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Die
Erfindung betrifft einen Kommutator für einen Elektromotor und eine
Vorrichtung zum Messen der Drehung einer Rotorwelle eines Elektromotors über diesen
Kommutator.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung einen Elektromotor, der zum Antrieb von Geräten in einem Kraftfahrzeug
ausgelegt ist, wie zum Beispiel einem Motor eines Fensterhebers,
eines Schiebedachs oder einer Sitzbetätigung.
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Das
Dokument
FR 2,814,868 offenbart
einen solchen Elektromotor mit einem Kommutator.
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Ein
herkömmlicher
Kommutator 10 ist in 1 veranschaulicht.
Er umfasst einen rohrförmigen
Tragring 11 aus einem Isoliermaterial wie zum Beispiel
Kunststoff. Der Tragring 11 ist von mehreren Metallsegmenten 18 umgeben,
die entlang seines gesamten Umfangs angeordnet sind. Der Tragring 11 kann
Kerben aufweisen, welche die Metallsegmente 18 aufnehmen.
Diese Kerben können
so ausgelegt sein, dass zwischen jedem Paar von benachbarten Segmenten 18 eine
Rippe 14 bestehen bleibt. Die Segmente 18 sind
folglich durch das zentrale Tragelement 11 und die Rippen 14 perfekt
gegeneinander isoliert. Der Tragring 11 kann zum Beispiel
direkt aus Kunststoffmaterial in der geeigneten Form gegossen oder
maschinell bearbeitet sein. Die Metallsegmente 18 umfassen
außerdem
Hakenelemente 13, die an einem Ende jedes Segments ausgebildet
sind. Diese Hakenelemente erlauben die anschließende Verbindung der Kommutatorsegmente
mit den Rotorwicklungen.
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Ein
Elektromotor umfasst im Allgemeinen ein Statorgehäuse und
einen in dem Stator drehbar gelagerten Rotor. Der Motor umfasst
außerdem
in die Rotorwelle integrierte Wicklungen, wobei jede Wicklung über die
Hakenelemente mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Segmenten des
Kommutators elektrisch verbunden ist.
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Der
Kommutator ist im Allgemeinen in einem einstückig mit dem Stator ausgebildeten
Kommutatorgehäuse
angeordnet. Ein solches Gehäuse
umfasst ein Tragelement mit einer mittigen Öffnung, die dafür ausgelegt
ist, den Kommutator aufzunehmen, und die eine Durchführung der
Rotorwelle durch das Tragelement des Gehäuses erlaubt. Das Tragelement
besteht aus einem Isoliermaterial wie zum Beispiel Kunststoff.
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Das
Kommutatorgehäuse
umfasst außerdem
mindestens zwei Bürsten,
die einander relativ zu dem Kommutator diametral gegenüberliegen
und dafür
ausgelegt sind, die Segmente des Kommutators bei dessen an die Rotorwelle
gekoppelter Drehung zu berühren.
Die Bürsten
sind mit einer Stromzufuhr elektrisch verbunden und dafür ausgelegt,
die Statorwicklungen mit Strom zu versorgen.
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Außerdem ist
es bei einem Elektromotor notwendig, die Drehzahl der Rotorwelle
zu steuern und jederzeit ihre Drehzahl, Drehrichtung sowie Winkelposition
zu kennen. Diese Informationen sind insbesondere notwendig für die Elektronik,
die im Allgemeinen zu einem Fensterhebermotor gehört, die
Anwendungen im Zusammenhang mit dem Fensterheber ausführt, wie
zum Beispiel einen Einklemmschutz, eine Funktion zum Fortsetzen
des Hebevorgangs, eine Funktion zur Verlangsamung am Ende des Hubwegs
oder dergleichen.
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Zur
Ermittlung der Drehzahl der Rotorwelle des Motors ist die Verwendung
eines Hall-Effekt-Sensors bekannt. Ein Magnetring ist auf der Rotorwelle angeordnet
und erzeugt ein sich drehendes Magnetfeld, dessen Drehung mit der
der Rotorwelle übereinstimmt.
Ein Hall-Effekt-Sensor ist im Allgemeinen dort in der Nähe angeordnet
und ermittelt die Drehzahl der Rotorwelle anhand der Polwechselfrequenz des
Magnetfelds. Der Hall-Effekt-Sensor kann weit entfernt von dem Magnetring
angeordnet sein, zum Beispiel auf einer Leiterplatte der zu dem
Elektromotor gehörigen
Elektronik, wobei Flussleitelemente den Magnetfluss von dem Ring
der Rotorwelle bis zu dem Sensor leiten. Eine solche Lösung ist
insbesondere aus der
EP 0,891,647 bekannt.
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Zur
Ermittlung der Drehrichtung der Rotorwelle oder ihrer Winkelposition
werden zwei Hall-Effekt-Sensoren verwendet, die den Magnetfluss
an getrennten Punkten des auf der Rotorwelle angeordneten Magnetrings
messen.
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Obwohl
die Hall-Effekt-Sensoren zuverlässige
Messungen liefern, ist ihre Verwendung mit Kosten und mit einer
aufwendigeren Motorkonstruktion verbunden.
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Tatsächlich ist
es, abgesehen von den Kosten für
den Sensor bzw. die Sensoren, notwendig, einen Magnetring auf der
Rotorwelle anzuordnen und fakultativ Flussleitelemente bereitzustellen,
was die Motorfertigung erschwert.
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Auch
muss darauf geachtet werden, dass der zum Messen der Rotorwellendrehung
verwendete Magnetfluss den Betrieb des Motors nicht stört und dass
die elektrischen Komponenten des Motors (Kommutatorbürsten, Statorwicklungen
oder sonstiges) diese magnetischen Messungen nicht stören.
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Folglich
besteht Bedarf an einer vereinfachten und doch zuverlässigen Vorrichtung
zum Messen der Drehung einer Elektromotorwelle.
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Zu
diesem Zweck beseitigt die Erfindung die Notwendigkeit der Verwendung
von Hall-Effekt-Sensoren und verwendet den Kommutator des Rotors zur
Durchführung
dieser Messungen hinsichtlich der Rotorwellendrehung verwendet.
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Folglich
stellt die Erfindung einen Kommutator für einen Elektromotor bereit,
der Folgendes umfasst:
- – einen Tragring;
- – mehrere
auf dem Umfang des Tragrings angeordnete leitende Segmente;
wobei
ein Teil der mehreren leitenden Segmente einen elektrisch isolierenden
Abschnitt aufweist.
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Gemäß einem
Merkmal sind die leitenden Segmente, die einen elektrisch isolierenden
Abschnitt aufweisen, entsprechend einer vordefinierten Codierung
auf dem Tragring verteilt.
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Mindestens
jedes zweite leitende Segment kann einen elektrisch isolierenden
Abschnitt aufweisen.
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Bei
einer Ausführungsform
weist jedes leitende Segment ein an einem Ende des Segments befindliches
leitendes Hakenelement auf, wobei sich der elektrisch isolierende
Abschnitt des Teils der mehreren leitenden Segmente an einem Ende
des jeweiligen Segments und gegenüber dem leitenden Hakenelement
befindet.
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Bei
einzelnen Ausführungsformen
kann der elektrisch isolierende Abschnitt des Teils der mehreren
leitenden Segmente durch den Tragring gebildet sein, kann aus einem
isolierenden Material bestehen, das die Segmente teilweise bedeckt,
und kann dadurch abgegrenzt sein, dass durch geeignete maschinelle
Bearbeitung des Segments die elektrische Leitung unterbrochen ist.
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Vorzugsweise
erstreckt sich der elektrisch isolierende Abschnitt des Teils der
mehreren leitenden Segmente über
einen 25% bis 55% der Segmentlänge
umfassenden Abschnitt.
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Es
wird außerdem
eine Vorrichtung zum Messen der Drehung der Rotorwelle eines Elektromotors
bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
- – einen
erfindungsgemäßen Kommutator,
wobei der Ring des Kommutators auf der Rotorwelle sitzt;
- – ein
Kommutatorgehäuse
mit mindestens drei Bürsten,
die mit den Segmenten des Kommutators in Kontakt kommen können;
wobei
mindestens eine der Bürsten
so angeordnet ist, dass sie mit den isolierenden Abschnitten eines Teils
der Kommutatorsegmente in Kontakt kommt.
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Die
Bürste,
die mit isolierenden Abschnitten der Kommutatorsegmente in Kontakt
kommt, kann parallel zu einer Stromversorgungsbürste angeordnet sein, wobei
die Bürste
zum Kontakt mit den isolierenden Abschnitten und die Stromversorgungsbürste gleichzeitig
mit demselben Segment des Kommutators in Kontakt stehen.
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Die
Vorrichtung kann ferner eine elektrische Messschaltung umfassen,
die mit der Bürste
zum Kontakt mit den isolierenden Abschnitten verbunden ist.
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Vorzugsweise
umfasst die elektrische Messschaltung eine Spannungsteilerbrücke und
kann die Spannung an den Anschlüssen
der Bürste
zum Kontakt mit den isolierenden Abschnitten messen.
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Vorzugsweise
kann die elektrische Messschaltung den in der Bürste zum Kontakt mit den isolierenden
Abschnitten fließenden
Strom messen.
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Die
Vorrichtung kann ferner eine Schaltung zur Verarbeitung der von
der elektrischen Messschaltung für
die mit den isolierenden Abschnitten in Kontakt stehenden Bürste gelieferten
elektrischen Messungen umfassen, wobei die Verarbeitungsschaltung die
Drehzahl und/oder Drehrichtung und/oder Winkelposition der Rotorwelle
anhand der elektrischen Messung ermitteln kann.
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Außerdem wird
ein Verfahren zum Messen der Drehung der Rotorwelle eines Elektromotors
bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- – Bereitstellen
einer Vorrichtung zum Messen der Drehung der Rotorwelle eines Elektromotors
gemäß der Erfindung;
- – Messen
eines elektrischen Werts, der die Position einer Bürste zum
Kontakt mit den isolierenden Abschnitten auf dem Kommutator darstellt;
- – Ermitteln
der Drehzahl und/oder Drehrichtung und/oder Winkelposition der Rotorwelle
anhand der elektrischen Messung.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der
folgenden Beschreibung einiger lediglich beispielhaft bereitgestellter
Ausführungsformen
und anhand der beigefügten Zeichnungen
deutlich.
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1,
bereits beschrieben, zeigt eine schematische Ansicht eines Kommutators
nach dem Stand der Technik;
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2 zeigt,
schematisch, einen Kommutator gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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3 zeigt,
schematisch, einen Kommutator gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 zeigt,
schematisch, eine Vorrichtung zum Messen der Drehung einer Motorwelle
gemäß der Erfindung;
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5 ist
ein elektrischer Schaltplan einer ersten Ausführungsform zum Messen der Rotorwellendrehung
gemäß der Erfindung;
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6 ist
ein elektrischer Schaltplan einer zweiten Ausführungsform zum Messen der Rotorwellendrehung
gemäß der Erfindung;
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7a ist
ein Diagramm, das die Rotorwellendrehung gemäß der Erfindung zeigt; und
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7b zeigt
eine Interpretation von 7a.
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Der
erfindungsgemäße Kommutator
umfasst einen Tragring und mehrere auf dem Umfang des Tragrings
angeordnete leitende Segmente. Ein Teil der leitenden Segmente weist
einen elektrisch isolierenden Abschnitt auf.
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Gemäß der Erfindung
wird also ein solcher Kommutator in einer Vorrichtung zum Messen
der Drehung einer Rotorwelle des Elektromotors verwendet. Der Kommutatorring
wird über
die Rotorwelle gezogen und in einem Kommutatorgehäuse angeordnet.
Ein solches Gehäuse
umfasst mindestens drei Bürsten,
die mit den Kommutatorsegmenten in Kontakt kommen können.
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Mindestens
eine der Bürsten
ist so angeordnet, dass sie mit den isolierenden Abschnitten eines Teils
der Kommutatorsegmente in Kontakt kommt. Diese Bürste, die abwechselnd mit leitenden
und isolierenden Abschnitten der Kommutatorsegmente in Kontakt steht,
ist so ausgelegt, dass sie eine elektrische Messung liefert, die
eine Bestimmung der Drehzahl und Drehrichtung der Rotorwelle erlaubt.
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Der
erfindungsgemäße Kommutator
wird nun anhand der Zeichnungen in den 2 und 3 näher beschrieben.
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Der
Kommutator 10 umfasst, wie an sich bekannt ist, einen isolierenden
Tragring 11 und leitende Segmente 18, die entlang
des Umfangs des Tragrings angeordnet sind. Je nach Modell kann der
Kommutator 10 in Abhängigkeit
von der jeweiligen Anwendung und speziellen Motorkonstruktion eine
variable Anzahl von Segmenten aufweisen. In dem dargestellten Beispiel
eines Kommutators für
einen Elektromotor zur Höhenverstellung
einer Fensterscheibe oder einer anderen zu öffnenden Komponente eines Fahrzeugs
weist der Kommutator 10 Segmente auf.
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Jedes
Segment 18 des Kommutators 10 weist ein an sich
bekanntes Hakenelement 13 zur Herstellung einer Lötverbindung
zwischen den Segmenten 18 und den Statorwicklungen (nicht
dargestellt) auf.
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Gemäß der Erfindung
weisen einige der Segmente einen isolierenden Abschnitt 19 auf,
das heißt einen
Abschnitt, der elektrisch von den für die Drehung des Motors erforderlichen
Strom leitenden Teilen isoliert ist.
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Mindestens
zwei Segmente 18 weisen einen isolierenden Abschnitt 19 auf,
und mindestens zwei Segmente 18 weisen keine isolierenden
Abschnitte auf. Tatsächlich
besteht der Zweck dieser isolierenden Abschnitte darin, den Magnetring
zu ersetzen, der herkömmlicherweise
in einem Hall-Effekt-Sensor zur Ermittlung der Drehzahl der Rotorwelle
eines Elektromotors verwendet wird. Zur Ausgabe eines interpretierbaren
Signals während
der Rotorwellendrehung ist es notwendig, dass auf dem Kommutatorring während der
Drehung zwei voneinander getrennte Punkte identifiziert werden können. Die
Funktionsweise der Vorrichtung zum Messen der Rotorwellendrehung
wird nachfolgend näher
beschrieben.
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Je
nach Ausführungsform
können
die Segmente 18, die einen isolierenden Abschnitt 19 aufweisen,
auf jedes zweite Segment verteilt, abwechselnd mit vollständig leitenden
Segmenten (wie in 2 dargestellt) angeordnet sein
oder in einer anderen periodischen Reihenfolge entsprechend einer
vordefinierten Codierung verteilt sein. Auf diese Weise kann man
zwei aufeinander folgende, teilweise isolierende Segmente 19 bereitstellen,
auf die drei vollständig
leitende Segmente 18 folgen. Ferner kann, wie in 3 dargestellt,
eine nichtperiodische Codierung bereitgestellt sein. Jegliche andere
periodische oder nichtperiodische Verteilung ist je nach den gewünschten
Ausführungsformen
und Anwendungen auf jeden Fall vorstellbar.
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Gemäß der in 2 veranschaulichten
Ausführungsform
ist der isolierende Abschnitt 19 bestimmter leitender Segmente
aus dem Tragring 11 des Kommutators 10 gebildet.
Einige Segmente 18 (in der dargestellten Ausführungsform
jedes zweite) sind also kürzer
als andere. Da jedes Segment 18 herkömmlicherweise in einer Ausnehmung 14 des Tragrings
angeordnet ist, damit es vollständig
von den benachbarten Segmenten isoliert ist, kann die Ausnehmung
maschinell so ausgeführt
werden, dass sie sich bis zu den verkürzten leitenden Segmenten erstreckt
und dadurch ein Segment 18 um einen elektrisch isolierenden
Abschnitt 19 verlängert.
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Gemäß der in 3 veranschaulichten
Ausführungsform
besteht der isolierende Abschnitt 19 bestimmter leitender
Segmente aus einem Isoliermaterial, das einen Abschnitt der Segmente 18 bedeckt. Bei
diesem Material kann es sich zum Beispiel um einen Isolierlack wie
z.B. ein Epoxidharz handeln, der auf einen Abschnitt bestimmter
Segmente aufgebracht ist, oder um das Ergebnis einer Tiefenoxidation
oder sonstigen Oberflächenbehandlung
eines Abschnitts eines leitenden Segments, mit der dieser Abschnitt
elektrisch isolierend gemacht werden kann.
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Gemäß einer
weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform kann der isolierende
Abschnitt 19 bestimmter Kommutatorsegmente 18 durch
eine maschinelle Bearbeitung des Segments 18 erhalten werden,
welche die elektrische Leitung unterbricht. Zum Beispiel wird ein
Segment 18 über
seine gesamte Breite gefräst,
um einen elektrisch isolierenden Abschnitt eines elektrisch leitenden
Abschnitts zu bilden, der mit den Stromversorgungsbürsten in
Kontakt steht.
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Die
isolierenden Abschnitte 19 eines Teils der mehreren leitenden
Segmente 18 können
sich an dem dem Hakenelement 13 entgegengesetzten Ende
eines Segments 18 befinden. Tatsächlich bilden die Hakenelemente 13 elektrische
Kontakte zu den Statorwicklungen, die für den Betrieb des Motors mit
Strom versorgt werden müssen.
Jedes Segment 18 muss folglich zwangsläufig mindestens einen elektrisch
leitenden Abschnitt aufweisen, der einem Kontaktbereich der Bürsten entspricht,
welche die Statorwicklungen mit Strom versorgen.
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Die
isolierenden Abschnitte 19 eines Teils der mehreren leitenden
Segmente 18 können
sich über
einen kleineren oder größeren Bereich
der Länge
eines Segments 18 erstrecken. Der Flächeninhalt des isolierenden
Abschnitts muss ausreichend groß sein,
um eine quantifizierbare elektrische Messung zu ermöglichen,
und ausreichend klein, um die vom leitenden Teil des Segments geleistete
Stromversorgung der Statorwicklungen nicht zu stören. Zum Beispiel erfüllt ein
isolierender Abschnitt 19, der zwischen 25% und 55% der
Gesamtlänge
eines Segments umfasst, diese Bedingungen.
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Der
erfindungsgemäße Kommutator 10 ist zum
Einsatz in einer Vorrichtung zum Messen der Drehung einer Rotorwelle
ausgelegt. Eine solche Vorrichtung wird nun anhand von 4 näher beschrieben.
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Eine
solche Messvorrichtung umfasst einen Kommutator 10 wie
oben beschrieben, wobei der Ring 11 des Kommutators 10 bekanntlich
auf einer Rotorwelle 50 angeordnet ist. Die Vorrichtung
umfasst außerdem
ein Kommutatorgehäuse 20 mit
einem Durchgang, der die Rotorwelle und den Kommutator 10 aufnimmt.
Das Kommutatorgehäuse 20 trägt mindestens
drei Bürsten 21, 22, 23,
die mit den Segmenten 18 des Kommutators 10 in
Kontakt kommen können.
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Gemäß der Erfindung
sind mindestens zwei Bürsten 21, 22 dafür ausgelegt,
die an sich bekannten Statorwicklungen mit Strom zu versorgen, und mindestens
eine zusätzliche
Bürste 23 ist
so angeordnet, dass sie mit den isolierenden Abschnitten 19 der
Segmente des Kommutators 10 in Kontakt kommt.
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Die
Versorgungsbürsten 21, 22 sind
folglich so angeordnet, dass sie immer mit den leitenden Abschnitten
der Segmente 18 in Kontakt stehen, das heißt, an dem
Ende der Segmente 18, an dem sich die Hakenelemente 13 zum
Anschluß der
Wicklungen befinden.
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Parallel
zu einer der Bürsten 21 oder 22 ist eine
zusätzliche
Bürste 23 angeordnet.
Die zusätzliche
Bürste 23 und
eine der Bürsten 21, 22 zur
Versorgung der Wicklungen stehen also gleichzeitig mit demselben
Segment 18 des Kommutators 10 in Kontakt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Messen der Rotorwellendrehung umfasst ferner eine mit der Bürste 23 verbundene
elektrische Messschaltung, die mit den isolierenden Abschnitten
in Kontakt steht. Diese elektrische Schaltung kann auf einer Leiterplatte
angeordnet sein, die ferner die elektrischen Anschlüsse für die Stromversorgungsbürsten enthalten
kann.
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Je
nach Ausführungsform
kann die elektrische Messschaltung so ausgelegt sein, dass sie die Spannung
der zusätzlichen
Bürste 23 misst,
die mit den isolierenden Abschnitten in Kontakt steht, oder den
durch die Bürste
fließenden
Strom.
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Die
in 5 dargestellte Schaltung kann den Strom messen,
der durch die mit den isolierenden Abschnitten in Kontakt stehende
Bürste 23 fließt. Der Motor
wird über
die Versorgungsbürsten 21, 22 angetrieben.
Schalter 61, 62 legen jeweils eine der Bürsten an
Masse und die jeweils andere an die Versorgungsspannung U (im Allgemeinen 12 Volt,
aber die Erfindung kann auch Motoren betreffen, die mit 8 Volt oder
42 Volt arbeiten).
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Ein
Stromsensor 65 erfasst den Strom, der durch die mit den
isolierenden Abschnitten in Kontakt stehende zusätzliche Bürste 23 fließt. Wenn
diese Bürste 23 sich
auf einem teilweise isolierenden Segment 19 befindet, fließt kein
Strom durch sie. Wenn sich die Bürste
auf einem vollständig
leitenden Segment 18 befindet, fließt durch sie ein Strom, der
einem Teil des Versorgungsstroms entspricht.
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Somit
kann durch diese Messschaltung über den
Stromsensor 65 ein elektrisches Signal erfasst und zu einer
Verarbeitungsschaltung übertragen
werden, die zum Beispiel auf der Leiterplatte angeordnet ist.
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Diese
Verarbeitungsschaltung kann das Vorhandensein und das Vorzeichen
des durch die zusätzliche
Bürste 23 fließenden elektrischen
Stroms interpretieren, um daraus die Drehzahl, die Drehrichtung
und die Winkelposition der Rotorwelle abzuleiten.
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Die
in 6 veranschaulichte Schaltung kann die Spannung
der mit den isolierenden Abschnitten in Kontakt stehenden zusätzlichen
Bürste 23 messen.
Der Motor wird über
die Versorgungsbürsten 21, 22 versorgt.
Die Schalter 61, 62 legen jeweils eine der Bürsten an
Masse, und die jeweils andere an die Versorgungsspannung U. Eine
Spannungsteilerbrücke 67 ist
durch zwei Widerstände
gebildet, die jeweils zwischen Masse und der zusätzlichen Bürste 23 und zwischen
der Versorgungsspannung U für
den Motor und der zusätzlichen
Bürste 23 geschaltet
sind.
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Wenn
sich also die Bürste 23 auf
einem vollständig
leitenden Segment befindet, ist die gemessene Spannung genauso hoch
wie die der Versorgungsbürste 22,
also eine Spannung mit dem Wert U oder 0 Volt, je nach der Drehrichtung
des Motors. Wenn sich die zusätzliche
Bürste 23 auf
einem teilweise isolierenden Segment befindet, entspricht die gemessene
Spannung der Spannung der Spannungsteilerbrücke, zum Beispiel U/2, wenn
die Widerstände
der Spannungsteilerbrücke
denselben Wert haben.
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Durch
diese Messschaltung kann also ein elektrisches Signal erfasst werden,
das der Spannung der zusätzlichen
Bürste 23 entspricht.
Dieses elektrische Signal wechselt zwischen 0 Volt, U Volt und einem
Zwischenwert, zum Beispiel U/2. Dieses elektrische Signal wird zu
einer Verarbeitungsschaltung übertragen,
die daraus die Drehzahl, die Drehrichtung und die Winkelposition
der Rotorwelle ableiten kann.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Messen der Rotorwellendrehung arbeitet wie folgt.
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Das
Diagramm in 7b veranschaulicht die Funktionsweise
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
unter Verwendung einer elektrischen Messschaltung gemäß der Ausführungsform
von 6.
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Wenn
der Motor nicht läuft,
sind die Bürsten 21, 22 kurzgeschlossen.
Während
des Betriebs ist eine der Bürsten 21 bzw. 22 an
Masse gelegt, während
an der anderen die Spannung U anliegt. Die Drehrichtung des Motors
wird durch Vertauschen der elektrischen Verbindung der Bürsten 21, 22 zwischen Masse
und der Versorgungsspannung U geändert.
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Während der
Motor läuft,
dreht sich die Rotorwelle 50. Folglich dreht sich der Kommutator 10 ebenfalls,
und die zusätzliche
Bürste 23 kommt
folglich nacheinander mit jedem der Segmente 18 des Kommutators 10 in
Kontakt.
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Das
von der an die zusätzliche
Bürste 23 angeschlossenen
Messschaltung übertragene
Signal entspricht der Spannung der Spannungsteilerbrücke. Wie
in den 7a und 7b veranschaulicht, wechselt
diese Spannung, wenn sich der Motor in einer ersten Richtung dreht,
zwischen U, der Motorversorgungsspannung und einem Zwischenwert,
U/2 im dargestellten Beispiel. Wenn sich der Motor in der entgegengesetzten
Richtung dreht, wechselt diese Spannung zwischen U/2 und 0 Volt.
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Zur
Erleichterung der elektronischen Verarbeitung können Schwellenwerte festgelegt
werden. Wenn die von der Messschaltung übertragene Spannung einen ersten
Schwellenwert S1 überschreitet, hat
ein erster Binärausgang
AUSGANG 1 der Verarbeitungsschaltung den Zustand "High". Wenn die von der
Messschaltung übertragene
Spannung einen zweiten Schwellenwert S2 überschreitet, hat ein zweiter
Binärausgang
AUSGANG 2 der Verarbeitungsschaltung den Zustand "High". Diese Ergebnisse
sind im Diagramm von 7b angegeben.
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Die
Verarbeitungsschaltung kann folglich problemlos die Drehrichtung
des Motors aus den von der Messschaltung übermittelten Spannungswerten ableiten.
Wenn der erste Ausgang AUSGANG 1 eine Reihe von "Einsen" und "Nullen" liefert, während der zweite
Ausgang AUSGANG 2 im Zustand "High" bleibt
(bei "1"), dreht sich der
Motor in einer ersten Richtung.
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Wenn
analog dazu der erste Ausgang AUSGANG 1 im Zustand "Low" ist, während der
zweite Ausgang AUSGANG 2 abwechselnd "Einsen" und "Nullen" liefert, dreht sich der Motor in einer
zweiten Richtung.
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Die
Verarbeitungsschaltung kann durch Berechnung der Periode der elektrischen
Signalausgabe auch die Drehzahl ableiten. Tatsächlich entspricht jeder Wechsel
zwischen dem Wert "0" und dem Wert "1" an einem der beiden Binärausgänge dem Übergang
der zusätzlichen
Bürste 23 von
einem vollständig
leitenden Segment zu einem teilweise isolierenden Segment. Je nach
der für
die Verteilung der teilweise isolierenden Segmente gewählten Codierung leitet
die Verarbeitungsschaltung die Drehzahl der Rotorwelle von der Periode
der gemessenen elektrischen Signalimpulse ab.
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Ferner
wird die Winkelposition der Welle durch Zählen der Zahl von Impulsen
mit einem Modulo ermittelt, welcher der Zahl von Segmenten des Kommutators
oder der Zahl von Wechseln zwischen vollständig oder teilweise leitenden
Segmenten entspricht.
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Folglich
ermöglicht
die vorliegende Erfindung eine zuverlässige und wirkungsvolle Ermittlung der
Drehzahl, Drehrichtung und Winkelposition einer Rotorwelle. Der
Kommutator ist ein wesentlicher Bestandteil des Motors. Die Erfindung
ermöglicht
folglich den Verzicht auf den Magnetring und/oder Hall-Effekt-Sensoren,
ohne im Gegenzug erhebliche Kosten zu verursachen.
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Ferner
sind die gelieferte Drehzahl und Winkelposition genauer, da der
Kommutator im Durchschnitt etwa 10 Segmente aufweist, im Vergleich
zu den zwei Polen eines Magnetrings.
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Ganz
offensichtlich ist diese Erfindung nicht auf die beispielhaft beschriebenen
Ausführungsformen
beschränkt;
somit wurde die Vorrichtung zum Messen der Drehung einer Rotorwelle
mit zwei elektrischen Versorgungsbürsten und einer dritten Bürste zum
Messen der Rotordrehung veranschaulicht, doch kann dies im Rahmen
der Erfindung ohne weiteres zur Verwendung in Motoren modifiziert
werden, die drei, vier oder mehr Versorgungsbürsten und zwei Bürsten zum
Kontakt mit den isolierenden Abschnitten erfordern.
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Analog
dazu können
die elektronischen Mess- und Verarbeitungsschaltungen für angestrebte Ausführungsformen
ausgelegt werden, insbesondere in Abhängigkeit vom Motorentyp und
vom Verwendungszweck, indem je nach Anwendung eine mehr oder weniger
komplexe Leiterplatte verwendet wird.