DE102009026448A1

DE102009026448A1 - Bestimmung von Motoreigenschaften mittels einer Messkomponente

Info

Publication number: DE102009026448A1
Application number: DE200910026448
Authority: DE
Inventors: Michael Horbelt; Gabriel Wetzel; Siegmar Schoser; Paul Denter; Detlef Lauk; Andre Owerfeldt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2010-12-09
Also published as: EP2435836A1; WO2010136234A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere einen Gleichstrommotor, der einen konstruktiven Bestandteil umfasst, der für den typischen Betrieb des Elektromotors genutzt wird, wobei der Elektromotor einen zusätzlichen konstruktiven Bestandteil derselben Art umfasst, der als Messkomponente zur Messung einer Eigenschaft des Elektromotors vorgesehen ist, und dabei nicht für den typischen Betrieb des Elektromotors genutzt wird. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Ermitteln einer Eigenschaft des erfindungsgemäßen Elektromotors mit folgenden Schritten: - Einkoppeln eines hochfrequenten Ansteuersignals in den Elektromotor; - Abgreifen eines resultierenden Signals am Elektromotor; - Auswerten des resultierenden Signals und Bestimmen der Eigenschaften des Elektromotors, wobei die Messkomponente mit dem Ansteuersignal beaufschlagt wird. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Motorsystem zur Durchführung des Verfahrens, welches den Elektromotor, eine Versorgungsschaltung zum Speisen des Elektromotors mit einer Versorgungsspannung sowie eine Messschaltung zum Erfassen der Eigenschaft des Elektromotors umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor, ein Verfahren zum Ermitteln einer Eigenschaft des erfindungsgemäßen Elektromotors sowie ein Motorsystem zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Erfassung von Informationen über den Betriebszustand eines rotatorischen Elektromotors, beispielsweise über die Drehzahl eines Gleichstrommotors, sind vielfältige Verfahren bekannt. Beispielsweise werden Sensoren, insbesondere Positionsgeber verwendet, die mit einem Detektor zusammenwirken, der diese Information aus der Stellung des Rotors und/oder aus der Änderung der Stellung des Rotors ermittelt. Oder die Wicklungen des Gleichstrommotors werden mit einem Strom angesteuert, und aus Schwankungen der Stromstärke wird auf die Drehzahl geschlossen. Auch aus dem Verlauf der Stromaufnahme beim Überstreichen der Kommutatorlamellen eines Gleichstrommotors kann auf einen Wechsel zwischen den Kommutatorlamellen geschlossen werden.
Solche Messungen beeinflussen häufig den Betrieb des Elektromotors beziehungsweise die Messung ist durch die konstruktiven Bestandteile des Elektromotors beeinflusst. Und aufgrund solcher Nebeneffekte sind weder der Elektromotor noch die Messung für ihren eigentlichen Zweck optimiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Elektromotor, insbesondere einen Gleichstrommotor, sowie ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine Vielzahl von Eigenschaften des Elektromotors sehr genau erfassbar ist, wobei Nebeneffekte einerseits durch Einfluss der Messung auf den Betrieb des Elektromotors und andererseits durch den Einfluss von konstruktiven Bestandteilen des Elektromotors auf die Messung vermieden werden, so dass sowohl der Elektromotor als auch die Messung für ihren eigentlichen Zweck optimiert sind.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst mit einem Elektromotor gemäß Patentanspruch 1, einem Verfahren gemäß Patentanspruch 4 sowie einem Motorsystem gemäß Patentanspruch 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Elektromotor ist aus einer Vielzahl konstruktiver Bestandteile mechanischer oder elektrischer Natur aufgebaut, die üblicherweise für den typischen Betrieb des Elektromotors genutzt werden und den Betrieb des Elektromotors bestimmen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, zumindest einen konstruktiven Bestandteil zusätzlich vorzusehen, der als Messkomponente zur Messung einer Eigenschaft des Elektromotors vorgesehen ist, und im Betrieb des Elektromotors nicht für seinen typischen Betrieb genutzt wird.
Der erfindungsgemäße Elektromotor weist daher zumindest zwei konstruktive Bestandteile derselben Art auf, von denen ein konstruktiver Bestandteil für den Betrieb des Elektromotors und der andere konstruktive Bestandteil als Messkomponente genutzt wird.
Im Folgenden wird für den zusätzlichen konstruktiven Bestandteil der Begriff Messkomponente synonym verwendet.
Da die Messkomponente ein konstruktiver Bestandteil des Elektromotors ist, der zusätzlich zu den für den Betrieb des Elektromotors genutzten konstruktiven Bestandteilen im Elektromotor vorgesehen ist, und der selbst im Betrieb des Elektromotors nicht für seinen Betrieb genutzt wird, kann er für die Messung optimal ausgelegt werden. Andererseits können auch die weiteren konstruktiven Bestandteile des Elektromotors für den Betrieb des Elektromotors optimal ausgelegt werden, ohne Rücksicht auf eine Messung nehmen zu müssen, aufgrund deren Art die konstruktiven Bestandteile mit für die Messung notwendigen Eigenschaften vorgesehen sein müssten.
Das Vorsehen der Messkomponente ermöglicht daher eine Funktionstrennung, durch die trotz des Vorsehens des zusätzlichen konstruktiven Bestandteils eine verbesserte Auslegung aller konstruktiver Bestandteile des Elektromotors entsprechend ihrem Zweck möglich ist. Eine Messung von Eigenschaften des Elektromotors ist daher insbesondere während des Betriebes des Elektromotors sehr genau möglich, ohne den Betrieb des Elektromotors durch die Messung nachteilig zu beeinflussen. Außerdem kann die Messkomponente standardisiert werden.
Da die Messkomponente ein zusätzlich in den Elektromotor eingebrachter konstruktiver Bestandteil ist, ist es andererseits auch möglich, die Eigenschaften des Elektromotors mittels der Messkomponente ganz gezielt zu beeinflussen.
Eine erfindungsgemäße Messkomponente ist ein mechanischer oder ein elektrischer Bestandteil des Elektromotors. Bevorzugt ist als Messkomponente eine zusätzliche Messbürste, ein zusätzlicher Kommutator oder eine zusätzliche Wicklung vorgesehen. Weiterhin können auch mehrere Messkomponenten vorgesehen sein.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zum Ermitteln einer Eigenschaft des erfindungsgemäßen Elektromotors mit folgenden Schritten:

– Einkoppeln eines hochfrequenten Ansteuersignals in den Elektromotor;
– Abgreifen eines resultierenden Signals am Elektromotor;
– Auswerten des resultierenden Signals und Bestimmen der Eigenschaften des Elektromotors,

Da die Messkomponente mit dem Ansteuersignal beaufschlagt wird, führt eine optimale Anpassung der Messkomponente zu einer sehr genauen Messung. Außerdem müssen die für den Betrieb genutzten konstruktiven Bestandteile des Motors nicht für die Messung ausgelegt werden.
Als hochfrequentes Ansteuersignal eignet sich sowohl ein rein sinusförmiges Signal als auch ein Mischsignal wie beispielsweise ein rechteck-, dreieck-, trapez-, sprung-, pulsförmiges oder ähnliches Signal.
Im Betrieb des Elektromotors wird das Ansteuersignal aufgrund der Rotation des Rotors des Elektromotors moduliert. Da der komplexe Widerstand des Elektromotors durch die Gesamtheit der konstruktiven Bestandteile des Elektromotors bestimmt ist, kann aus dem demodulierten resultierenden Signal auf Eigenschaften des Elektromotors geschlossen werden.
Mit diesem Verfahren sind daher, insbesondere anhand von Vergleichswerten, Rückschlüsse auf den Motorzustand, beispielsweise die Drehzahl und/oder den Drehwinkel des Rotors oder eine Blockierung des Elektromotors, aber auch auf sonstige Eigenschaften wie beispielsweise das Alter des Elektromotors, seinen Hersteller oder den Motortyp, möglich.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Motorsystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches den Elektromotor, eine Versorgungsschaltung zum Speisen des Elektromotors mit einer Versorgungsspannung sowie eine Messschaltung zum Erfassen der Eigenschaft des Elektromotors umfasst.
Das Motorsystem ermöglicht einen optimierten Betrieb des Elektromotors, wobei während des Betriebs des Elektromotors eine sehr genaue Messung von Eigenschaften des Elektromotors möglich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Motorsystem außerdem eine Steuerung, so dass der Betrieb des Elektromotors anhand seiner gemessenen Eigenschaften steuerbar ist.
Im Folgenden wird die Erfindung durch Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Elektromotor,
2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem weiteren erfindungsgemäßen Elektromotor,
3 zeigt schematisch ein Motorsystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Elektromotor 1. Es handelt sich hier um einen Gleichstrommotor mit einem Kommutator 6 und Bürsten 4, 5. Der Kommutator 6 sowie die Bürsten 4, 5 sind konstruktive Bestandteile des Elektromotors 1. Der Elektromotor 1 weist einen Rotor 2 auf, der drehbar um eine Achse 3 gelagert ist. 1(a) zeigt eine schematische Seitenansicht des Elektromotors 1, während 1(b) nur ausschnittsweise eine Draufsicht auf den Kommutator 6 und die Anordnung der Bürsten 4, 5 zeigt.
Der hier gezeigte Elektromotor 1 weist neben zwei Bürsten 4, die für die Zuführung einer Versorgungsspannung vorgesehenen sind, eine zusätzliche Messbürste als Messkomponente 5 auf, die nur für eine Messung von Eigenschaften des Elektromotors 1 vorgesehen ist und nicht für den Betrieb des Elektromotors 1. Für die Messung wird die Messbürste 5 mit einem Ansteuersignal (s. 3) beaufschlagt.
2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem weiteren erfindungsgemäßen Elektromotor 1. Auch hier ist ein Gleichstrommotor dargestellt. Gezeigt sind der um die Achse 3 drehbar gelagerte Rotor 2 des Elektromotors 1 sowie zwei Kommutatoren 6, 7, wobei um einen der beiden Kommutatoren 6 zwei Bürsten 4 für die Zuführung der Versorgungsspannung angeordnet sind, während um den anderen der beiden Kommutatoren 7 zwei Messbürsten 5 vorgesehen sind, die während des Betriebes des Elektromotors 1 mit einem Ansteuersignal (s. 3) beaufschlagbar sind. Dieser Elektromotor 1 weist daher neben den beiden Messbürsten 5 als Messkomponenten auch einen Kommutator 7 als Messkomponente auf.
3 zeigt schematisch ein Motorsystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Als Elektromotor 1 ist hier beispielhaft der Elektromotor 1 der 1 gezeigt. Zum einen umfasst das Motorsystem neben dem Elektromotor 1 eine Spannungsquelle 13, die über Entstörfilter 12 den Bürsten 4 des Elektromotors 1 eine Versorgungsspannung zur Verfügung stellt Weiterhin umfasst das Motorsystem eine Messschaltung 8, die ihrerseits einen Signalgenerator 9 sowie einen Demodulator 9 und eine Auswerteinheit 10 umfasst. Der Signalgenerator 9 erzeugt ein Ansteuersignal A, mit dem die Messbürste 5 beaufschlagt wird. Das Ansteuersignal A wird über ein Kopplungselement in den Elektromotor 1 eingespeist, das hier nicht gezeigt ist.
Aufgrund der Rotation des Elektromotors 1 wird das Ansteuersignal A zu einem resultierenden Signal M moduliert. Das resultierende Signal M wird dann in dem Demodulator 10 zum demodulierten Signal D demoduliert. Aus dem demodulierten Signal D kann schließlich in der Auswerteinheit 11 auf Eigenschaften des Elektromotors 1 geschlossen werden.
Das Ansteuersignal A, das resulierende Signal M sowie das demodulierte Signal D sind hier beispielhaft gezeigt. Als Ansteuersignal A kann nicht nur wie gezeigt ein hochfrequentes sinusförmiges Signal verwendet werden, sondern auch ein Mischsignal, welches sich aus der Überlagerung von zwei oder mehr sinusförmigen Signalen zusammensetzt.

Claims

Elektromotor (1), insbesondere Gleichstrommotor, der einen konstruktiven Bestandteil (4, 6) umfasst, der für den typischen Betrieb des Elektromotors (1) genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (1) einen zusätzlichen konstruktiven Bestandteil (5, 7) derselben Art umfasst, der als Messkomponente zur Messung einer Eigenschaft des Elektromotors (1) vorgesehen ist, und dabei nicht für den typischen Betrieb des Elektromotors (1) genutzt wird.
Elektromotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkomponente eine zusätzliche Messbürste (5), ein zusätzlicher Kommutator (7) oder eine zusätzliche Wicklung ist.
Elektromotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messkomponenten (5, 7) vorgesehen sind.
Verfahren zum Ermitteln einer Eigenschaft des Elektromotors (1) nach einem der Ansprüche 1–2 mit folgenden Schritten: – Einkoppeln eines hochfrequenten Ansteuersignals (A) in den Elektromotor (1); – Abgreifen eines resultierenden Signals (M) am Elektromotor (1); – Auswerten des resultierenden Signals (M) und Bestimmen der Eigenschaften des Elektromotors (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Messkomponente (5, 7) mit dem Ansteuersignal (A) beaufschlagt wird.
Motorsystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, welches den Elektromotor (1), eine Versorgungsschaltung (12, 13) zum Speisen des Elektromotors (1) mit einer Versorgungsspannung sowie eine Messschaltung (8) zum Erfassen der Eigenschaft des Elektromotors (1) umfasst.
Motorsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuerung umfasst.