CN104885346A - 用于确定电机的转子位置和转速的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电刷换向的电机（2），包括：带有布置在转子极（6）上的转子线圈（7）的转子（5）；带有换向片（8）和两个电刷（10）的换向器（9），所述换向片与所述转子线圈（7）电连接，所述电刷彼此错开地布置，从而所述电刷（10）在所述转子（5）运动时交替地换向；带有布置在周向上的定子极（11）的定子（4），所述定子极至少部分地设置有定子磁体（3），其中，定子极（11）如此构造和/或布置，使得通过所述定子极在周向上产生的交替的定子磁场取决于各定子极（11）的极方向地不同地形成。

Description

用于确定电机的转子位置和转速的方法和设备
技术领域
本发明涉及电刷换向的电机，特别地涉及用于确定电机的转子位置或转速的方法。
背景技术
已经已知电刷换向的电动马达用作用于直流电应用的伺服马达。因此，例如在机动车中，电刷换向的电动马达用作用于座椅调节器、车窗玻璃升降器、滑动天窗系统等的驱动马达。通常的构造是四极和六极永磁体励磁的直流伺服马达，其具有带有两个电刷的换向器。
在此类电动马达运行时，由于换向过程而在供电线上产生了电流波纹（Stromwelligkeit）。电流波纹对应于周期性的、取决于电动马达的转速的信号，所述信号的基频取决于换向片的数量。电流波纹可以在无传感器的系统中用于检测马达转速和转子位置。
根据电动马达的极数和换向器的换向片的数量，在电刷同时换向时产生了特别高的电流波纹，所述电流波纹的主级次（Hauptordnung）（基频）由换向片的数量和电动马达的当前转速得到。替代地，电刷也可以布置为使得所述电刷交替地换向，由此得到了较不显著的电流波纹，其主级次对应于换向片数量的多倍，通常在电刷的交错量是n+1/2个换向片时对应于主级次的两倍。在此，在通过换向片数量预先给定的级次中几乎不存在可检测的电流波纹。
为保持低的电磁力激励和与之相关的小的噪声污染，有利的是将换向片的数量和转子极的数量选择为使得电刷交替地换向。这由于特别是在换向片数量的级次下小的电流波纹而不适合于在如下的控制设备上运行，即所述控制设备使用电流波纹来检测电动马达的转速和/或转子位置。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法和一种设备，利用该方法和设备可以以改进的方式检测带有交替换向的电刷的电动马达的转速和/或转子位置。
此目的通过根据权利要求1的用于检测电机的转速和/或转子位置的方法以及根据独立权利要求的马达系统来实现。
本发明的其他有利的设计方案在从属权利要求中给出。
根据第一方面提供了电刷换向的电机，其包括：
-带有布置在转子极上的转子线圈的转子；
-带有换向片和两个电刷的换向器，所述换向片与转子线圈电连接，所述电刷彼此错开地布置，从而电刷在转子运动时交替地换向；
-带有布置在周向上的定子极的定子，所述定子极至少部分地设置有定子磁体，
其中，定子极如此构造和/或布置，使得通过所述定子极在周向上产生的交替的定子磁场取决于各定子极的极方向不同地形成。
以上方法的构思在于，定子极在电刷换向的电机中特别是在电动马达中不同地构造有交替换向的电刷，从而所述定子极引起交替的不同地形成的磁场。磁场可以在形式、范围和强度上不同。
由此实现了，电流波纹的、通过交替换向的电刷而通常被抑制的主级次在由换向片的数量和当前转速所确定的频率中不那么强地被抑制（unterdrückt）。采用该种方式使得具有主级次的频率的电流波纹的份额保持在由换向片数量所确定的频率范围内，从而使得所述份额保持适合于评估转速和/或转子位置。采用该种方式可以利用常规的马达控制设备来检测电动马达的转速和/或转子位置，而不必放弃由利用错开的电刷进行换向所得到的优点。
特别地，定子极的不同设计导致在正电刷和负电刷上换向的转子线圈内所感应的电压变得不同。在正电刷和负电刷上的电流特性曲线由此也不同，且电流特性曲线的、通过交替的换向所导致的相移的叠加因此导致电流波纹在由换向片数量所确定的频率的主级次下降低的衰减（Abschwächung）。
此外，定子磁体可以布置在交替极结构（Folgepolanordnung）中，其中，在各两个相邻的定子磁体之间设置未构造有磁体的、被动的（passive）定子极，所述定子极与定子的接地区（Rückschlussbereich）联接（gekoppelt）。
替代地或附加地，定子磁体可以取决于所属的定子极的极化方向（Polungsrichtung）构造有不同的磁场强度。
此外，定子极可以取决于其极化方向构造有不同的切向宽度。
根据一种实施方式，在周向上相邻的定子极具有彼此相反的极方向。
此外，电刷可以相对于换向片在周向上以换向片之一的n+1/2个切向宽度的交错量布置，其中，n是整数。
根据另一方面，提供了带有以上电机和控制设备的马达系统，所述控制设备被构造用于通过评估流过电机的马达电流的电流波纹来确定转子位置和/或转速。
附图说明
本发明的优选实施方式在下文中根据附图详细解释。在附图中：
图1为具有马达控制设备和电动马达的马达系统的示意图；并且
图2a和图2b示出了用于提供定子极的可行方案，所述定子极用于产生取决于极化方向的不同的定子磁场。
具体实施方式
图1为具有电动马达2作为电机的马达系统1的示意图。电动马达2是电刷换向的直流马达，其具有设置有一个或多个永磁体3的定子4和在定子4内部中可旋转地支承的转子5（Rotor）。
定子4构造为带有定子极11，所述定子极在定子4的内部中引起由于永磁体3（定子磁体）所导致的定子磁场，所述定子磁场沿周向交替。在本实施例中，电动马达2构造为带有四个定子极11。替代的实施方式也可以设置多于四个定子极11，设置例如六个定子极。
转子5在图示的实施例中具有十个转子极6（转子齿），所述转子极分别由转子线圈7围绕。转子线圈7分别与换向器9的两个换向片8电连接。借助于布置在换向器9上的电刷10，换向片8且由此转子线圈7被电接触且流过以供电电压UVers。
电刷10如此布置，使得转子线圈的换向通过换向片8在转子5旋转时交替地进行，即在电刷10的第一个在换向片8上方扫过期间，电刷10的第二个从另一个换向片8向相邻的换向片改变。换言之，沿换向器9的周向在两个电刷10之间的距离等于（n+1/2）个换向片。例如，在带有十个转子线圈7的构造方案中，所述转子线圈与十个换向片8连接，其中，特别地电刷在n=2时就以大致90度相互布置。
通过控制设备20使电动马达2运行，所述控制设备20借助于可调节的电压源21可以规定供电电压UVers的大小。特别地，可以通过规定供电电压UVers来调节电动马达2的转速和/或负载。替代地，例如在机动车中存在电池电压，所述电池电压特别地由于一定的环境条件而受到一定的波动。此外，可以借助于测量电阻22检测电动马达2内的马达电流Imot，且评估电子器件从马达电流信号的波度检测转子5的旋转角，且由此生成转子或待调节的部分的转速信号或位置信号。这例如可以在关闭机动车内的可运动部分时-特别是在升降车窗玻璃或移动天窗时-用于实现防夹保护功能，所述防夹保护功能优选地设置在马达控制设备20内。当然，也可以考虑其他用于检测马达电流Imot的设备。
在一种实施方式中例如可以规定：马达控制设备20取决于检测到的电动马达2的转速地调节供电电压UVers，例如以便用来执行转速调节。这可以通过脉冲宽度调制（PWM）来实现。
为了节省转速传感器，通常由马达电流Imot的电流波纹来检测转速。电流波纹在转子线圈7换向时因为转子线圈7运动通过由永磁体3引起的磁场由电刷10形成。马达电流Imot的电流波纹的主级次的频率直接由换向片的数量和转速确定，其中，通过电刷10的错开的布置，主级次的频率是无错开的电刷10情况下的主级次频率的二倍。通过电刷10相对于换向片的错开的布置而导致的电流波纹的提高的频率和降低的幅值更难通过马达控制设备20检测到。
为提高主级次内的电流波纹，现在规定：如此不同地设计定子极，使得该定子极提供带有不同的磁场强度的磁场。特别地，相邻的定子线圈的磁场强度可以以交替的方式较强和较弱地调整。
这对于图1的实施例可以通过如下方式实现，即将永磁体3构造有不同的切向宽度，从而在周向上交替地布置切向上更宽的永磁体3和切向上更窄的永磁体3。
此外，替代地或附加地，永磁体3可以构造有不同的磁化件或构造有不同的磁性材料。特别地，在相同的切向尺寸的情况下，以S极指向转子5的永磁体3可以提供比以N极指向转子5的永磁体3更强的磁化，或者反之亦然。相应的电动马达在图2a中示出。
根据在图2b中示出的布置，这也可以通过定子极11的交替极结构来实现。在交替极结构中，仅每第二个定子极11设置有永磁体3，且各处在其间的定子极11通过被动的极靴构造为交替极15。交替极15由导磁的材料构成且与定子4的接地区导磁地连接。特别地，交替极15可以与定子4的接地区一体地构造。为此，例如被动的极靴由极罐的壁材料形成，所述被动的极靴特别地被拱形地构造。
优选地如此构造交替极15，使得通过其所提供的在转子5的方向上引起的定子磁场具有与由永磁体3形成的定子极11不同的磁场强度。

Claims (10)

1. 一种电刷换向的电机（2），其包括：
-带有布置在转子极（6）上的转子线圈（7）的转子（5）；
-带有换向片（8）和两个电刷（10）的换向器（9），所述换向片与所述转子线圈（7）电连接，所述电刷彼此错开地布置，从而所述电刷（10）在所述转子（5）运动时交替地换向；
-带有布置在周向上的定子极（11）的定子（4），所述定子极（11）至少部分地设置有定子磁体（3），
其特征在于，
所述定子极（11）如此构造和/或布置，使得通过所述定子极产生的定子磁场取决于各定子极（11）（N极-S极）的不同极方向地不同地形成。
2. 根据权利要求1所述的电机，其中，所述定子磁体（3）布置在交替极结构中，其中，在各两个相邻的定子磁体（3）之间设置未构造有永磁体的被动的定子极（11）作为交替极，所述定子极与所述定子（4）的接地区联接-并且特别地所述交替极由导磁的极罐的壁区域形成。
3. 根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述定子极（11）取决于其极化方向地构造有不同的磁场强度，特别地由不同的材料构造而成。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的电机，其中，所述定子极（11）取决于其极化方向地具有不同的几何形状，特别地构造为相对于转子轴具有不同的切向宽度。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的电机，其中，在周向上相邻的定子极（11）具有彼此相反的极方向（N极-S极），且特别地在径向方向上被磁化。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的电机，其中，所述电刷（10）相对于-优选十个-换向片（8）在周向上以换向片（8）之一的n+1/2个切向宽度的错开量布置，优选地以大致90度或大致180度地布置，其中，n为整数，优选地为2。
7. 带有根据权利要求1至6中任一项所述的电机和控制设备（20）的马达系统，所述控制设备（20）被构造用于通过评估流过所述电机（2）的马达电流的电流波纹来确定转子位置和/或转速。
8. 带有根据权利要求1至7中任一项所述的电机的马达系统，其中，在与不同的定子磁体（3）相互作用时在负电刷和正电刷（10）之间的线圈内感应的电压是不同的。
9. 带有根据权利要求1至8中任一项所述的电机的马达系统，其中，在与不同的定子磁体（3）相互作用时在所述负电刷和正电刷（10）之间的转子线圈（7）内产生的马达电流也是不同的，且由此电流特性曲线的、通过交替的换向所导致的相移的叠加不再如在相同类型的定子磁体（3）的情况下那么强烈地降低换向片数量的级次下的电流波纹。
10. 带有根据权利要求1至9中任一项所述的电机的马达系统，其中，在所述转子线圈（7）与不同的定子磁体（3）在所述定子磁体（11）的相应角度范围上相互作用时，在换向时所产生的且测量到的马达电流的纹波电流具有不同的最大幅值，和/或所述纹波电流的幅值在所述转子（5）的一整转中不周期性地均匀改变。
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