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Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf ein Verfahren und einen Elektromotor, bei welchem die Kohlen und der Kommutator dazu ausgelegt sind, die Drehbewegung und die Position des Rotors zu erfassen.
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Für viele Anwendungen von kleinen Elektromotoren ist es vorteilhaft, wenn ein Elektromotor neben der Erzeugung einer Drehbewegung auch Informationen über seinen aktuellen Zustand liefern kann. Dazu ist es bekannt, beispielsweise die Erregerkreise des Elektromotors als „ripple counter” oder als Asynchronzähler zu verwenden.
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Ein solcher Motor ist beispielsweise aus der
EP 1 316 136 bekannt. Bei diesem Motor sind zwei Kohlen oder Bürsten vorgesehen, welche mit sechs Lamellen oder Kontaktsegmenten des Kommutators wechselweise in Kontakt treten. Die Kohlen bzw. Bürsten sind dabei einander gegenüber, also um 180° versetzt an dem Kommutator angeordnet, so dass die Kohlen jeweils mit gegenüberliegenden Segmenten des Kommutators in Kontakt sind. Während der Drehbewegung des Kommutators erfolgt dabei periodisch ein Wechsel von einer Kontaktfläche zur nächstliegenden Kontaktfläche. Während dieser Zeit sind die Kohlen gleichzeitig mit zwei Kontaktflächen in elektrischem Kontakt. Die entsprechende Schaltung bzw. Kommutation geschieht daher gleichzeitig an beiden Borsten bzw. Kohlen. Damit sind in der Summe stets entweder jeweils eine Kontaktfläche oder jeweils zwei Kontaktflächen in Kontakt mit den Bürsten. Aus dem Wissen, welche der Kontaktflächen nun gerade kontaktiert wird und aus dem sich ergebenden Durchschaltungen kann dann auf die Bewegungsgeschwindigkeit und die Position des Rotors im Elektromotor geschlossen werden. Dazu ist es jedoch erforderlich, dass sich der Motor ausreichend schnell dreht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Elektromotoren bekannter Art zu verbessern. In einem Aspekt soll das erzeugte Signal für Elektronik mit geringem Leistungsbedarf verwendbar sein.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Offenbarung schlägt einen Elektromotor vor mit zumindest einer ersten Kohle und einer zweiten Kohle oder Bürste, welche feststehend bezüglich einem sich mit einem Rotor drehenden Kommutator angeordnet sind. Der Elektromotor kann insbesondere vier oder mehr Pole aufweisen. Der Kommutator weist zumindest einen zylinderförmigen Abschnitt mit einer Mantelfläche auf, an welcher eine Vielzahl von Kontaktsegmenten mit dazwischen angeordneten Isolationsabschnitten angeordnet ist. Die erste Kohle weist eine erste Breite zur Abdeckung eines ersten Abschnitts der Mantelfläche auf und die zweite Kohle weist eine zweite Breite zur Abdeckung eines zweiten Abschnitts der Mantelfläche auf, wobei die erste Kohle und die zweite Kohle eine unsymmetrische Kontaktierung mit den Kontaktflächen ausbilden. Zur unsymmetrischen Kontaktierung kann die erste Breite der ersten Kohle von der zweiten Breite der zweiten Kohle verschieden sein. Alternativ oder ergänzend kann zur unsymmetrischen Kontaktierung die erste Kohle und zweite Kohle ungleichmäßig um die Drehachse angeordnet sein.
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Durch die unsymmetrische bzw. asymmetrische Kontaktierung, der Vielzahl von Kontaktsegmenten, der ersten Kohle und der zweiten Kohle zueinander kann derart erfolgen, dass eine Kommutation von einem Kontaksegment der ersten Kohle nicht synchron zu der Kommutation an der zweiten Kohle erfolgt. Dadurch entstehen für unterschiedliche Drehwinkel, eine unterschiedliche Anzahl von kontaktieren Kontaktsegmenten. Daraus ergibt sich bei der Drehung des Rotors eine Abfolge von unterschiedlich langen Zeiten, in denen die erste Kohle und die zweite Kohle zusammengenommen mit einer wechselnden Anzahl von Kontaktsegmenten in Kontakt sind. Diese Abfolge kann als ripple counter oder Asynchornzähler verwendet werden. Die zeitliche Abfolge hängt dabei von der Drehgeschwindigkeit des Rotors ab und ist relativ zueinander zu verstehen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die unsymmetrische Kontaktierung/Anordnung der Vielzahl von Kontaktsegmenten bezüglich der ersten Kohle und der zweiten Kohle umfasst, dass ein Kohlenwinkel, welchen die erste Kohle mit der zweiten Kohle einschließt, größer als ein erster Segmentwinkel ist, welcher aus einer ersten Abfolge von Kontaktsegmenten gebildet wird, und kleiner ist als ein zweiter Segmentwinkel, der aus der ersten Abfolge von Segmenten plus einem weitern and die Abfolge angrenzenden Segment gebildet wird.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die asymmetrische Anordnung der Vielzahl von Kontaktsegmenten bezüglich der ersten Kohle und der zweiten Kohle umfasst, dass ein Kohlenwinkel, welchen die erste Kohle mit der zweiten Kohle einschließt, ungleich zu einem Segmentwinkel ist, welcher durch jede Kombination von zwei der Kontaktsegmente gebildet wird. In diesem Fall ergibt sich zu keinen Zeitpunkt eins synchrone Kommutierung an der ersten und er zweiten Kohle.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass die asymmetrische Anordnung der Vielzahl von Kontaktsegmenten bezüglich der ersten Kohle und der zweiten Kohle umfasst, dass zu jeden Zeitpunkt einer Volldrehung der Rotors insgesamt entweder drei oder vier der Kontaktsegmente mit der ersten Kohle bzw. der zweiten Kohle in elektrischem Kontakt sind. Dies Anordnung hat sich für die Funktion des Asynchronzählers als vorteilhaft erwiesen
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Die erste Kohle und die zweite Kohle können auch unterschiedliche Breiten aufweisen. Der Begriff Breite beinhaltet, dass die erste Kohle ein erstes Kreissegment als Kontaktfläche aufweist und die zweite Kohle ein von dem ersten Kreissegment unterschiedliches Kreissegment als Kontaktfläche aufweist. Auch daraus ergebt sich eine Abfolge unterschiedliche Drehwinkel bzw. entsprechend relativer Kontaktzeiten, wie beispielsweise: 3 Kontakte kurz, 4 Kontakte lang, 3 Kontakte kurz, 4 Kontakte kurz, 3 Kontakte kurz.
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Die Vielzahl der Kontaktsegmente können gleich groß bzw. breit sein, insbesodere ein gleiches Kreissegment abdecken und gleichmäßig voneinander beabstandet sein. In diesem Fall wird die asynchrone Anordnung durch die die Anordnung und Auslegung der Kohlen alleine bestimmt und es können konventionelle Kommutatoren mit der Erfindung verwendet werden.
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Die Vielzahl der Kontaktsegmente kann auch ungleich groß sein. Alternativ oder ergänzend kann die Vielzahl der Kontaktsegmente ungleichmäßig voneinander beabstandet sein. Dadurch kann auch bei vorgegebenen Kohlenanordnung eine asynchrone Anordnung erreicht werden.
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Die erste Kohle und die zweite Kohle können in einem Winkel von ungefähr 90° zueinander um den Kommutator angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ergibt sich ein unsymmetrische Anordnung von Kohlen und Kontaktflächen, wenn die erste Kohle und die zweite Kohle in einem Winkel kleiner 90°, insbesondere in einem Winkel von ungefähr 86° zueinander angeordnet sind. Der Elektromotor umfasst mindestens zwei Kohlen, er kann jedoch auch weiter Kohlen umfassen. Insbesondere kann der Elektromotor als vierpoliger Motor ausgelegt sein. Wenn mehr als zwei Kohlen vorhanden sind, können diese prinzipiell auch für den Asynchronzähler verwendet werden, dies ist jedoch nicht erforderlich.
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Die vorliegende Offenbarung schlägt auch einen Elektromotor vor mit zumindest einer ersten Kohle und einer zweiten Kohle oder Bürste, welche feststehend bezüglich einem sich mit einem Rotor drehenden Kommutator angeordnet sind. Der Kommutator weist zumindest einen zylinderförmigen Abschnitt mit einer Mantelfläche auf, an welcher eine Vielzahl von Kontaktsegmenten mit dazwischen angeordneten Isolationsabschnitten angeordnet ist. Die Vielzahl der Kontaktsegmente ist dabei asymmetrisch oder unsymmetrische zu der ersten Kohle und der zweite Kohle angeordnet.
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Die unsymmetrische Kontaktierung/Anordnung kann durch eine unterschiedliche Breite der Kohlen erreicht werden. Die unsymmetrische Anordnung kann auch durch eine unsymmetrische Anordnung der Kohlen um den Kommutator erreicht werden.
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Die erste Kohle und die zweite Kohle können die gleiche Breite aufweisen. In diesem Fall einsteht die asynchrone Anordnung durch den Kohlenwinkel, welche die Kohlen miteinander einschließen in Bezug auf den Segmentwinkel.
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In diesem Beispiel kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Kohle für ein erstes Zeitintervall mit insgesamt drei Kontaktsegmenten in elektrischen Kontakt sind und für ein zweites Zeitintervall mit insgesamt vier Kontaktsegmenten in elektrischen Kontakt sind, wobei das erste Zeitintervall und das zweite Intervall voneinander verschieden sind und von der Drehgeschwindigkeit des Rotors abhängig sind. Das Verhältnis der Dauer des ersten Zeitintervalls zur Dauer des zweiten Zeitintervalls ist in Relation zueinander unabhängig von der Drehgeschwindigkeit konstant, während die absoluten Werte von der Drehgeschwindigkeit des Rotors abhängen. Anders ausgedruckt entspricht das erste Zeitintervall einem ersten Drehwinkel des Rotors, und das zweite Zeitintervall entspricht einem zweiten Drehwinkel, welcher von dem ersten Drehwinkel verschieden ist.
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Die vorliegende Offenbarung schlägt auch einen Elektromotor vor mit einem an einer Drehachse angeordneten Rotor und einem Stator, wobei der Stator eine unsymmetrische Magnetisierung oder ein unsymmetrisches Magnetfeld aufweist. Der Stator kann zumindest ein erstes Magnetelement und ein zweites Magnetelement umfassen, welche unsymmetrisch oder ungleich zueinander angeordnet oder verteilt sind sind. Alternativ oder ergänzend kann der Stator unsymmetrische Magnetelemente umfassen. Dadurch werden die Magnetfelder unsymmetrisch oder ungleich um die Drehachse verteilt und es können bestimmte Kommutierungssignale unterdrückt werden, was er es ermöglicht den Elektromotor als Asynchronzähler zur verwenden. Die Anordnung der Kohlen/Brüsten kann in diesem Fall in bekannter weise symmetrisch um die Drehachse erfolgen, wobei alle Borsten die gleiche Breite aufweisen. Diese Anordnung kann insbesondere bei vier-poligen Motoren verwendet werden, bei dem alle Bürsten/Kohlen in einem Winkel von 90° zueinander um die Drehachse angeordnet sind.
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Die Magnetelemente können Festmagnete sein oder als Elektromagnete Spulen umfassen. Insbesondere können die Magnetelemente auch unsymmetrisch angeordnete Polschuhe umfassen um ein unsymmetrisches Magnetfeld zu erzeugen.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Erzeugung einer Abfolgen von natürlichen Zahlen und/oder zur Bestimmung einer Position oder einer Drehbewegung eines Elektromotors oder nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend ein Messen der Abfolge und/oder Dauer der Anzahl von Kontaktsegmenten, mit denen die erste Kohle und die zweite Kohle in elektrischem Kontakt steht.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nachfolgend Beispiele anhand der beigefügten Figuren beschrieben, welche verschiedene Aspekte der Erfindung zeigen, in denen:
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1 eine Draufsicht eines Elektromotors darstellt;
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2 die Anordnung von zwei Bürsten und der entsprechenden Kontaktflächen in einer konventionellen Anordnung darstellt;
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3a–f eine erfindungsgemäße Anordnung in verschiedenen Rotationspositionen des Kommutators gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung darstellt;
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4a–d ein weiteres Beispiel der Anordnung des Kommutators und der Kohlen gemäß der vorliegenden Beschreibung darstellt;
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5 ein Beispiel einer Bürste in Bezug auf den Kommutator zeigt;
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6 ein Beispiel der Generierung von zwei Hauptsignalen bei der Kommutierung von zwei auf drei Lamellen; und
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7 und 8 die Anordnung und Form von Magnetelementen in einem Elektromotor.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt die Draufsicht eines Beispiels eines Elektromotors 10 entlang einer Welle 29, welcher mit der vorliegenden Beschreibung verwendet werden kann. Zur besseren Darstellung der Bürsten bzw. Kohlen und des Kommutators ist eine gegebenenfalls vorhandene vordere Schutzkappe weggelassen. In einem zylinderförmigen Gehäuse 50 ist in üblicher Weise der Rotor mit einem Anker mit mehreren Ankerwicklungen angeordnet. Der Anker und die Ankerwicklungen sind der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt bzw. hinter einer Ankerabdeckung 20 befindlich. Der Anker und die entsprechenden Ankerwindungen entsprechen in ihrer Anzahl und Art üblichen Ankern. Der Anker rotiert innerhalb von Permanentmagneten 42, 44, wobei in üblicher Bauart jeweils gegenüberliegend zwei Nordpolmagneten 42 und zwei Südpolmagneten 44 angeordnet sind. Es kann jedoch auch eine andere Anordnungen von Permanentmagneten und jede beliebige Anzahl von Ankerelementen und Windungen verwendet werden.
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In üblicher Weise ist auf der Welle 29 ein Kommutator 30 angeordnet, der über eine Vielzahl von elektrischen Kontaktflächen bzw. Lamellen 32 aus elektrisch leitendem Material verfügt. Die Kontaktflächen 32 sind im dargestellten Beispiel an der Mantellfläche eines zylinderförmigen Kommutators angeordnet, so dass die Kontaktflächen Kontaktsegmente 32 einer Zylindermantelfläche ausbilden. Im dargestellten Beispiel verfügt der Kommutator 30 über zehn elektrische Kontaktsegmente 32a bis 32j, welche im gleichen Abstand zueinander an der äußeren Mantelfläche des Kommutators 30 angeordnet sind, wobei die Kontaktsegmente 32a bis 32j jeweils von isolierenden Schlitzen 33a bis 33j unterbrochen sind und somit voneinander elektrisch getrennt sind. Diese Anordnung von Kotaktsegmenten 32a bis 32j kann der Anordnung in einem konventionellen Elektromotor entsprechen.
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Darüber hinaus sind zumindest eine erste Bürste oder Kohle 61 und eine zweite Bürste oder Kohle 62 an dem Kommutator angeordnet und zwar derart, dass sie mit den ihnen jeweils gegenüberliegenden Kontaktsegmenten in elektrischem Kontakt stehen. Dazu sind die Kohlen in üblicher Weise in radialer Richtung beaufschlagt, beispielsweise mit einer Feder. Da die den Kontaktsegmenten zugewandte Seite der Bürste ein größeres Kreissegment abdecken als die Schlitzbreite 33a bis 33j, sind die Bürsten für eine bestimmte Winkeldrehung jeweils mit zwei der Kontaktflächen 32a bis 32j in elektrischem Kontakt.
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Wie in 1 dargestellt sind die Bürsten in der vorliegenden Anmeldung bei einer Ausführungsform in einem Winkel von ungefähr 90°, beispielsweise in einem Winkel von weniger 90° angeordnet. Beispielsweise kann auch vorgesehen, die Bürsten in einen Winkel kleiner als 90° anzuordnen.
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Im Gegensatz dazu und zum besseren Verständnis zeigt 2 schematisch eine konventionelle Anordnung von zwei Bürsten oder Kohlen 610 und 620 an dem Kommutator 30 eines zweipoligen Motors. Die erste Kohle 610 und die zweite Kohle 620 sind hier um 180° versetzt, also gegenüberliegend zueinander an dem Kommutator angeordnet. Bei einer geraden Anzahl von Kontaktflächen 32a bis 32j, erfolgt dann die Kommutierung von einer Kontaktfläche zur nächstliegenden auf beiden Seiten bzw. mit der ersten Kohle 610 und der zweiten Kohle 620 synchron. Das heißt im dargestellten Beispiel der 2 ist die erste Kohle 610 in elektrischem Kontakt mit der Kontaktfläche 32a, während die zweite Kohle 620 in elektrischen Kontakt mit der gegenüberliegenden Kontaktfläche 32f ist. Dreht sich nun der Rotor und damit der Kommutator 30 beispielsweise im Uhrzeigersinn, so folgt die Kommutierung der ersten Kohle 610 an der Kontaktfläche 32a zur Kontaktfläche 32b gleichzeitig mit der Kommutierung der zweiten Kohle 620 an der Kontaktfläche 32f zur Kontaktfläche 32g. Aus den Kommutierungszeiten ergibt sich dabei eine Schaltfolge in Kontakt mit zwei Lamellen/Kontaktflächen relativ kurz zu einem Kontakt mit vier Lamellen/Kontaktflächen relativ lang. Die Ausdrücke relativ kurz und relativ lang sind hier relativ zueinander und hängen in ihren absoluten Werten offensichtlich von der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors ab. Das Verhältnis von kurzen zu langen Kontaktzeiten wird durch das Verhältnis der Breite der Kohlen 610, 620 zu der breite der Kontaktflächen 32a bis 32j bestimmt und sollte so gewählt werden, dass die unterschiedlich langen Kontaktzeiten zuverlässig detektiert werden können.
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Wird anstatt des oben beschriebenen zwei poligen Motors mit zwei Kohlen 610, 620 ein vier-poliger Motor mit insgesamt vier Kohlen verwendet, so sind die Kohlen im üblicherweise in einem Winkel von 90° zu einander angeordnet. Bei bekannter symmetrischer Anordnung mit beispielsweise 12-teiligem Kommutator und eine Polwinkel zwischen den Kohlen von 90° ist ein Signal einfach zu erzeugen. Die Schaltreihenfolge ist dann bei einem Lamellenwechsel an beiden Kohlen symmetrisch und es sind immer insgesamt zwei oder vier Lamellen gleichzeitig in Kontakt mit den Kohlen. Der Wechsel von zwei zu vier Kontakten ist mit vergleichsweise starken Vibrationen verbunden.
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Ein 10 oder 14-teiligmer Kommutator mit entsprechend 10 bzw. 14 Kontaktflächen weist ein besseres akustisches Kommutierungsverhalten und erzeugt weniger nachteilige Geräusche und Vibrationen. Der Kontaktflächen/Lamellenwechsel stellt sich folgendermaßen dar: Bürsten-/Kohlenkontakt mit 3 Lamellen –> 4 Lamellen -> 3 Lamellen –> 4 oder 2 Lamellen -> 3 Lamellen. Es ergeben sich somit immer zwei Signale bzw. Lamellenwechsel.
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Um daraus ein Signal erzeugen zu können, sind unterschiedlich lange Schaltwechsel vorteilhaft. Unterschiedliche lange Schaltwechsel können vorteilhaft durch eine unsymmetrische oder asymmetrische Anordnung der Kohlen erreicht werden. Die umsymmetrische/asymmetrische Anordnung kann durch eine unterschiedlich Breite b der Kohlen erreicht werden und/oder durch eine unsymmetrische Anordnung um den Kommutator.
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3 zeigt im Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung. Hier sind die erste Kohle 61 und die zweite Kohle 63 in einem Winkel von ungefähr 90° oder kleiner zueinander angeordnet. Der Motor kann wie dargestellt ein zwei-poliger Motor sein, er kann aber auch ein vierpoliger Motor mit vier Kohlen sein oder einer anderen Anzahl von Kohlen sein. Für den Asynchronzähler der vorliegenden Beschreibung sind nur zwei Kohlen von Bedeutung, welche im dargestellten Beispiel im 86° Winkel angeordnet sind. Die anderen Kohlen sind daher zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen. Der Kommutator 30 der 3 kann dem Kommutator der vorangehenden Bilder entsprechen und weist zehn Kontaktflächen 32a bis 32j auf.
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Während die erste Kohle 61 im Wesentlichen der ersten Kohle 610 der 2 entspricht, weist die zweite Kohle 63 eine wesentlich geringere Breite. Beispielsweise kann die Breite der ersten Kohle 61 so gewählt werden, dass sie einer Lamellenbreite bzw. einem Kontaktsegment 32a bis 32j plus einer Schlitzbreite 33a bis 33j entspricht. Dahingegen kann die zweite Kohle 63 eine Breite von zum Beispiel einer halben Breite einer Kontaktfläche bzw. eines Kontaktsegments 32a bis 32j plus einer Schnittsbreite 33a bis 33j aufweisen. Beispielsweise können die Kohlen ein Breitenverhältnis von ungefähr 0,56 aufweisen. Aus dieser Anordnung ergibt sich eine differenzierte oder asynchrone Kommutierungszeit mit unsymmetrischen Kommutierungs- oder Schaltzeiten der beiden Kohlen 61, 63. Dabei sind in der Summe immer drei oder vier der Kontaktflächen 32a bis 32j mit der ersten Kohle 61 bzw. der zweiten Kohle 63 in Kontakt. In der Ausgangstellung der 3a ist beispielsweise die erste Kohle 61 mit der Kontaktfläche 32a alleine in Kontakt während die zweite Bürste 63 sowohl mit der Kontaktfläche 32c als auch mit der Kontaktfläche 32d in Kontakt ist. Die erste Bürste 65 und die zweite Bürste 63 sind somit insgesamt mit drei Kontaktsegmenten in Kontakt. Diese Situation währt jedoch bei einer Drehung des Kommutators 30 in Urzeigerrichtung nur für eine Bewegung um ungefähr eine Schlitzbreite 33a. Dann kommt die Kontaktfläche 32b ebenfalls in Kontakt mit der ersten Kohle 61, so dass nun sowohl die Kontaktfläche 32a als auch die Kontaktfläche 32b in Kontakt mit der ersten Kohle 61 sind, während die Kontaktfläche 32c und die Kontaktfläche 32d beide weiterhin in Kontakt mit der zweiten Kohle 63 sind. Zu diesem Zeitpunkt sind somit in der Summe vier Kontaktflächen in elektrischen Kontakt mit der ersten Kohle 61 beziehungsweise mit der zweiten Kohle 63. Dreht sich der Kommutator ein kurzes Stück weiter, wie in 3c dargestellt, bleibt die erste Kohle 61 weiterhin in Kontakt mit den Kontaktflächen 32a und 32b, während die zweite Kohle 63 nun nur noch in Kontakt mit einer Kontaktfläche 32d ist. Dies ergibt sich aus der Wesentlich geringeren Breite der zweite Kohle gegenüber den Kontaktsegmenten 32a bis 32j. Es sind somit nur wieder drei Kontaktflächen 32a, 32b, 32d in Kontakt mit der ersten Kohle 61 beziehungsweise der zweiten Kohle 63. An der gesamt Situation ändert sich auch nichts, wenn sich der Kommutator 30 im Urzeigersinn weiterdreht, wie in 3d dargestellt. Hier währt der Kontakt mit den drei Kontaktflächen also relativ lang, d. h. für einen größeren Drehwinkel. Nach einer weiteren Drehung wird, wie in 3e dargestellt, die nächste Kontaktfläche 32d zusätzlich zu der Kontaktfläche 32c in Kontakt mit der zweiten Bürste 63 kommt. Zu diesem Zeitpunkt sind weiterhin die beiden Kontaktflächen 32a und 32b in Kontakt mit der ersten Kohle 61, so dass hier wiederum ein Kontakt mit vier Kontaktflächen der ersten Kohle 61 beziehungsweise der zweiten Kohle 63 für einen kurzen Zeitraum, bzw. einen kleinen Drehwinkel erfolgt, nämlich bis die Kontaktfläche 32a die erste Kohle 61 verlässt. Dann ergibt sich in 3f die gleiche Stellung wie in 3a, jedoch um eine Kontaktfläche im Urzeigersinn verdreht und die Kommutierung beginnt in dem dargestellten Rhythmus drei Kontakte kurz, vier Kontakte lang, drei Kontakt lang, vier Kontakte kurz, wieder von neuem. Die Abfolge aus kurzen und langen Kontaktzeiten oder Schaltwechseln zueinander ist hier relativ zueinander zu verstehen. Die absolute Dauer hängt selbstverständlich von der Drehgeschwindigkeit des Rotors ab. Bei insgesamt 10 Kontaktsegmenten 32a bis 32j entspricht die eine „kurze” Drehung ungefähr einem Drehwinkel von 7,2°, während eine „lange” Drehung ungefähr dem Doppelten entsprechen kann. Die 3a bis 3e entsprechen daher jeweils einem Drehwinkelunterschied von ungefähr 7,2°.
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Die in der 3 dargestellte Anordnung ergibt ein sehr gut und sehr präzise auswertbares Ripple-Signal. Zudem kann damit eine große Amplitude erreicht werden und der Asynchronzähler funktioniert schon sehr zuverlässig bei geringen Drehzahlen. Nach einer in der 3 dargestellten Abfolge hat sich der Rotor erst um eine zehntel Drehung gedreht, wenn wie im Beispiel 10 die Kontaktsegmente 32a bis 32j verwendet werden.
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4 zeigt ein alternatives Beispiel der vorliegenden Offenbarung, bei welcher anstatt unterschiedlich breiter Kohlen 61, 63 zwei Kohlen gleicher Breite 61, 62 für im rechten Winkel zueinander an dem Kommutator 30 angeordnet werden. Der Kommutator 30 mit den Kontaktsegmente 32a bis 32j und den Schlitzen 33a bis 33j kann wieder dem Kommutator der vorangehenden Beispiele entspreche. Im Gegensatz zum vorangehenden Beispiel weist hier jedoch die zweite Kohle 62 eine Breite wie die erste Kohle 61 auf, welche der Breite von einem Kontaktsegments 32a bis 32j plus einer Schlitzbreite 33a bis 33j entspricht.
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Die Kohlenbreite B ist so gewählt, dass sich ein symmetrischer, gleichlanger Schaltwechsel ergibt.
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Durch die Anordnung der ersten Kohle 61 und der zweiten Kohle 62 im rechten Winkel zueinander ergibt sich hier in der 4a kein wesentlicher Unterschied zu der 3a. Die erste Kohle 61 ist in Kontakt mit dem Kontaktsegment 32a während die zweite Kohle 62 in Kontakt mit den zwei Kontaktsegmenten 32c und 32d ist. Diese Situation hält nur für einen kurzen Zeitpunkt bzw. eine kleine Winkeldrehung, bis sich der Kommutator um eine Schlitzbreite 33 gedreht hat und die erste Kohle 61 zusätzlich mit der Kontaktfläche 32b in Kontakt kommt. Die erste Kohle 61 und die zweite Kohle 62 sind somit insgesamt mit vier Kontaktflächen in elektrischem Kontakt. Diese Situation währt auch nach einer weiteren Drehung an, wie sie in 4c dargestellt ist. Der Kontakt mit vier Kontaktsegmente halt somit für einen wesentlich längeren Zeitraum oder einen wesentlich größeren Drehwinkel an als der Kontakt mit drei Kontaktflächen. Wie in der 4d, dargestellt verlässt nach einer weiteren Drehung verlässt die Kontaktfläche 32c die zweite Kohle 62, welche dann nur noch mit dem Kontaktsegment 32d in Kontakt ist, während die ersten Kohle 61 weiterhin mit den Kontaktsegmenten 32a und 32b in Kontakt ist, so dass hier insgesamt drei der Kontaktflächen in Kontakt mit einer Kohle 61, 62 sind. Dieser Zustand währt jedoch auch nur für eine Schlitzbreite 33d, bis die Kontaktfläche 32e in Kontakt mit der zweiten Bürste 62 kommt, und zwar zusätzlich zu der Kontaktfläche 32d, wie in 4e dargestellt. Da die erste Kohle 61 weiterhin in Kontakt mit den Kontaktflächen 32a und 32b ist, sind hier wieder für einen längeren Zeitraum bzw. einen größeren Drehwinke insgesamt vier Kontaktsegmente 32a, 32b, 32d, 32e in Kontakt mit den Kohlen 61, 62. Der Schaltwechsel von 3 zu 4 Lamellen wiederholt sich und ist ungefähr gleich lang. Auch im Beispiel der 4 sind die Begriffe „kurz” und „lang” als relativ zueinander zu verstehen und hängen in ihren Absolutwerden von der Drehgeschwindigkeit ab. Bei einem Kommutator mit 10 Kontaktsegmenten kann der Begriff kurz einem Drehwinkel von ungefähr 5,3° entsprechen, was dem Unterschied zwischen zwei Figuren der Figurenfolge 4a bis 4f entspricht.
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Auch mit dieser Anordnung lässt sich vorteilhaft der Elektromotor als Asynchronzähler betreiben und ermöglicht eine Detektion der Bewegung beziehungsweise der Positionierung des Elektromotors. In dem in 4 dargestellten Beispiel sind die Kohlenbreiten so gewählt, dass sich eine symmetrische Schaltfolge ergibt. Dadurch entsteht im Vergleich zu dem Beispiel der 3 eine doppelte Frequenz mit geringerer Stromgröße (2 Hauptsignale), was sich auf die Empfindlichkeit nachteilig auswirkt, jedoch entsteht ein symmetrischer Impuls.
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5 zeigt, wie die Kohlen/Bürsten 61 bezüglich des Kommutators 30 ausgerichtet sein und beschaffen sein können. Dabei sollte gewährleistet sein, dass die Kohle sicher über ihre ganze Berührungsfläche mit dem Kommutator anliegt, damit die zuvor genannte Funktion zuverlässig sichergestellt werden kann. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Kohleradius gleich groß wie der Kommutatorradius bzw. der Außenradius der Kontaktflächen oder -segmente oder gegebenenfalls geringfügig größer ist. Zudem sollten die Kohlen einen Anlaufbereich haben der entsprechend groß gestaltet werden sollte, damit ein flattern der Kohle vermieden werden kann und die Auflage bezogen auf diese Segmentbreite gewährleistet wird. Dadurch kann eine Führung oder quasi Führung der jeweiligen Kohle über den Kommutator gegeben werden und ferner kann die Entstehung von Störfrequenzen und Vibrationen der Kohle vermieden werden.
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6 und 7 zeigen einen weiteren Aspekt, wie eine Elektromotor als Asynchronzähler oder „ripple counter” verwendet werden kann. Bei einer 90° Anordnung von insgesamt vier gleichen Kohlen/Bürsten und einer für die Geräuschentwicklung vorteilhaften Verwendung von 10 Kontaktsegmenten/Lamellen werden über jeweils zwei im 90° Winkel angeordnete Bürsten/Kohlen zwei verschieden Kontaktwechsel von zwei auf drei Kontakte erzeugt, wie in den 6a bis 6d dargestellt. Dadurch entstehen im Wesentlichen zwei gleiche oder ähnliche Signale, ein erstes Signal durch den Übergang von 2 auf 3 Kontaktsegmente und ein 2. Signal durch den Übergang von 2 auf 3 Kontaktsegmente. Das erste und das zweite Signal sind in diesem Fall nicht unterscheidbar. Alternativ oder auch ergänzend zu den oben beschriebenen unsymmetrischen Kontaktzeiten, wird in diesem Aspekt vorgeschlagen, eines aus dem ersten und dem zweiten Signal zu Dämpfen oder zu unterdrücken, um beide Signale unterscheidbar zu machen.
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Anstatt der üblichen symmetrischen Anordnung von vier Statormagneten oder Polschuhen 420, 440 in einem Winkel von 90°, wie in 1 und auch in 7a dargestellt, können die Statormagnete auch asymmetrisch angeordnet werden oder zumindest teilweise eine unsymmetrische Form aufweisen. Eine unsymmetrische Anordnung ist beispielsweise in den 7b und 7c für alternative Ausführungsformen dargestellt. Die Statormagnete 421, 422, 431, 432, 441, 442, 451, 452, werden dabei so angeordnet, dass nur bei einem aus dem ersten und dem zweiten Signal jeweils zwei der Spulenstränge nicht in dem Magnetfeldliegen oder das Magnetfeld zumindest reduziert wird. Dadurch kann entweder das erste oder das zweite Signal abgeschwächt oder ganz unterdrückt werden.
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Wie in 7b dargestellt, kann vorgesehen sein, jeweils die Statormagneten paarweise 421, 431 und 441, 451 symmetrisch gegenüber einander im Winkel von 180° zueinander anzuordnen. Die beiden Paare sind jedoch zueinander nicht wie üblich in einem Winkel von 90° angeordnet sondern deutlich versetzt dazu, beispielsweise in einem Winkel von 70° bis 85°.
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Wie in 7c dargestellt, kann auch vorgesehen sein, die Statormagnete 422, 432, 442, 452 in einem Winkel verschieden von 90° zueinander anzuordnen. Beispielsweise kann vorgesehen sein zwischen einem ersten Statormagnet 422 und den angrenzenden Statormagneten 452 und/oder 442 einen Winkel von ungefähr 100° auf vorzusehen. Der entsprechende Winkel zu dem vierten Statormagnet 432 ist dann entsprechend geringer und liegt in dem dargestellten Beispiel bei ungefähr 80°.
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Alternativ oder ergänzend zu der unsymmetrischen Anordnung der Statormagnete, wie mit Bezug auf die 7b und 7c beschrieben, kann auch eine unsymmetrische Formgebung der Statormagnete vorgesehen sein, wie in 8 dargestellt. In der 8 ist zum besseren Verständnis lediglich die Stator dargestellt. Alle den Rotor betreffenden Elemente und die Bürsten sind nicht dargestellt und können den oben beschriebenen Anordnungen entsprechen. Die Statormagnete 423, 433 und 442, 453 sind wie in der 7b jeweils paarweise zueinander gegenüberliegend angeordnet. Das Statormagnetpaar 423, 433 zu dem zweiten Statormagnetpaar 443, 453 unsymmetrisch angeordnet. Zusätzlich dazu und im Gegensatz zu dem Beispiel der 7b, sind die einzelnen Satormagnete 423, 433, 443 und 453 hier nicht symmetrisch, sondern weisen eine unsymmetrische Formgebung auf, so dass ein unsymmetrischer Feldlinienverlauf des Statoramgnetfeldes erreicht wird. In dem in der 8 dargestellte Beispiel weist jeder der Statormagnete 423, 433, 443 und 453 ein Ende mit normaler Stärke 4231, 4331, 4431 und 4531 und ein abgeflachtes Ende 4232, 4332, 4432 und 4532. Die abgeflachten Enden 4232, 4332, 4432 und 4532 sind jeweils paarweise zueinander angeordnet um die Asymmetrie des Magnetfeld zu verstärken. Zudem sind die abgeflachten Enden 4232, 4332, 4432 und 4532 so angeordnet, dass jeweils der Abstand zwischen den abgeflachten Enden 4232, 4332, 4432 und 4532 größer ist, als der Abstand zwischen den Enden mit normaler Stärke 4231, 4331, 4431 und 4531. Damit wird der Vorteil der unsymmetrischen Form mit der unsymmetrischen Anordnung kombiniert.
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Während der Begriff Statormagnet für die Beschreibung der Beispiele verwendet wird, kann das Magnetfeld auch durch Polschuhe oder andere dem Fachmann bekannte Mittel ausgerichtet werden. Der Statormagnet kann je nach Motortyp ein Permanentmagnet sein oder ein Elektromagnet
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Während voranstehend einige Bespiele der Erfindung angegeben wurden, ergibt sich für Fachmann das weitere Modifikationen oder Kombinationen der genannten Ausführungsformen möglich sind. Ferner wird der Fachmann erkennen, dass anstatt der Veränderung der Breite der Kohlen auch eine Veränderung der Breite der Kontaktflächen oder -segmente des Kommutators oder eine andere Spaltbreite zwischen den Kontaktsegmenten möglich ist.
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Ferner wird der Fachmann erkennen, dass die Anzahl der Kontaktflächen entsprechend den Anforderungen gewählt werden kann und nicht auf das dargestellte Beispiel von zehn Kontaktflächen begrenzt sein muss. Ferner kann ein ähnlicher Effekt durch eine andere Anzahl von Kohlen erreicht werden.
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Die Begriffe unsymmetrisch und asymmetrisch werden hierin synonym verwendet und beschreiben eine nicht-symmetrische Anordnung.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor kann weiterhin über Einrichtungen verfügen, welche es ermöglichen die entsprechenden elektrischen Kontakte zu lesen uns auszuwerten. Dazu können insbesondere Spannungen oder Spannungsänderungen in den Erregerkreisen bestimmt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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