CN112421921A - 用于直流励磁的有刷的不对称电机的降噪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直流励磁的不对称有刷电机，其具有：电机轴；换向器，其具有沿环周方向设置的叠片；电枢，其具有电枢齿和电枢槽，在电枢槽中设有用于构成线圈的电枢绕组；至少一个电刷对，其对用于为线圈供应电流并且具有两个贴靠在叠片上的电刷；和在转子中的一定数量n的永磁体，所述永磁体用于形成磁场，n是2的多倍且大于2，电枢齿的数量不等于永磁体的数量n的多倍，并且在电刷对的两个电刷之间的位置角小于等于90°并且不等于在两个沿环周方向直接彼此相继的叠片之间的位置角的多倍，叠片宽度(x)、缝隙宽度(y)和电刷宽度(z)选择为，使得在转子转一整圈时仅出现第一和第二线圈状态，并且存在至少9:1的时间上的划分比(T)。

Description

用于直流励磁的有刷的不对称电机的降噪
技术领域
本发明涉及一种直流励磁的有刷的不对称电机，其具有权利要求1前序部分的特征。
背景技术
在换向器电机中，由电流供应装置或控制装置经由电刷提供电流，电刷贴靠在分成多个叠片的用于电流换向的换向器上。叠片在换向器的环周上彼此分离并且在由电枢绕组、电机轴和换向器构成的转子转动时经由电刷相应地彼此相继地通电。在此，每个电刷从一个叠片出发接着到达两个叠片之间的分离的中间区域或者说槽上，其中，该电刷同时接触导通并且短接或者说跨接两个相邻的叠片，这导致电流信号中的改变。槽纹波通过叠片数量和切换状态限定。
已知使用带有两个电刷的不对称四极直流电机，这两个电刷具有90°的位置角。不对称电机可理解为，相应于电枢齿数量的叠片数量不等于定子极数的整数多倍。在该实施方式中，沿环周方向对置的叠片互相电连并且相应的线圈被短接，由此仅需两个电刷。碳刷永远不会同时具有相同的叠片重叠，也就是说在电刷对的两个电刷之间的位置角和在两个沿环周方向彼此相继的叠片之间的位置角的比例不是整数。对于两个电刷而言例如存在这样的线圈状态，在该线圈状态时，第一电刷与一个唯一的叠片重叠，而第二电刷将两个叠片换向，即两个电刷同时靠置在不同多的叠片上。在此，在电枢旋转期间不仅偶数个而且奇数个换向叠片可以出现。通常，接通时会出现具有低电阻的中间或低欧姆状态，这会导致高电流峰值。这些是不希望的，因为它们会导致噪音。
发明内容
本发明的目的在于，给出一种直流励磁的有刷的不对称电机，其具有降噪，该降噪不显著妨碍电机性能。
该任务由具有权利要求1特征的直流励磁的有刷的不对称电机来实现。在从属权利要求中提到本发明有利的扩展方案。
据此，直流励磁的有刷电机具有：
电机轴；
换向器，该换向器具有沿环周方向设置的一定数量的叠片，所述叠片具有相同的叠片角，其中，在两个沿环周方向彼此相继的叠片之间设有相同的缝隙宽度；
电枢，该电枢具有一定数量的电枢齿和电枢槽，电枢齿和电枢槽的数量相应于叠片的数量，其中，在电枢槽中设有用于构成线圈的电枢绕组；
至少一个电刷对，该电刷对用于为线圈供应电流并且具有两个贴靠在叠片上的电刷；和
在转子中的一定数量的永磁体，所述永磁体用于形成磁场，其中，该数量是2的多倍且大于2(即4、6、8、..)，其中，线圈和换向器安装在电机轴上作为可转动的转子，并且，电枢齿的数量不等于永磁体的数量的(整数)多倍(即不对称电机)。
在电刷对的两个电刷之间的位置角小于等于90°并且不等于在两个沿环周方向直接彼此相继的叠片之间的位置角的多倍，其中，叠片宽度、缝隙宽度和电刷宽度选择为，使得在转子转一整圈时仅出现第一和第二线圈状态，其中，当所述至少一个电刷对的两个电刷之一将两个相邻的叠片短接并且所述至少一个电刷对的另一个电刷贴靠在一个单独的叠片上时，存在第一线圈状态，并且当所述至少一个电刷对的两个电刷分别贴靠在一个单独的叠片上时，存在第二线圈状态，并且，在转子转一整圈时最多90％的时间存在第一线圈状态并且至少10％的时间存在第二线圈状态，从而存在至少9:1的时间上的划分比。
可占据的两个线圈状态具有减少的纹波，从而电机在运行中显著降噪。优选划分比为至少8:2。通常，第二线圈与第一线圈的比值越大，则噪声越少。
电刷优选具有相同的电刷宽度。但也可考虑，电刷对的电刷的电刷宽度不同，然而这导致显著更大的结构耗费并且引起更高的成本。
电机例如可以是四极电机，其具有两个连接的两极电机。该电机可以具有四个电刷，它们每隔90°对称排列。对于多个电刷对而言，它们优选轴对称地镜像，亦即对于四个电刷而言，对置的电刷配备有相同的极性并且具有相同的叠片重叠。然而也可以仅使用两个电刷，如果电枢线圈分别与对置的电枢线圈短接的话。对于六电极电机，可以使用三个电刷对，等等。所描述电机可根据需要进行扩展。
在一种优选实施方式中，设有一个唯一的电刷对，其具有两个电刷，这两个电刷以彼此90°的位置角设置在换向器上。在此优选，当两个电刷之一短接两个相邻的叠片并且第二电刷贴靠在单独的叠片上时，存在第一线圈状态，并且当两个电刷分别贴靠在一个单独的叠片上时，存在第二线圈状态。永远不会占据其中一共有四个叠片短接的线圈状态。优选磁场是四极的。
划分比(T)通常优选通过
Figure BDA0002643034320000031
获得，其中，T3是用于第一线圈状态的重叠率并且通过
Figure BDA0002643034320000032
获得，其中，
Figure BDA0002643034320000033
Figure BDA0002643034320000034
并且b<a，其中，β是叠片角，γ是缝隙角并且δ是电刷角。
电机优选定尺寸为，其叠片的宽度处于2.5mm至10mm之间的范围内，两个叠片之间的缝隙宽度处于0.2mm至0.8mm之间的范围内和/或电刷的宽度处于1.5mm至4mm之间的范围内。
在一种有利的实施方式中，电机是内转子电机，该内转子电机的包括电枢、换向器和电机轴的转子设置在磁极内。优选叠片数量是十并且电刷对数量是一。
此外，设有用于机动车天窗的调节系统，其中，所述调节系统具有上述的直流励磁的有刷的电机。
附图说明
本发明的优选实施方式接下来借助附图详细阐述。同类或同作用的构件在图中用相同附图标记标示。其中，
图1示出直流励磁的有刷的不对称电机的示意图，
图2示出图1中的电机的绕线方案，
图3示出在中间换向和强换向情况下的电枢电流与时间的关系图，
图3a示出在中间换向和弱换向情况下的电枢电流与时间的关系图，
图4示出直流励磁的有刷电机的示意图，以及
图5示出电机几何结构的示意图，用于描述换向比。
具体实施方式
在图1中示出不对称电动机1，其具有定子2和转子3，其中，转子3具有电机轴4、带有电枢齿和电枢槽的电枢和换向器6并且围绕旋转轴线100旋转，电枢槽承载用于构成线圈5的电枢绕组。定子2包括两个极对和一个未示出的极罐，它们形成四个永久励磁的定子极7。存在内转子电机。在四极电机1的换向器6上沿环周方向均匀分布地设有十个相同成形的叠片8。两个电刷9以相对于旋转轴线的90°位置角α贴靠在叠片8上。两个电刷9形成一个电刷对。电动机的绕线方案在图2中可见。设有两个层。每两个沿环周方向彼此相继的电枢齿(数字显示在方框中)相继被缠绕并且与在圆中示出的叠片连接。第二层具有一个电枢齿的错位量。相应沿环周方向对置的叠片还互相电连，从而电动机集合两个电机，它们产生一个共同的转矩。向两个电刷9上由未示出的控制装置施加直流电压，例如作为PWM信号施加，从而产生电流I。叠片-电刷系统因此以已知方式用作换向器电机1的机械换向。叠片8均匀地在换向器6环周上分布地设置，其中，电刷9在转子转动运动时在转子上滑动。因此，每个电刷9周期性地到达两个叠片8之间的槽8a或中间空间上。电刷9构成有贴靠面10，其大于槽8a，从而电刷9可以短时短接相邻的叠片8。电刷9在相邻叠片8之间的过渡导致形成带有槽纹波(Nutfrequenz)的电流纹波(Stromrippeln)。电机1具有电刷与叠片的不对称重叠(不同的换向器重叠)。在图1所示的换向状态中，第一电刷9与一个唯一的叠片8重叠，而第二电刷9短接两个叠片8。这形成所谓的中间线圈状态；两个线圈5短接并且其余线圈5均匀通电，其中，每个所述线圈5的电流水平是1。
这样的直流励磁的有刷不对称电机独立于槽的数量而一共具有三个不同的线圈状态：弱线圈状态、中间线圈状态和强线圈状态。这能够根据电枢上的总电阻以及由此导致的电流纹波而识别。根据电机所处的实时状态而将现有线圈5不同程度地通电。这确保不同强度的磁力，由此又产生电枢和永磁体/定子之间的不同强度的排斥。这些排斥产生振动噪声，其影响槽纹波及其倍数。
在强线圈状态(低欧姆电阻)中，将四个叠片8换向并且相应地将四个线圈5短接。四个其它的线圈5均匀地以电流水平1通电并且其余两个线圈5较强地以电流水平2通电。较强通电的线圈5产生高的电流纹波。
当电刷具有相比于叠片宽度的狭窄接触面时，弱线圈状态(高欧姆电阻)在旋转时作为过渡状态出现。在该状态中，仅将两个叠片8换向并且因此将四个线圈5均匀地以电流水平1通电。六个其它的线圈5较弱地分别以电流水平2/3通电。
通常，较弱通电的线圈5产生较低的电流纹波。因为强线圈状态的电流纹波是中间线圈状态的电流纹波的两倍，所以这须加以避免，以实现降噪。弱状态的电流纹波比中间状态的电流纹波弱1/3。
有刷的直流电机必须在旋转期间经历至少两个线圈状态，其中，始终生成标准状态中值(Standardzustand Mittel)。弱和强线圈状态可以通过叠片宽度、缝隙宽度和电刷宽度的几何调整来选择。为了在减噪方面优化槽纹波，本发明规定，电机尽可能久地处于弱线圈状态并且从不占据强线圈状态。
无关于实时线圈状态，电枢中的总能量保持不变。因此，直流电机可以产生所希望的力矩并且尽管如此依然减少槽纹波的振动噪声。
图3示出在中间和强线圈状态情况下的直流励磁的有刷不对称电机的电枢电流IA的时间曲线。图3a相比于此示出在中间和弱线圈状态情况下的直流励磁的有刷不对称电机的电枢电流IA的时间曲线。
中间和弱线圈状态11的电流信号具有显著更小的振幅。箭头12示出两条曲线的最大值之间的差异。曲线下的面积因此在中间和弱线圈状态时显著小于中间和强线圈状态13的电流信号的曲线下的面积。曲线下的面积是线圈状态的相应能量，即在中间和弱线圈状态时各单个线圈的磁化显著更柔和，减少了对定子的反作用力，减小了槽纹波的振动噪声。曲线下的面积由相继排列的线圈状态组成。在中间和弱线圈状态11之间的变换的时间曲线中，在电枢电流达到最大值后，出现电流骤降。该骤降如下形成，即，电刷越过换向器槽并且遇到新的叠片。在该状态下，在碳上的振动可能导致碳“弹起”，并在很短的时间内造成仅部分地(虚假的弱状态，尽管实际上可能还是“中间”状态)或根本没有触及换向器。在图1的示例中，从一个叠片到下一个叠片的完全变换是转子绕旋转轴线旋转36°。每次叠片变换，电机切换四个线圈状态。
在图4和5中示出直流励磁的有刷电机的示意图，其用于限定线圈状态或换向的时间上的划分比，也称为换向比。换向器6的在接触面区域中的直径(换向器外径)为Da。电机1的沿环周方向相对于转子旋转轴线在接触面上的叠片宽度为x，其相应于叠片角β
Figure BDA0002643034320000061
在每两个叠片之间设有缝隙宽度y，其相应于缝隙角γ
Figure BDA0002643034320000062
电刷的沿相对于转子旋转轴线的环周方向在接触面上的宽度为z，其相应于电刷角
Figure BDA0002643034320000063
两个电刷沿旋转轴线的环周形成位置角α。
电机部件按照本发明定尺寸为，使得从不达到强线圈状态。
中间线圈状态与弱线圈状态的划分比T在不对称换向时并且两个电刷具有α＝90°时由下述关系式获得：
Figure BDA0002643034320000071
其中，T3是用于与三个叠片重叠的重叠率(中间状态)并且通过
Figure BDA0002643034320000072
得出，其中，
Figure BDA0002643034320000073
在此，b<a，从而仅两个或三个叠片与电刷重叠。与四个叠片的重叠在此被排除在外。
优选中间线圈状态与弱线圈状态在转子转一整圈时的划分比T至少为9:1，即在最高90％的电枢转上电机处于中间状态，在至少10％的电枢转上电机处于弱状态。划分比9:1因此间接地与时间有关，在该时间中，一种状态相比于另一种状态在使用。不存在强线圈状态。
在此特别优选，每次叠片变换所切换的四个线圈状态中有几个是弱的，并且弱线圈状态的比例高。因此，可以将干扰噪声降至最低。
电机优选定尺寸为，使得x处于2.5mm至10mm之间的范围内，y处于0.2mm至0.8mm之间的范围内，并且z处于1.5mm至4mm之间的范围内。
借助通过合适选择碳刷宽度实现的换向器重叠的上述调整，可实现槽纹波的降噪，同时可实现电刷系统的保持不变的稳定性。不对称电机从3/4换向到2/3换向的电机换向得以优化，以实现更好的线圈切换(Spulenschaltung)。调整因此在精细范围内进行。

Claims (11)

1.直流励磁的有刷的电机(1)，具有：
电机轴(4)；
换向器，该换向器具有沿环周方向设置的一定数量的叠片(8)，所述叠片具有相同的叠片角(β)，其中，在每两个沿环周方向彼此相继的叠片(8)之间设有相同的缝隙宽度(y)；
电枢，该电枢具有一定数量的电枢齿和电枢槽，电枢齿和电枢槽的数量相应于叠片的数量，其中，在电枢槽中设有用于构成线圈(5)的电枢绕组；
至少一个电刷对，该电刷对用于为线圈(5)供应电流并且具有两个贴靠在叠片(8)上的电刷(9)；和
在转子中的一定数量n的永磁体，所述永磁体用于形成磁场，其中，n是2的多倍且大于2，其中，线圈(5)和换向器(6)安装在电机轴(4)上作为可转动的转子，并且，电枢齿的数量不等于永磁体的数量n的多倍，
其特征在于，在电刷对的两个电刷(9)之间的位置角(α)小于等于90°并且不等于在两个沿环周方向直接彼此相继的叠片(8)之间的位置角的多倍，其中，叠片宽度(x)、缝隙宽度(y)和电刷宽度(z)选择为，使得在转子转一整圈时仅出现第一和第二线圈状态，其中，当所述至少一个电刷对的两个电刷(9)之一将两个相邻的叠片(8)短接并且所述至少一个电刷对的另一个电刷(9)贴靠在一个单独的叠片(8)上时，存在第一线圈状态，并且当所述至少一个电刷对的两个电刷(9)分别贴靠在一个单独的叠片(8)上时，存在第二线圈状态，并且，在转子转一整圈时最多90％的时间存在第一线圈状态并且至少10％的时间存在第二线圈状态，从而存在至少9:1的时间上的划分比(T)。
2.按照权利要求1所述的直流励磁的有刷的电机，其特征在于，所述划分比(T)至少是8:2。
3.按照权利要求1或2所述的直流励磁的有刷的电机，其特征在于，沿环周方向对置的叠片(8)互相电连。
4.按照上述权利要求中任一项所述的直流励磁的有刷的电机，其特征在于，所述电机具有一个唯一的电刷对，该电刷对带有两个电刷(9)，所述两个电刷以彼此90°的位置角(α)设置在换向器(6)上。
5.按照权利要求4所述的直流励磁的有刷的电机，其特征在于，当两个电刷(9)之一短接两个相邻的叠片(8)并且第二电刷(9)贴靠在一个单独的叠片(8)上时，存在第一线圈状态，并且当两个电刷(9)分别贴靠在一个单独的叠片(8)上时，存在第二线圈状态。
6.按照上述权利要求中任一项所述的直流励磁的有刷的电机，其特征在于，定子的磁场为四极的。
7.按照上述权利要求中任一项所述的直流励磁的有刷的电机，其特征在于，所述划分比(T)通过
Figure FDA0002643034310000021
得出，其中，T3是用于第一线圈状态的重叠率并且通过
Figure FDA0002643034310000022
得出，其中，
Figure FDA0002643034310000023
Figure FDA0002643034310000024
并且b<a，其中，β是叠片角，γ是缝隙角并且δ是电刷角。
8.按照上述权利要求中任一项所述的直流励磁的有刷的电机，其特征在于，叠片(8)的宽度(x)处于2.5mm至10mm之间的范围内，两个叠片之间的缝隙宽度处于(y)处于0.2mm至0.8mm之间的范围内和/或电刷的宽度(z)处于1.5mm至4mm之间的范围内。
9.按照上述权利要求中任一项所述的直流励磁的有刷的电机，其特征在于，电机是内转子电机，该内转子电机的包括电枢、换向器(6)和电机轴(4)的转子设置在磁极(7)内。
10.按照上述权利要求中任一项所述的直流励磁的有刷的电机，其特征在于，叠片的数量是十。
11.用于机动车天窗的调节系统，其中，所述调节系统具有按照上述权利要求中任一项所述的直流励磁的有刷的电机。
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