werden kann. Die Anzahl, Anordnung und

Ausbildung der Magnetpole 32, der Rotorstege 76 sowie der Nuten 24 können der jeweiligen Anwendung, insbesondere der jeweiligen Leistungsanforderung angepasst werden. So kann die elektrische Maschine 12 beispielsweise auch als Außenläufer ausgebildet sein. Ebenso kann das Wickelverfahren der Spulen 30 variiert werden, beispielsweise auch Einzelzahnwicklungen verwendet werden, deren Leiterschleifenanzahl erfindungsgemäß moduliert wird. Entsprechend wird dann die Modulation des Radius 62 über den Umfang angepasst, um die Momentenwelligkeit zu kompensieren. Die elektrische Maschine 12 findet vorzugsweise Anwendung für Stellantriebe im Kraftfahrzeug, beispielsweise zur Verstellung von Sitzteilen, Fensterscheiben und Abdeckungen von öffnungen- ist jedoch nicht auf solche Anwendungen beschränkt.