CN102422513A - 用于电机的电刷布置结构 - Google Patents

Abstract

电机，尤其是电动机具有第一数目（k）的换向器片（10、12、14）以及电刷（16、18），其中所述换向器片（10、12、14）以沿圆周方向均匀分布的方式布置在换向器片支座（24）的圆周上。如此布置所述电刷（16、18），从而为了在使用波形绕组以及多个数量小于所述电机的极数（2p）的电刷（16、18）时降低电流波度而尽可能均匀地分布换向时刻。

Description

用于电机的电刷布置结构

技术领域

本发明涉及一种电机、尤其是电动机，其中所述电机具有第一数目的换向器片以及电刷，其中所述换向器片以沿圆周方向均匀分布的方式布置在换向器片支座的圆周上。

背景技术

文献DE 695 13 655 T2描述了两种分别用于两种速度的刮水器电动机。所述两个电动机之一具有两个极和三个电刷，其中一个高速电刷以相对于一个共同的接地电刷偏移了比如120°的圆周角的方式来布置。这里所述圆周角取决于所述电动机的较高的与较低的旋转速度之间的所期望的比例来选择。另一个电动机则具有四个极和六个电刷，其中所述高速电刷以相对于所属的接地电刷偏移了比如60°的圆周角的方式来布置，其中这里所述圆周角也根据所述电动机的较高的与较低的旋转速度之间的所期望的比例来选择。过去观察到，这样的传统的电动机的运行会在前置的电子装置中导致较高的损耗功率、在车用电路上导致电压波动以及电磁干扰（EMV问题）。这一点尤其在使用波形绕组并且电刷的数目小于极数时适用。

发明内容

本发明的任务是，减少前置的电子装置中的损耗功率、车用电路中的电压波动以及电磁干扰。该任务利用独立权利要求所述的特征得到解决。本发明的有利的实施方式在从属权利要求中得到说明。

本发明通过以下方式建立在所述类型的电机、尤其是电动机的基础上，即如此布置所述电刷，从而为了在使用波形绕组和多个数量比所述电机的极数小的电刷时降低电流波度而尽可能均匀地分布换向时刻。

所述电机的一种实施方式规定，所述电刷包括第一电刷对，其中在所述第一电刷对的电刷中的第一电刷的第一径向轴线与所述第一电刷对的电刷中的第二电刷的第二径向轴线之间存在着第一圆周角α₁，该第一圆周角α₁的绝对值abs（α₁）以不大于公差角 α_T的幅度偏离电刷额定角距α_soll=（360°/2k）（2·floor（U2·（k/2p））+1），其中U2是奇数的自然数，abs（）是绝对值函数，floor（）是取整函数并且α_T是公差角，该公差角小于8°，尤其小于4°，尤其小于2°，尤其小于1°。

在所述电机的一种改进方案中，abs（abs（α₁）-α_P·U2）>α_T，其中α_P是所述电机的极距角。

在所述电机的一种同样优选的实施方式中，由所述第一圆周角减去由所述电机的片分度角一半与第一奇数的自然数相乘得到的第一乘积得到的第一差的第一绝对值小于公差角，其中所述第一奇数的自然数等于一加上由第二奇数的自然数乘以由所述电机的极距角除以片分度角得到的商数得到的向下圆整到整数的第三乘积的两倍，其中由所述第一圆周角减去由所述电机的极距角乘以所述第二奇数的自然数得到的第二乘积得到的第二差的第二绝对值大于所述公差角，其中所述公差角小于8°，尤其小于4°，尤其小于2º，尤其小于1º。

一种优选的实施方式规定，所述第二奇数的自然数的向上圆整到整数的一半小于或者等于所述极数的圆整到整数的四分之一。

在一种有利的实施方式中，所述第一差是正数或者负数。

一种同样优选的实施方式规定，所述第一商数的两倍不是自然数。

一种优选的改进方案规定，所述极数小于11，尤其小于9，尤其小于7。

优选所述换向器片数目小于27，尤其小于25，尤其小于23，尤其小于21，尤其小于19，尤其小于17，尤其小于15。

所述电机可以如此设计，使得所述第二奇数的自然数小于10，尤其小于8，尤其小于6，尤其小于4，尤其小于2。

另一种实施方式规定，所述第一奇数的自然数等于五并且所述第二奇数的自然数等于一，尤其其中所述第一乘积等于64.3°或者等于34.6°。

此外优选一种电机，在该电机中其转子和/或定子具有波形绕组，尤其是单圈的波形绕组。

所述电机可以是伺服电动机或者刮水器电动机。

附图说明

现在参照附图借助于特别优选的实施方式对本发明进行解释。附图示出如下：

图1a到1c是按本发明的第一种实施例的电刷布置结构的示意图；

图2a到2c是按本发明的第二种实施例的电刷布置结构的示意图；

图3是取决于转子位置的不被期望的不均匀地分布的电流特性曲线以及取决于转子位置的期望的均匀分布的电流特性曲线的示意图；并且

图4a到4c是按本发明的电刷布置结构的相对于传统的电刷布置结构的角度公差范围的三种可能的布置方式的示意图。

具体实施方式

在使用波形绕组时，在不采取额外的措施的情况下可以将电刷数目选择得小于极数2p，由此电机的特性曲线仅仅细微地变化。在图1a所示的用于具有14个换向器片10、12、14和两个电刷16、18的6极电动机的交叉的单圈的波形绕组的电刷布置结构中，第一电刷16的第一径向轴线20与第二电刷18的第二径向轴线22之间的第一圆周角α₁大约为64.3º。所述第二电刷18相对于两个换向器片10、12对称地定位（参见图1c），如果所述转子24占有转子位置26（参见图3），在所述转子位置26中所述第一电刷16在中心地定位在第三换向器片14上（参见图1b）。下面也使用“片”这个名称来代替“换向器片”。经常有利的是，以相对于彼此尽可能小的角度α₁来布置两个电刷16、18，以节省位置。

在图2所示的用于具有26个换向器片10、12、14和两个电刷16、18的10极电动机的交叉的单圈的波形绕组的电刷布置结构中，第一电刷16的第一径向轴线20与第二电刷18的第二径向轴线22之间的第一圆周角α₁大约为34.6º。所述第二电刷18相对于两个换向器片10、12对称地定位（参见图4c），如果所述转子24占有转子位置26（参见图3），在所述转子位置26中所述第一电刷16在中心地定位在第三换向器片14上（参见图4b）。

表格1是关于在图1和2中所示出的实施方式的特征的一览表，其中“No”栏表示实施方式的序数，“k”栏表示换向器片数目k，“2p”栏表示极数2p，“U2”栏表示第二奇数的自然数U2，“α_k/2”栏表示片分度角α_k的一半α_k/2，“Q1”栏表示第一商数Q1，“U1”栏表示第一奇数自然数U1并且“α_soll”栏表示电刷额定角距α_soll。

表格1

所述用于其它的实施方式也就是说用于由其它的片数目k、极数2p和第二奇数的自然数U2构成的三元的电刷额定角距α_soll可以通过如下方式来求得：α_soll=U1*α_k/2，其中U1：=2[U2*Q1]+1=1+2*P3，P3：=[U2*Q1]，其中中括号代表高斯括号函数（也就是向下圆整函数或者取整函数）。片分度角α_k的一半α_k/2等于全角360º除以片数k的双倍2k。商数Q1等于电机的极距角α_P=360º/2p除以片分度角α_k=360º/k，也就是等于片数k除以极数2p。所述第一奇数的自然数U1等于一加上由奇数的自然数U2乘以商数Q1得到的向下圆整到整数[P3]的第三乘积P3的两倍2[P3]。

下面解释，所述按本发明的电机为何能减少前置的电子装置中的损耗功率、车用电路中的电压波动以及电磁干扰。图3示出了关于可以在传统的电机上在馈电线上测量的转子位置26的电流特性曲线36。所述电流特性曲线36是周期性的，但是具有不同大小的振幅38、40。所述振幅38、40以及尤其其波动41也是用于电流波度的尺度。电波波度越高，前置的电子装置中的损耗功率、车用电路中的电压波动以及电磁干扰就越高。传统的电机的较高的电流波度能通过换向位置42或者说换向时刻42的不均匀的分布50所引起。相对于此，按本发明的电机的电流特性曲线44不具有振幅46的如此剧烈的波动41。也就是说，所述电流波度明显小于传统的电机。这方面的技术原因是所述电刷16、18、28、30的关于换向器的片分度的均匀的分布52。因此按本发明通过以下方式来减小电流波度，即相对于传统的电机，所述换向位置48或者说换向时刻48均匀地（或者至少更均匀地）分布。当所述两个电刷16、18相对于彼此在时间上对称地交替地换向时，电刷对16、18的电刷16、18在电流波度方面得到最佳的布置。如果这两个电刷16、18关于片布置结构相对于彼此在几何上对称地交替地布置，那么这个条件就得到了满足。如果一个相邻的由两个片10、12构成的片对10、12在中心地布置在第二电刷18的径向轴线22的下面并且如果第三片14在中心地布置在所述第一电刷16的径向轴线20的下面，那就出现上述情况。所述按本发明的电刷布置结构以为电刷额定角距α_soll分配片分度角α_k的一半α_k/2的奇数的自然数U1这种方案（Ansatz）为基础。由此所述电刷额定角距α_soll等于电流换向间距加上或者减去片分度角α_k的一半α_k/2。

有一些出于其它原因刚好或者大约满足这个尺寸设计规则的传统的电刷布置结构。按本发明的电刷布置结构的主题排除了这些传统的电刷布置结构，由此所要求保护的电刷布置结构相对于这些传统的电刷布置结构是新颖的。表格2是关于两种与第一种及第二种按本发明的实施方式相对应的传统的实施方式的特征的一览表，其中“No”栏表示实施方式的序数，“2p”栏表示极数2p，“α_P”栏表示极距角α_P，“U2”栏表示所述第二奇数的自然数U2并且“α_konv”栏表示传统的电刷额定角距α_konv。

表格2

所述用于其它的相应的实施方式也就是说用于其它的由极数2p和第二奇数的自然数U2构成的2元的传统的电刷额定角距可以通过如下方式来计算：α_konv=U2*α_P。所述传统的电刷额定角距α_konv因此等于由电机的极距角α_P乘以第二奇数的自然数U2构成的第二乘积。所述传统的电刷布置结构以为电流换向间距分配整数数目的极距α_P这种考虑为基础。

图4a示出了用于按本发明的电刷布置结构的第一角度公差范围54，该第一角度公差范围不与相应的传统的电刷布置结构的第二角度公差范围56重叠。在这种情况下，第一角度公差范围54之内的所有电刷布置结构α₁₁、α₁₂、α₁₃都代表着新颖的电刷布置结构α₁₁、α₁₂、α₁₃。图4b示出了用于常规的电刷布置结构的第二角度公差范围56，该第二角度公差范围56与所述第一角度公差范围54的一部分重叠，但是不与电刷额定角距α_soll重叠。在这种情况下，只有那些不仅处于所述第一角度公差范围54之内而且处于所述第二角度公差范围56之外的电刷布置结构α₁₁、α₁₂代表着新颖的电刷布置结构α₁₁、α₁₂。图4c示出了用于传统的电刷布置结构的第二角度公差范围56，该第二角度公差范围56与所述第一角度公差范围54的一部分重叠，并且在此也甚至与电刷额定角距α_soll重叠。在这种情况下，也只有那些不仅处于所述第一角度公差范围54之内而且处于所述第二角度公差范围56之外的电刷布置结构α₁₁代表着新颖的电刷布置结构α₁₁。在所述按本发明的电刷布置结构中，由所述第一圆周角α₁减去电刷额定角距α_soll得到的第一差D1的第一绝对值B1小于公差角α_T。同时由所述第一圆周角α₁减去由电机的极距角α_P乘以第二奇数的自然数U2得到的第二乘积α_konv得到的第二差D2的第二绝对值B2大于所述公差角α_T。所述公差角α_T可以小于8°，尤其小于4°，尤其小于2°，尤其小于1°。

借助于上面的尺寸设计规则，本领域的技术人员比如可以借助于表格核算程序来计算表格，该表格对于多个由预先给定的公差角α_T、片数k、极数2p、第二奇数的自然数U2和极距角α_P构成的多元组来说分别说明用于所述第一圆周角α₁的角度公差范围。出于节约篇幅的原因而不附上内容丰富的用表格形式的一览，接下来要注意的是：尤其对于所谓的“偶然的先行认识（zufälligen Vorwegnahme）”这种情况来说，所有能够借助于上面的尺寸设计规则计算的角度公差范围不仅在其总体上视为已经得到公开，而且能够如此计算的角度公差范围的每个单个的公差范围（至少隐含地）本身也视为得到公开。

电机上的载荷可以是机械的载荷，而同时驱动装置则是电气的驱动装置（电动机运行）。作为替代方案或者补充方案，所述电机可以以机械方式来驱动，而同时电机上的载荷则是电气的载荷（发电机运行）。

Claims (13)

1. 电机，尤其是电动机，其中所述电机具有第一数目（k）的换向器片（10、12、14）以及电刷（16、18），其中所述换向器片（10、12、14）以沿圆周方向均匀分布的方式布置在换向器片支座（24）的圆周上，其特征在于，如此布置所述电刷（16、18），从而为了在使用波形绕组和多个数量小于所述电机的极数（2p）的电刷（16、18）时降低电流波度而尽可能均匀地分布换向时刻。

2. 按权利要求1所述的电机，尤其是电动机，其特征在于，所述电刷（16、18）包括第一电刷对（16、18），其中在所述第一电刷对（16、18）的电刷（16、18）中的第一电刷（16）的第一径向轴线（20）与所述第一电刷对（16、18）的电刷（16、18）中的第二电刷（18）的第二径向轴线（22）之间存在着第一圆周角α₁，该第一圆周角α₁的绝对值abs（α₁）以不大于公差角 α_T的幅度偏离电刷额定角距

α_soll=（360°/2k）（2·floor（U2·（k/2p））+1）

其中U2是奇数的自然数，abs（）是绝对值函数，floor（）是取整函数并且α_T是公差角，该公差角小于8°，尤其小于4°，尤其小于2°，尤其小于1°。

3. 按权利要求2所述的电机，其特征在于，abs（abs（α₁）-α_P·U2）>α_T，其中α_P是所述电机的极距角。

4. 按权利要求1到3中任一项所述的电机，尤其是电动机，其特征在于，其中所述电机具有第一数目（k）的换向器片（10、12、14）以及电刷对（16、18），其中所述换向器片（10、12、14）以沿圆周方向均匀分布的方式布置在换向器片支座（24）的圆周上，其中所述电刷（16、18）中的第一电刷（16）的第一径向轴线（20）与所述电刷（16、18）中的第二电刷（18）的第二径向轴线（22）在其之间围成第一圆周角（α₁），其特征在于，

由所述第一圆周角（α₁）减去由所述电机的片分度角（α_k）的一半（α_k/2）与第一奇数的自然数（U1）得到的第一乘积（α_soll）得到的第一差（D1）的第一绝对值（B1）小于公差角（α_T），其中所述第一奇数的自然数（U1）等于一加上由第二奇数的自然数（U2）乘以由所述电机的极距角（α_P）除以片分度角（α_K）得到的商数（Q）得到的向下圆整到整数（[P3]）的第三乘积（P3）的两倍（2[P3]），

其中由所述第一圆周角（α₁）减去由所述电机的极距角（α_P）乘以所述第二奇数的自然数（U2）得到的第二乘积（α_konv）得到的第二差（D2）的第二绝对值（B2）大于所述公差角（α_T），

其中所述公差角（α_T）小于8°，尤其小于4°，尤其小于2°，尤其小于1°。

5. 按权利要求2到4中任一项所述的电机，其特征在于，所述第二奇数的自然数（U2）的向上圆整到整数（[（U2/2）+（1/2）]）的一半（U2/2）小于或者等于所述极数（2p）的向上圆整到整数（[（p/2）+（1/2）]）的四分之一（p/2）。

6. 按权利要求4或5所述的电机，其特征在于，所述第一差（D1）是正数或负数。

7. 按权利要求4到6中任一项所述的电机，其特征在于，所述第一商数（Q1）的两倍（2Q1）不是自然数。

8. 按权利要求1到7中任一项所述的电机，其特征在于，所述极数（2p）小于11，尤其小于9，尤其小于7。

9. 按权利要求1到8中任一项所述的电机，其特征在于，所述换向器片数目（k）小于27，尤其小于25，尤其小于23，尤其小于21，尤其小于19，尤其小于17，尤其小于15。

10. 按权利要求2到9中任一项所述的电机，其特征在于，所述第二奇数的自然数（U2）小于10，尤其小于8，尤其小于6，尤其小于4，尤其小于2。

11. 按权利要求4到10中任一项所述的电机，其特征在于，所述第一奇数的自然数（U1）等于五并且所述第二奇数的自然数（U2）等于一，尤其其中所述第一乘积（α_soll）等于64.3°或者等于34.6°。

12. 按权利要求1到11中任一项所述的电机，其特征在于，所述电机的转子（24）和/或定子具有波形绕组尤其单圈的波形绕组。

13. 按权利要求1到12中任一项所述的电机，其特征在于，所述电机是伺服电动机或者刮水器电动机。

Images