DE102012205941A1

DE102012205941A1 - Kommutatormotor

Info

Publication number: DE102012205941A1
Application number: DE201210205941
Authority: DE
Inventors: Matthias Jacob; Curt Michael Petersen Willadsen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2013-10-17

Abstract

Bei einem Kommutatormotor (100) mit einem Kommutator (185), der einen an einer Kollektorlauffläche in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten (187, 197) stehenden Kollektor (183) aufweist, der elektrisch leitend mit einer Motorwicklung verbunden ist, die im Betrieb des Kommutatormotors (100) ein Wechselspannungssignal erzeugt, das einem über die Bürsten (187, 197) und den Kollektor (183) der Motorwicklung zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal überlagert ist, wobei das Wechselspannungssignal und das Gleichspannungsversorgungssignal ein resultierendes Motorspannungssignal bilden, das einen niederfrequenten Basisspannungsanteil und eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen aufweist, ist eine Signalüberwachungseinrichtung (500) vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, die Erzeugung des resultierenden Motorspannungssignals in einer Mehrzahl möglicher Betriebszustände des Kommutatormotors (100) derart zu steuern, dass das resultierende Motorspannungssignal in jedem der möglichen Betriebszustände zumindest dazu geeignet ist, eine eindeutige Bestimmung einer jeweiligen Drehstellung des Kollektors (183) zu ermöglichen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kommutatormotor mit einem Kommutator, der einen an einer Kollektorlauffläche in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten stehenden Kollektor aufweist, der elektrisch leitend mit einer Motorwicklung verbunden ist, die im Betrieb des Kommutatormotors ein Wechselspannungssignal erzeugt, das einem über die Bürsten und den Kollektor der Motorwicklung zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal überlagert ist, wobei das Wechselspannungssignal und das Gleichspannungsversorgungssignal ein resultierendes Motorspannungssignal bilden, das einen niederfrequenten Basisspannungsanteil und eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen aufweist.
Aus dem Stand der Technik sind derartige Kommutatormotoren bekannt, die zur Kommutierung ausgebildete Kommutatoren und eine zugeordnete Motorwicklung aufweisen. Diese haben einen an einer Kollektorlauffläche in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten stehenden Kollektor, der an einem Rotor des Kommutatormotors vorgesehen ist und eine Vielzahl voneinander beabstandeter Lamellen aufweist. Über die in zugeordneten Bürstenhaltern in einem vorgegebenen Bürstenwinkel relativ zueinander angeordneten Bürsten, z. B. Kohlebürsten, und die voneinander beabstandeten Lamellen des Kollektors wird der Motorwicklung ein zum Betrieb des Kommutatormotors erforderlicher Motorstrom von einer an die Kohlebürsten angelegten Gleichspannungsversorgungsquelle zugeführt. Dieser Motorstrom weist aufgrund der bei der Kommutierung an den Kohlebürsten auftretenden Lamellenwechseln eine Welligkeit mit entsprechenden Stromspitzen auf, die bei den Lamellenwechseln entstehen. Die Stromspitzen werden im Allgemeinen als „Stromrippel“ bezeichnet und können z. B. zur Bestimmung einer jeweiligen Motorpositionierung und Motordrehzahl bzw. Drehstellung und Drehzahl des Rotors ausgewertet werden.
Darüber hinaus erzeugt die Motorwicklung im Betrieb des Kommutatormotors bei Lamellenwechseln aufgrund der in der Motorwicklung jeweils gespeicherten Energie ein Wechselspannungssignal, das bei Lamellenwechseln durch Rückkopplung einem über die Bürsten und den Kollektor der Motorwicklung zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal von der Gleichspannungsversorgungsquelle überlagert ist. Das Wechselspannungssignal und das Gleichspannungsversorgungssignal bilden ein resultierendes Motorspannungssignal, das einen niederfrequenten Basisspannungsanteil und eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen aufweist. Dieses resultierende Motorspannungssignal kann ebenfalls z. B. zur Bestimmung einer jeweiligen Motorpositionierung und Motordrehzahl bzw. Drehstellung und Drehzahl des Rotors ausgewertet werden.
Nachteilig am Stand der Technik ist, dass in derartigen Kommutatormotoren z. B. bei einer Unterbrechung einer Bestromung der Motorwicklung bei drehendem Rotor bis auf Leckströme kein Strom mehr fließen kann, sodass bei entsprechenden Lamellenwechseln keine messbaren Spannungsspitzen mehr rückgekoppelt werden, die z. B. zur Bestimmung einer jeweiligen Motorpositionierung und Motordrehzahl bzw. Drehstellung und Drehzahl des Rotors ausgewertet werden könnten. Dies ist ebenso der Fall, wenn ein derartiger Kommutatormotor kurzgeschlossen wird, d. h. wenn dessen Bürsten mit Masse verbunden werden, beispielsweise um eine erforderliche Selbsthemmung der Motoren zu erreichen, z. B. bei einer Verwendung des Motors zum Antrieb eines Fensterhebers. Darüber hinaus können bei derartigen Kommutatormotoren, wenn diese z. B. über zugeordnete Schaltelemente angesteuert werden, bei entsprechenden Schaltvorgängen der Schaltelemente Spannungsspitzen erzeugt werden, die dem resultierenden Motorspannungssignal ebenfalls überlagert werden und den bei Lamellenwechseln auftretenden Spannungsspitzen ähnlich sind, sodass diese eine entsprechende Auswertung des resultierenden Motorspannungssignals z. B. zur Bestimmung einer jeweiligen Motorpositionierung und Motordrehzahl bzw. Drehstellung und Drehzahl des Rotors beeinträchtigen können.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen neuen Kommutatormotor bereit zu stellen, bei dem eine sensorlose Motorpositionierungs- und -drehzahlerfassung ermöglicht wird.
Dieses Problem wird gelöst durch einen Kommutatormotor mit einem Kommutator, der einen an einer Kollektorlauffläche in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten stehenden Kollektor aufweist, der elektrisch leitend mit einer Motorwicklung verbunden ist, die im Betrieb des Kommutatormotors ein Wechselspannungssignal erzeugt, das einem über die Bürsten und den Kollektor der Motorwicklung zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal überlagert ist. Das Wechselspannungssignal und das Gleichspannungsversorgungssignal bilden ein resultierendes Motorspannungssignal, das einen niederfrequenten Basisspannungsanteil und eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen aufweist. Eine Signalüberwachungseinrichtung ist vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, die Erzeugung des resultierenden Motorspannungssignals in einer Mehrzahl möglicher Betriebszustände des Kommutatormotors derart zu steuern, dass das resultierende Motorspannungssignal in jedem der möglichen Betriebszustände zumindest dazu geeignet ist, eine eindeutige Bestimmung einer jeweiligen Drehstellung des Kollektors zu ermöglichen.
Die Erfindung ermöglicht somit die Bereitstellung eines Kommutatormotors, bei dem durch die Verwendung einer unkomplizierten und kostengünstigen Signalüberwachungseinrichtung die Auswertung eines resultierenden Motorspannungssignals bei einer Vielzahl unterschiedlicher Betriebszustände ermöglicht wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Signalüberwachungseinrichtung dazu ausgebildet, eine Erzeugung der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen bei einer Verdrehung des Kollektors relativ zu den Bürsten in einem möglichen Betriebszustand zu ermöglichen, in dem die Motorwicklung stromlos geschaltet ist.
Somit kann eine Auswertung eines resultierenden Motorspannungssignals zur präzisen und zuverlässigen Motorpositionierungs- und -drehzahlerfassung auch im stromlosen Zustand der Motorwicklung bei sich drehendem Kollektor auf einfache Art und Weise ermöglicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Signalüberwachungseinrichtung dazu ausgebildet, eine Erzeugung der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen bei einer Verdrehung des Kollektors relativ zu den Bürsten in einem möglichen Betriebszustand zu ermöglichen, in dem die Motorwicklung kurzgeschlossen ist.
Somit kann eine Auswertung eines resultierenden Motorspannungssignals zur präzisen und zuverlässigen Motorpositionierungs- und -drehzahlerfassung auch im kurzgeschlossenen Zustand der Motorwicklung bei sich drehendem Kollektor auf einfache Art und Weise ermöglicht werden.
Bevorzugt ist die Signalüberwachungseinrichtung dazu ausgebildet, die Erzeugung der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen derart zu ermöglichen, dass diese zumindest eine vorgegebene Amplitude aufweisen.
Somit können robuste und zur weiteren Auswertung bzw. Verarbeitung mit einer ausreichenden Amplitude versehene Spannungsspitzen sicher und zuverlässig erzeugt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kommutator über mindestens ein erstes Schaltelement ansteuerbar, wobei zwischen dem ersten Schaltelement und Masse ein ohmscher Widerstand zur Vergrößerung eines dem ersten Schaltelement zugeordneten Übergangswiderstands vorgesehen ist.
Die Erfindung ermöglicht somit die Bereitstellung eines Kommutatormotors, bei dem durch Verwendung des im Massepfad angeordneten ohmschen Widerstands auf einfache Art und Weise der Übergangswiderstand entsprechender Schaltelementkontakte vergrößert werden kann und somit eine ausreichende Verstärkung der erzeugten Spannungsspitzen ermöglicht wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Signalüberwachungseinrichtung dazu ausgebildet, eine Erzeugung der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen in einem zum Zeitpunkt eines Ein- oder Ausschaltens des ersten Schaltelements auftretenden möglichen Betriebszustand zur Vermeidung eines Auftretens von Schalttransienten im resultierenden Motorspannungssignal zu verhindern.
Somit kann eine Erzeugung unerwünschter Schalttransienten, die eine Auswertung bzw. Weiterverarbeitung des resultierenden Motorspannungssignals beeinträchtigen könnten, sicher und zuverlässig verhindert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist parallel zum ersten Schaltelement zwischen einer diesem zugeordneten Bürste und Masse eine Freilaufdiode angeordnet, deren Anode mit Masse verbunden ist, wobei die Freilaufdiode dazu ausgebildet ist, das resultierende Motorspannungssignal bei einem Ein- oder Ausschalten des ersten Schaltelements auf einen positiven Spannungsbereich gegenüber Masse zu begrenzen.
Die Erfindung ermöglicht somit die Bereitstellung eines Kommutatormotors, bei dem durch Verwendung der Freilaufdiode zumindest einer im Einschaltmoment des ersten Schaltelements auftretenden Schwingung sicher und zuverlässig die Energie entzogen werden kann.
Bevorzugt ist parallel zum ersten Schaltelement zwischen einer diesem zugeordneten Bürste und einem Pluspol einer zugeordneten Gleichspannungsversorgungsquelle ein Kondensator angeordnet, der dazu ausgebildet ist, bei einem Ein- oder Ausschalten des ersten Schaltelements im resultierenden Motorspannungssignal auftretende Schalttransienten zumindest zu dämpfen.
Somit kann eine korrekte und zuverlässige Auswertung bzw. weitere Verarbeitung des resultierenden Motorspannungssignals auf einfache Art und Weise ermöglicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist mindestens ein zweites Schaltelement vorgesehen, das mit dem ersten Schaltelement verschaltet ist, um einen Reversierbetrieb des Kommutatormotors zu ermöglichen.
Somit kann vorteilhafterweise ein Reversierbetrieb des Kommutatormotors ermöglicht werden.
Bevorzugt ist zumindest das erste Schaltelement nach Art eines Relais ausgebildet.
Somit kann ein unkompliziertes und robustes Schaltelement bereitgestellt werden.
Das Eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Kommutatormotors, der einen Kommutator aufweist, der mit einem an einer Kollektorlauffläche in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten stehenden Kollektor versehen ist, der elektrisch leitend mit einer Motorwicklung verbunden ist, die im Betrieb des Kommutatormotors ein Wechselspannungssignal erzeugt, das einem über die Bürsten und den Kollektor der Motorwicklung zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal überlagert ist. Das Wechselspannungssignal und das Gleichspannungsversorgungssignal bilden ein resultierendes Motorspannungssignal, das einen niederfrequenten Basisspannungsanteil und eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen aufweist. Die Erzeugung des resultierenden Motorspannungssignals wird in einer Mehrzahl möglicher Betriebszustände des Kommutatormotors mit einer Signalüberwachungseinrichtung derart gesteuert, dass das resultierende Motorspannungssignal in jedem der möglichen Betriebszustände zumindest dazu geeignet ist, eine eindeutige Bestimmung einer jeweiligen Drehstellung des Kollektors zu ermöglichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Kommutatormotors mit einem zugeordneten Getriebe gemäß einer Ausführungsform,
2 eine schematische Ansicht des Kommutatormotors von 1 mit der zugeordneten Signalaufbereitungseinheit von 1 sowie von dieser gemessenen und erzeugten Signalen,
3 ein Messdiagramm von im Betrieb des Kommutatormotors von 1 und 2 von der Signalaufbereitungseinheit von 2 gemessenem Motorstrom, resultierender Motorspannung sowie hochpassgefilterter und verstärkter Motorspannung gemäß einer Ausführungsform,
4 ein vergrößerter Ausschnitt des Messdiagramms von 3,
5 eine schematische Ansicht der Signalüberwachungseinrichtung von 1 gemäß einer ersten Ausführungsform,
6 eine schematische Ansicht einer Signalüberwachungseinrichtung zur Verwendung mit dem Kommutatormotor von 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform,
7 eine schematische Ansicht von Signalverläufen des Kommutatormotors von 1 mit und ohne die Signalüberwachungseinrichtung von 5 oder 6 beim Übergang des Kommutatormotors in einen stromlosen Zustand,
8 eine schematische Ansicht von Signalverläufen des Kommutatormotors von 1 mit und ohne die Signalüberwachungseinrichtung von 5 oder 6 im kurzgeschlossenen Zustand des Kommutatormotors, und
9 eine schematische Ansicht von Signalverläufen des Kommutatormotors von 1 mit und ohne die Signalüberwachungseinrichtung von 5 oder 6 bei beispielhaften Schaltvorgängen des Kommutatormotors.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen mit Stator- und Rotorkomponenten 181 bzw. 182 versehenen Kommutatormotor 100 mit einer Motorwelle 184 gemäß einer Ausführungsform, der illustrativ in einem Motorgehäuse 180 angeordnet ist. Die Statorkomponenten 181 weisen beispielhaft Permanentmagneten 186 auf und die Rotorkomponenten 182 beispielhaft einen Rotor- bzw. Eisenkern 188 mit einer zur Vereinfachung der Zeichnung nur abschnittsweise gezeigten Motorwicklung 199.
Der Kommutatormotor 100 kann z. B. als Antriebsmotor für einen elektrischen Fensterheber, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, Anwendung finden. Hierzu ist der Motor 100 illustrativ mit einem in einem Getriebegehäuse 120 angeordneten Getriebe 110 verbunden, das von der Motorwelle 184 z. B. zur Betätigung eines zugeordneten Fensterhebers antreibbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Kommutatormotor 100 zur Kommutierung einen Kommutator 185 mit einem vorgegebenen Kommutatordurchmesser auf und kann derart steuer- bzw. regelbar sein, dass sowohl ein Reversierbetrieb, als auch Vorgaben hinsichtlich einer gewünschten Drehgeschwindigkeit realisierbar sind. Die Funktionsweise und der Aufbau eines geeigneten Kommutatormotors sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, sodass hier zwecks Knappheit der Beschreibung auf eine eingehende Beschreibung verzichtet wird.
Illustrativ umfasst der Kommutator 185 einen Kollektor 183, der an einer zugeordneten Kollektorlauffläche 189 mit zwei oder mehr Bürsten 187, 197 einen Schleifkontakt herstellt, sodass dem Motor 100 im Betrieb über die Bürsten 187, 197 und den Kollektor 183 ein geeigneter Motorstrom zugeführt werden kann. Zur Zuführung dieses Motorstroms zum Motor 100 sind die Bürsten 187, 197 mit einer zugeordneten Gleichspannungsversorgungsquelle 106, 108 elektrisch leitend verbunden, die hier zur Vereinfachung der Zeichnung lediglich schematisch durch ihren Pluspol 108 und ihren Minuspol 106 angedeutet ist und die zur Zuführung eines zugeordneten Gleichspannungsversorgungssignals (311 in 3) zur Motorwicklung 199 ausgebildet ist.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Beschreibung einer Gleichspannungsversorgungsquelle lediglich beispielhaften Charakter hat und nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen ist. Vielmehr kann auch eine Wechselspannungsversorgungsquelle zur Bereitstellung eines Wechselspannungsversorgungssignals Anwendung finden, wobei das Wechselspannungsversorgungssignal z. B. durch geeignete Transformatorelemente in ein geeignetes Gleichspannungsversorgungssignal umgewandelt wird.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Bürsten 187, 197 einerseits mit einer Signalaufbereitungseinheit 200, die unten bei 2 beschrieben ist, und andererseits mit einer Signalüberwachungseinrichtung 500 verbunden, die unten bei 5 beschrieben ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Signalaufbereitungseinheit 200 hier schematisch unmittelbar an die Bürsten 187, 197 angeschlossen ist, die Erfindung jedoch nicht auf diese Einschränkung festgelegt ist. Vielmehr können zwischen die Signalaufbereitungseinheit 200 und die Bürsten 187, 197 noch weitere elektronische Bauteile verschaltet werden, z. B. Filterkomponenten zur Filterung von elektromagnetischen Störsignalen usw., oder die Signalaufbereitungseinheit 200 kann unmittelbar an die Gleichspannungsversorgungsquelle 106, 108 angeschlossen werden.
Die Bürsten 187, 197 sind in einem zugeordneten Bürstenhalter 140 angeordnet, der z. B. nach Art eines einstückigen Spritzgussteils ausgebildet ist, und weisen jeweils eine Bürstenbreite auf, die z. B. im Bereich von 1,8 mm bis 3,0 mm liegt. Mindestens eine der Bürsten 187, 197 kann kohlehaltiges Material aufweisen und ist z. B. nach Art einer Kohlebürste ausgebildet.
Der Kollektor 183 ist in einer in Richtung von Pfeilen 150 gesehenen, vergrößerten Draufsicht 160 verdeutlicht und weist illustrativ eine Vielzahl von ringförmig angeordneten Lamellen 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179 auf, deren Außenumfang die Kollektorlauffläche 189 ausbilden. Die Anzahl der Lamellen 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179 ist z. B. gleich einem ganzzahligen Vielfachen von vier. Die Lamellen 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179 sind illustrativ an einem den Rotorkomponenten 182 zugeordneten Befestigungselement 190 befestigt. Dieses Befestigungselement 190 ist z. B. eine Rotorwelle 190, die mit dem Rotorkern 188 verbunden oder an diesen angeformt ist.
Der Rotorkern 188 weist beispielhaft eine Vielzahl von Polsegmenten auf, zwischen denen zugeordnete Nuten bzw. Schlitze zur Aufnahme der Motorwicklung 199 ausgebildet sind. Illustrativ weist der Rotorkern 188 zwölf Polsegmente 128, 129, 130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139 auf, die jeweils einen Zahnabschnitt und einen zugeordneten Jochabschnitt haben. Z. B. hat das Polsegment 130 einen Zahnabschnitt 192 und einen Jochabschnitt 194. Der Rotorkern 188 ist somit zwölfnutig ausgebildet und darüber hinaus gemäß einer Ausführungsform vierpolig am Stator 181 ausgestaltet. Die Motorwicklung 199 ist zur Vereinfachung der Zeichnung lediglich am Polsegment 139 gezeigt; dem Fachmann ist jedoch hinreichend bekannt, wie die Motorwicklung 199 vollständig am Rotorkern 188 angeordnet werden kann.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der vierpolige Kommutatormotor 100 lediglich beispielhaft zwölfnutig ausgebildet ist und nicht zur Einschränkung der Erfindung. Vielmehr kann der vierpolige Kommutatormotor 100 wie oben beschrieben eine Anzahl von Lamellen und somit eine Anzahl von Nuten aufweisen, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen von vier ist, sodass die vorliegende Erfindung z. B. auch bei sechzehnnutigen oder achtnutigen, vierpoligen Kommutatormotoren Anwendung finden kann.
Im Betrieb des Kommutatormotors 100 wird der Motorwicklung 199 von der Gleichspannungsversorgungsquelle 106, 108 über den Kommutator 185, d. h. über die Bürsten 187, 197 und den Kollektor 183, ein Gleichspannungsversorgungssignal (311 in 3) zugeführt, um die Rotorwelle 190 und somit die Motorwelle 184 in Drehungen zu versetzen. Hierdurch wird der Kollektor 183 relativ zu den Bürsten 187, 197 verdreht, sodass durch entsprechende, an den Bürsten 187, 197 auftretende Lamellenwechsel Kommutierungen des Kommutators 185 bewirkt werden. Unter einem derartigen Lamellenwechsel wird im Kontext der vorliegenden Erfindung verstanden, dass z. B. bei einer Drehung der Rotorwelle 190 im Uhrzeigersinn zunächst die Lamelle 174 an der Bürste 197 anliegt, dann die Lamelle 173, dann die Lamelle 172 usw.
Durch das Gleichspannungsversorgungssignal (311 in 3) wird in der Motorwicklung 199 eine Energie erzeugt, die von der Motorwicklung 199 in Form eines Wechselspannungssignals (315 in 3) auf die Bürsten 187, 197 rückgekoppelt und dem Gleichspannungsversorgungssignal (311 in 3) überlagert wird, sodass dieses und das rückgekoppelte Wechselspannungssignal (315 in 3) ein resultierendes Motorspannungssignal (310 in 3) bilden. Dieses resultierende Motorspannungssignal (310 in 3) weist einen dem Gleichspannungsversorgungssignal (311 in 3) zugeordneten, niederfrequenten Basisspannungsanteil (312 in 3) sowie ein dem Wechselspannungssignal (315 in 3) zugeordnetes, hochfrequentes Rauschen (313 in 3) und eine Vielzahl von dem Wechselspannungssignal (315 in 3) zugeordneten, hochfrequenten Spannungsspitzen (314 in 3) auf, wie unten bei 3 beschrieben.
Das hochfrequente Rauschen (313 in 3) kann z. B. durch extrinsische Störgrößen, wie z. B. EMV- und/oder ESD-Strahlung entstehen. Die Spannungsspitzen (314 in 3) entstehen jeweils bei einer entsprechenden Abkommutierung, d. h. wenn eine entsprechende Lamelle, z. B. Lamelle 174, vollständig von einer zugeordneten Bürste, z. B. Bürste 197, weggedreht ist und diese sich ausschließlich gegenüber einer unmittelbar nachfolgenden Lamelle, z. B. Lamelle 173, befindet. Ebenso können Spannungsspitzen bei der Aufkommutierung erzeugt werden, sobald die Bürste eine neue Lamelle berührt. Allerdings können die Spannungsspitzen (314 in 3) bei bestimmten Betriebszuständen des Kommutatormotors 100 entfallen oder vermehrt auftreten und somit eine weitere Auswertung bzw. Verarbeitung des resultierenden Motorspannungssignals (310 in 3) zumindest beeinträchtigen. Deshalb wird gemäß einer Ausführungsform die Erzeugung des resultierenden Motorspannungssignals (310 in 3) zumindest in einer Mehrzahl möglicher Betriebszustände des Kommutatormotors 100 derart von der Signalüberwachungseinrichtung 500 gesteuert, dass das resultierende Motorspannungssignal (310 in 3) in jedem der möglichen Betriebszustände zumindest zur eindeutigen Bestimmung der jeweiligen Drehstellung und/oder Drehzahl und/oder Drehrichtung des Kollektors 183 verwendbar ist, wie unten bei 5 bis 9 beschrieben. Diese möglichen Betriebszustände umfassen zumindest einen stromlosen und einen kurzgeschlossenen Zustand des Kommutatormotors 100 bzw. der Motorwicklung 199, sowie Umschaltvorgänge des Kommutatorsmotors 100. Das erzeugte, resultierende Motorspannungssignal (310 in 3) wird von der Signalaufbereitungseinheit 200 erfasst und aufbereitet, wie nachfolgend bei 2 beschrieben.
2 zeigt den Kommutatormotor 100 von 1 mit der Signalaufbereitungseinheit 200 gemäß einer Ausführungsform. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Kommutatormotor 100 in 2 zwecks Vereinfachung und Übersichtlichkeit der Zeichnung lediglich schematisch mit dem Kommutator 185, dem Kollektor 183 und den Bürsten 187, 197 abgebildet ist.
Wie bei 1 beschrieben wird der Signalaufbereitungseinheit 200 von dem Kommutatormotor 100 über die Bürsten 187, 197 ein schematisch abgebildetes, resultierendes Motorspannungssignal 215 zugeführt, wie mit einem Pfeil 202 angedeutet. Dieses hat, wie ebenfalls bei 1 beschrieben, einen beispielhaften niederfrequenten Basisspannungsanteil 216, dem illustrativ ein hochfrequentes Rauschen 214 überlagert ist, sowie eine beispielhafte Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen 217, 218, 219. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass in 2 bis 4 zur Vereinfachung der Beschreibung lediglich ein Normalbetrieb des Kommutatormotors 100 beschrieben wird, in dem die oben bei 1 beschriebenen, möglichen Betriebszustände beispielhaft nicht auftreten, da diese bei 5 bis 9 beschrieben werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Signalaufbereitungseinheit 200 mindestens einen Hochpassfilter 210, mindestens einen Verstärker 220, mindestens einen Tiefpassfilter 230 und mindestens einen Analog-/Digital-(A/D-)Wandler 240 auf. Der Hochpassfilter 210 kann zur Erfassung des resultierenden Motorspannungssignals 215 unmittelbar an die Bürsten 187, 197 oder alternativ hierzu auch an Minus- und Pluspol (106, 108 in 1) der dem Kommutatormotor 100 zugeordneten Gleichspannungsversorgungsquelle (106, 108 in 1) angeschlossen sein.
Der Hochpassfilter 210 kann z. B. mittels eines RC-Glieds realisiert werden und ist beispielhaft dazu ausgebildet, ein hochpassgefiltertes Spannungssignal 225 zumindest auf Basis von der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen 217, 218, 219 zu erzeugen und dem Verstärker 220 zuzuführen, wie mit einem Pfeil 212 angedeutet. Hierbei wird vom Hochpassfilter 210 durch eine Extrahierung der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen 217, 218, 219 aus dem resultierenden Motorspannungssignal 215 das hochpassgefilterte Spannungssignal 225 derart erzeugt, das dieses zumindest die Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen 217, 218, 219 in Form von gefilterten Spannungsspitzen 227, 228, 229 aufweist. Darüber hinaus kann auch das hochfrequente Rauschen 214 in dem hochpassgefilterten Spannungssignal 225 repräsentiert sein, wie beispielhaft mit einem Bezugszeichen 226 angedeutet, sodass auch das hochfrequente Rauschen 214 bei der Erzeugung des hochpassgefilterten Spannungssignals 225 vom Hochpassfilter 210 berücksichtigt wird.
Der Verstärker 220 weist z. B. ein proportionales Verstärkungsverhalten auf und ist beispielhaft zumindest zur Verstärkung des hochpassgefilterten Spannungssignals 225 ausgebildet, um eine Verstärkung der hochfrequenten Spannungsspitzen 217, 218, 219 bzw. der gefilterten Spannungsspitzen 227, 228, 229 zu verstärkten Spannungsspitzen 237, 238, 239 zu bewirken. Darüber hinaus kann der Verstärker 220 eine Tiefpass-Charakteristik aufweisen, die dazu dient, das hochfrequente Rauschen 226 zu unterdrücken, sodass der Verstärker 220 gemäß einer Ausführungsform auf Basis des hochpassgefilterten Spannungssignals 225 ein verstärktes Spannungssignal 235 erzeugt, das im Wesentlichen nur noch die verstärkten Spannungsspitzen 237, 238, 239 aufweist. Dieses verstärkte Spannungssignal 225 wird dem Tiefpassfilter 230 zugeführt, wie beispielhaft mit einem Pfeil 222 angedeutet.
Der Tiefpassfilter 230 ist beispielhaft dazu ausgebildet, ausgehend von dem verstärkten Spannungssignal 225 ein tiefpassgefiltertes Spannungssignal 245 zu erzeugen, in dem die verstärkten Spannungsspitzen 237, 238, 239 eine vorgegebene, zeitliche Verbreiterung aufweisen. Anders ausgedrückt ist der Tiefpassfilter 230 dazu ausgebildet, das tiefpassgefilterte Spannungssignal 245 mit verbreiterten Spannungsspitzen 247, 248, 249 zu erzeugen, die die verstärkten Spannungsspitzen 237, 238, 239 repräsentieren und illustrativ jeweils eine durch eine zugeordnete Zeitdauer T vorgegebene Breite aufweisen. Dieses tiefpassgefilterte Spannungssignal 245 wird dem A/D-Wandler 240 zugeführt, wie beispielhaft mit einem Pfeil 232 angedeutet.
Der A/D-Wandler 240 kann z. B. mit einem Schnitt-Trigger realisiert werden und dient beispielhaft zumindest zur Erzeugung eines zur Motorsteuerung verwendbaren, digitalen Ausgangssignals 255 durch A/D-Umwandlung des tiefpassgefilterten Spannungssignals 245. Hierbei ist das digitale Ausgangssignal 255 gemäß einer Ausführungsform zur weiteren Verarbeitung bzw. Auswertung z. B. durch einen Mikroprozessor verwendbar, um auf Basis des digitalen Ausgangssignals zumindest eine präzise Bestimmung von Motorpositionierung und -drehzahl zu ermöglichen.
Illustrativ ist der A/D-Wandler 240 zumindest dazu ausgebildet, das digitale Ausgangssignal 255 derart zu erzeugen, dass dieses annähernd rechteckförmige Impulse 257, 258, 259 aufweist, die die verbreiterten Spannungsspitzen 247, 248, 249 repräsentieren. Hierbei weisen die zumindest annähernd rechteckförmigen Impulse 257, 258, 259 beispielhaft eine vorgegebene Impulsdauer TI auf, die die oben beschriebene, weitere Verarbeitung bzw. Auswertung ermöglichen bzw. gewährleisten.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Signale 215, 225, 235, 245, 255 nur schematisch dargestellte Signalformen aufweisen und lediglich beispielhaften Charakter haben. Insbesondere dienen diese schematisch dargestellten Signalformen nur zur Verdeutlichung einer beispielhaften Funktionsweise des Kommutatormotors 100 und der Signalaufbereitungseinheit 200 und sind deshalb nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Dies wird nachfolgend bei 3 und 4 verdeutlicht, in der beispielhafte Messdiagramme zur Illustration von realen Signalverläufen gezeigt sind.
3 zeigt ein beispielhaftes Messdiagramm 300 mit illustrativen zeitlichen Verläufen eines resultierenden Motorspannungssignals 310, eines Motorstromsignals 320 sowie eines hochpassgefilterten und verstärkten, resultierenden Motorspannungssignals 330. Ein vergrößerter Ausschnitt 350 des Messdiagramms 300 ist bei 4 beschrieben.
Das resultierende Motorspannungssignal 310 wird in 2 von dem schematisch abgebildeten Signal 215 repräsentiert und beruht wie bei 1 beschrieben auf einem der Motorwicklung 199 von 1 zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal 311, dem ein von der Motorwicklung 199 von 1 erzeugtes Wechselspannungssignal 315 überlagert ist. Dementsprechend weist das resultierende Motorspannungssignal 310 einen dem Gleichspannungsversorgungssignal 311 zugeordneten, niederfrequenten Basisspannungsanteil 312 sowie ein dem Wechselspannungssignal 315 zugeordnetes, hochfrequentes Rauschen 313 und eine Vielzahl von dem Wechselspannungssignal 315 zugeordneten, hochfrequenten Spannungsspitzen auf. Beispielhaft sind zur Vereinfachung und Übersichtlichkeit der Zeichnung nur drei Spannungsspitzen mit dem Bezugszeichen 314 gekennzeichnet, die in 2 von den Spannungsspitzen 217, 218, 219 repräsentiert werden.
Das hochpassgefilterte und verstärkte, resultierende Motorspannungssignal 330 wird in 2 von dem schematisch abgebildeten Signal 235 repräsentiert und weist lediglich die zu verstärkten Spannungsspitzen 334 umgewandelten bzw. verstärkten Spannungsspitzen 314 des resultierenden Motorspannungssignals 310 auf. Diese verstärkten Spannungsspitzen 334 werden in 2 von den verstärkten Spannungsspitzen 237, 238, 239 repräsentiert.
Das Motorstromsignal 320 beruht wie oben beschrieben auf einem der Motorwicklung 199 von 1 über die Bürsten 187, 197 von 1 und 2 zugeführten Motorstrom 323, der aufgrund von bei der Kommutierung an den Bürsten 187, 197 von 1 und 2 auftretenden Lamellenwechseln eine Welligkeit 321 mit entsprechenden Stromspitzen aufweist, die bei den Lamellenwechseln entstehen. Beispielhaft sind zur Vereinfachung und Übersichtlichkeit der Zeichnung nur drei Stromspitzen mit dem Bezugszeichen 322 gekennzeichnet, die gebräuchlicherweise auch als „Stromrippel“ bezeichnet werden.
Der niederfrequente Basisspannungsanteil (216; 312) weist beispielsweise etwa die gleiche Periodendauer auf, wie die Periodendauer des Stromrippel-Signals. Die hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218; 219, 314) hingegen haben eine Impulsdauer, die deutlich kürzer ist als die Periodendauer des Basisspannungsanteils (216; 312). Dabei wiederholen sich die Spannungsspitzen beispielsweise mit der Periodendauer des Basisspannungsanteils (216; 312), oder eines Bruchteils dieser Periodendauer.
4 zeigt ein beispielhaftes Messdiagramm 400, das den Ausschnitt 350 der in dem Messdiagramm 300 von 3 gezeigten, zeitlichen Verläufe des resultierenden Motorspannungssignals 310, des Motorstromsignals 320 sowie des hochpassgefilterten und verstärkten, resultierenden Motorspannungssignals 330 aufweist. Beispielhaft sind im resultierenden Motorspannungssignal 310 drei Spannungsspitzen mit dem Bezugszeichen 414 gekennzeichnet und im hochpassgefilterten und verstärkten, resultierenden Motorspannungssignal 330 illustrativ drei korrespondierende, verstärkte Spannungsspitzen mit dem Bezugszeichen 434. Im Motorstromsignal 320 sind beispielhaft drei Stromrippel mit dem Bezugszeichen 422 gekennzeichnet.
5 zeigt die zwischen den Bürsten 187, 197 des Kommutatormotors 100 von 1 und dem Minus- und Pluspol 106, 108 der Gleichspannungsversorgungsquelle 106, 108 von 1 angeordnete bzw. verschaltete Signalüberwachungseinrichtung 500 von 1, die nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 weiter beschrieben wird. Diese dient wie oben beschrieben dazu, die Erzeugung des resultierenden Motorspannungssignals 310 von 3 zumindest in einer Mehrzahl möglicher Betriebszustände des Kommutatormotors 100 derart zu steuern, dass das resultierende Motorspannungssignal in jedem der möglichen Betriebszustände zumindest dazu geeignet ist, eine eindeutige Bestimmung einer jeweiligen Drehstellung und/oder Drehzahl und/oder Drehrichtung des Kollektors 183 zu ermöglichen.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Signalüberwachungseinrichtung 500 nur für den Fall Anwendung bei dem Kommutatormotor 100 findet, dass dieser ausschließlich in eine einzelne Drehrichtung drehbar ist. Für den Fall, dass der Kommutatormotor 100 für einen Reversierbetrieb ausgelegt ist, kann die Signalüberwachungseinrichtung 500 mit der bei 6 beschriebenen Signalüberwachungseinrichtung 600 realisiert werden.
Illustrativ weist die Signalüberwachungseinrichtung 500 ein erstes Schaltelement 540 auf, über das der Kommutator 185 derart ansteuerbar ist, dass die Motorwicklung 199 beispielhaft über die Bürste 187 zur Bestromung mit dem Pluspol 108 verbindbar ist oder alternativ hierzu mit dem Minuspol bzw. Masse 106 verbunden werden kann, um somit kurzgeschlossen zu werden. Beispielhaft ist die Motorwicklung 199 kurzgeschlossen, da das Schaltelement 540 die Bürste 187 mit Masse 106 verbindet. Zum Einschalten des Kommutatormotors 100 bzw. zum Bestromen der Motorwicklung 199 wird das Schaltelement 540 z. B. derart umgeschaltet, dass die Bürste 187 mit dem Pluspol 108 verbunden wird und somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Gleichspannungsversorgungsquelle 106, 108 und den Bürsten 187, 197 hergestellt werden kann, z. B. durch Betätigung eines der Gleichspannungsversorgungsquelle 106, 108 zugeordneten Ein-/Aus-Schalters. Wenn diese Bestromung dann durch eine Unterbrechung dieser elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Gleichspannungsversorgungsquelle 106, 108 und den Bürsten 187, 197 unterbrochen wird, z. B. durch eine erneute Betätigung des Ein-/Aus-Schalters, ist die Motorwicklung 199 stromlos geschaltet.
Zwischen dem Schaltelement 540 und Masse 106 ist beispielhaft ein ohmscher Widerstand 520 angeordnet. Da dieser zu einer Asymmetrie einer dem Kommutatormotor 100 zugeordneten Motorkennlinie führt, müssen die Reihenfolge von Masse-Anbindung und ohmschem Widerstand 520, sowie dessen Wert jeweils entsprechend zugrundeliegender Motoranforderungen ausgewählt werden. Dies ist jedoch eine dem Fachmann geläufige Maßnahme, sodass auf eine eingehende Beschreibung hiervon zwecks Knappheit der Beschreibung verzichtet werden kann. Parallel zum ersten Schaltelement 540 ist zwischen der Bürste 187 und Masse 106 illustrativ eine Freilaufdiode 510 angeordnet, deren Anode mit Masse 106 verbunden ist. Des Weiteren ist parallel zum ersten Schaltelement 540 zwischen der Bürste 187 und dem Pluspol 108 ein Kondensator 530 angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Signalüberwachungseinrichtung 500 zumindest dazu ausgebildet, eine Erzeugung der im resultierenden Motorspannungssignal auftretenden Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen 314 von 3 bei einer Verdrehung des Kollektors 183 relativ zu den Bürsten 187, 197 in einem ersten möglichen Betriebszustand zu ermöglichen, in dem die Motorwicklung 199 stromlos geschaltet ist, und/oder in einem zweiten möglichen Betriebszustand, in dem die Motorwicklung 199 kurzgeschlossen ist, wobei die Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen im stromlosen Zustand der Motorwicklung 199 von dem Kondensator 530 erzeugt wird. Hierbei wird die Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen bevorzugt derart erzeugt, dass diese zumindest eine vorgegebene Amplitude aufweisen. Dies kann mittels einer Vergrößerung eines dem ersten Schaltelement 540 zugeordneten Übergangswiderstands durch den ohmschen Widerstand 520 ermöglicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Signalüberwachungseinrichtung 500 darüber hinaus oder alternativ hierzu zumindest dazu ausgebildet, eine Erzeugung der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen in einem zum Zeitpunkt eines Ein- oder Ausschaltens des ersten Schaltelements 540 auftretenden, dritten möglichen Betriebszustand zur Vermeidung eines Auftretens von Schalttransienten im resultierenden Motorspannungssignal zu verhindern. Hierzu dient einerseits die Freilaufdiode 510, die zumindest dazu ausgebildet ist, das resultierende Motorspannungssignal bei einem Ein- oder Ausschalten des ersten Schaltelements 540 auf einen positiven Spannungsbereich gegenüber Masse 106 zu begrenzen, und andererseits der Kondensator 530, der zumindest dazu ausgebildet ist, bei einem Ein- oder Ausschalten des ersten Schaltelements 540 im resultierenden Motorspannungssignal auftretende Schalttransienten zumindest zu dämpfen.
Gemäß einer Ausführungsform wird das erste Schaltelement 540 mit einem Magnetschalter, insbesondere einem Relais realisiert. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine derartige Realisierung lediglich beispielhaften Charakter hat und nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen ist, die auch mit anderen Schaltelementen realisierbar ist, z. B. Transistoren usw.
6 zeigt eine Signalüberwachungseinrichtung 600, die anstelle der Signalüberwachungseinrichtung 500 von 5 mit dem Kommutatormotor 100 von 1 verwendbar ist, falls dieser für einen Reversierbetrieb ausgelegt ist. Die Signalüberwachungseinrichtung 600 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 weiter beschrieben.
Illustrativ weist die Signalüberwachungseinrichtung 600 das erste Schaltelement 540, den ohmschen Widerstand 520, die Freilaufdiode 510 und den Kondensator 530 von 5 auf. Darüber hinaus weist die Signalüberwachungseinrichtung 600 beispielhaft ein z. B. wie das erste Schaltelement 540 von 5 ausgebildetes, zweites Schaltelement 640 auf, über das der Kommutator 185 derart ansteuerbar ist, dass die Motorwicklung 199 beispielhaft über die Bürste 197 zur Bestromung mit dem Pluspol 108 verbindbar ist oder alternativ hierzu mit dem Minuspol bzw. Masse 106 verbunden werden kann, um somit kurzgeschlossen zu werden.
Durch die Verwendung der beiden Schaltelemente 540, 640 kann ein entsprechender Reversierbetrieb des Kommutatormotors 100 realisiert werden, da eine jeweilige Drehrichtung davon abhängig ist, welches der Schaltelemente 540, 640 gerade mit dem Pluspol 108 verbunden ist.
Parallel zum zweiten Schaltelement 640 ist zwischen der Bürste 197 und Masse 106 illustrativ eine Freilaufdiode 610 angeordnet, deren Anode mit Masse 106 verbunden ist. Des Weiteren ist parallel zum zweiten Schaltelement 640 zwischen der Bürste 197 und dem Pluspol 108 ein Kondensator 630 angeordnet.
Die Funktionalität von Schaltelement 640, Freilaufdiode 610 und Kondensator 630 entspricht der Funktionalität von Schaltelement 540, Freilaufdiode 510 und Kondensator 530 von 5. Deshalb wird hier zwecks Knappheit der Beschreibung auf eine eingehende Beschreibung dieser Funktionalität verzichtet.
7 zeigt schematische, zeitliche Verläufe 700 von beispielhaften, hochpassgefilterten und verstärkten, resultierenden Motorspannungssignalen 710, 750, die gemäß einer Ausführungsform das Signal 235 von 2 repräsentieren. Das Signal 710 entsteht im Betrieb des Kommutatormotors 100 von 1, wenn dieser ohne die Signalüberwachungseinrichtung 500 von 5 oder 600 von 6 betrieben wird, hierbei zu einem vorgegebenen Zeitpunkt t1 in einen stromlosen Zustand übergeht und dessen Kollektor 183 von 1 sich dann bis zum Stillstand weiterdreht. Dementsprechend weist das Signal 710 illustrativ bis zum Zeitpunkt t1 eine Vielzahl von bei Abkommutierungen bzw. Lamellenwechseln entstehenden Spannungsspitzen 712, 714, 716 auf und ab dem Zeitpunkt t1 werden keine Spannungsspitzen mehr erzeugt, obwohl sich der Kollektor 183 von 1 weiterdreht und somit weitere Lamellenwechsel auftreten.
Das Signal 750 entsteht im Betrieb des Kommutatormotors 100 von 1, wenn dieser mit der Signalüberwachungseinrichtung 500 von 5 oder 600 von 6 betrieben wird, hierbei zu dem vorgegebenen Zeitpunkt t1 in den stromlosen Zustand übergeht und der Kollektor 183 von 1 sich dann bis zum Stillstand weiterdreht. Dementsprechend weist das Signal 750 illustrativ bis zum Zeitpunkt t1 eine Vielzahl von Spannungsspitzen 752, 754, 756 auf, die den Spannungsspitzen 712, 714, 716 entsprechen. Ab dem Zeitpunkt t1 werden im Signal 750 im Gegensatz zum Signal 710 wie bei 5 beschrieben bei Lamellenwechseln bis zum Stillstand des Kollektors 183 von 1 weitere, auswert- bzw. weiterverarbeitbare Spannungsspitzen 758, 759 erzeugt.
8 zeigt schematische, zeitliche Verläufe 800 von beispielhaften, hochpassgefilterten und verstärkten, resultierenden Motorspannungssignalen 810, 850, die gemäß einer Ausführungsform das Signal 235 von 2 repräsentieren. Das Signal 810 entsteht, wenn der Kollektor 183 des ohne die Signalüberwachungseinrichtung 500 von 5 oder 600 von 6 betriebenen Kommutatormotors 100 von 1 bei kurzgeschlossener Motorwicklung 199 von 1 gedreht wird und sich dann bis zum Stillstand weiterdreht. Dementsprechend weist das Signal 810 illustrativ zwar eine Vielzahl von bei entsprechenden Lamellenwechseln auftretenden Spannungsspitzen 811, 812, 815, 816, 817 auf; deren Amplitude ist jedoch derart gering, dass diese nicht zur weiteren Auswertung bzw. Verarbeitung geeignet sind.
Das Signal 850 entsteht, wenn der Kollektor 183 des mit der Signalüberwachungseinrichtung 500 von 5 oder 600 von 6 betriebenen Kommutatormotors 100 von 1 bei kurzgeschlossener Motorwicklung 199 von 1 gedreht wird und sich dann bis zum Stillstand weiterdreht. Dementsprechend weist das Signal 850 illustrativ Spannungsspitzen 851, 852, 855, 856, 857 auf, die den Spannungsspitzen 811, 812, 815, 816, 817 entsprechen, im Gegensatz hierzu jedoch eine zur weiteren Auswertung bzw. Verarbeitung geeignete Amplitude aufweisen. Darüber hinaus weist das Signal 850 illustrativ noch weitere, bei entsprechenden Lamellenwechseln auftretende und auswert- bzw. weiterverarbeitbare Spannungsspitzen 858, 859 auf.
9 zeigt schematische, zeitliche Verläufe 900 von beispielhaften, hochpassgefilterten und verstärkten, resultierenden Motorspannungssignalen 910, 950, die gemäß einer Ausführungsform das Signal 235 von 2 repräsentieren. Das Signal 910 entsteht im Betrieb des Kommutatormotors 100 von 1, wenn dieser ohne die Signalüberwachungseinrichtung 500 von 5 oder 600 von 6 betrieben und zu vorgegebenen Zeitpunkten t1 und t2 z. B. mittels des Schaltelements 540 oder 640 von 5 oder 6 umgeschaltet wird, beispielsweise zur Drehrichtungsumkehr. Dementsprechend weist das Signal 910 illustrativ bis zum Zeitpunkt t1 mehrere bei entsprechenden Abkommutierungen bzw. Lamellenwechseln erzeugte Spannungsspitzen 911, 912, 913 auf, ab dem Zeitpunkt t1 eine Vielzahl von durch einen ersten Umschaltvorgang erzeugten Spannungsspitzen bzw. Schalttransienten 922, nach erfolgtem Umschalten bis zum Zeitpunkt t2 bei entsprechenden Abkommutierungen bzw. Lamellenwechseln erzeugte Spannungsspitzen 914, 915, 916, 917, 918, und ab dem Zeitpunkt t2 eine Vielzahl von durch einen zweiten Umschaltvorgang erzeugten Spannungsspitzen bzw. Schalttransienten 924.
Das Signal 950 entsteht im Betrieb des Kommutatormotors 100 von 1, wenn dieser mit der Signalüberwachungseinrichtung 500 von 5 oder 600 von 6 betrieben und hierbei zu vorgegebenen Zeitpunkten t1 und t2 z. B. mittels des Schaltelements 540 oder 640 von 5 oder 6 umgeschaltet wird, beispielsweise zur Drehrichtungsumkehr. Dementsprechend weist das Signal 950 illustrativ eine Vielzahl von bei entsprechenden Abkommutierungen bzw. Lamellenwechseln erzeugten Spannungsspitzen 951, 952, 953, 954, 955, 956, 957, 958 auf, die den Spannungsspitzen 911, 912, 913, 914, 915, 916, 917, 918 entsprechen, während die Spannungsspitzen bzw. Schalttransienten 922, 924 wirksam unterdrückt wurden.

Claims

Kommutatormotor (100) mit einem Kommutator (185), der einen an einer Kollektorlauffläche (189) in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten (187, 197) stehenden Kollektor (183) aufweist, der elektrisch leitend mit einer Motorwicklung (199) verbunden ist, die im Betrieb des Kommutatormotors (100) ein Wechselspannungssignal (315) erzeugt, das einem über die Bürsten (187, 197) und den Kollektor (183) der Motorwicklung (199) zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal (311) überlagert ist, wobei das Wechselspannungssignal (315) und das Gleichspannungsversorgungssignal (311) ein resultierendes Motorspannungssignal (215; 310) bilden, das einen niederfrequenten Basisspannungsanteil (216; 312) und eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218, 219; 314) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalüberwachungseinrichtung (600) ausgebildet ist, die die Erzeugung des resultierenden Motorspannungssignals (215; 310) in einer Mehrzahl möglicher Betriebszustände des Kommutatormotors (100) derart steuert, dass das resultierende Motorspannungssignal (215, 310) in jedem der möglichen Betriebszustände zumindest dazu geeignet ist, eine eindeutige Bestimmung einer jeweiligen Drehstellung des Kollektors (183) zu ermöglichen.
Kommutatormotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalüberwachungseinrichtung (600) dazu ausgebildet ist, eine Erzeugung der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218, 219; 314) bei einer Verdrehung des Kollektors (183) relativ zu den Bürsten (187, 197) in einem möglichen Betriebszustand zu ermöglichen, in dem die Motorwicklung (199) stromlos geschaltet ist.
Kommutatormotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalüberwachungseinrichtung (600) dazu ausgebildet ist, eine Erzeugung der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218, 219; 314) bei einer Verdrehung des Kollektors (183) relativ zu den Bürsten (187, 197) in einem möglichen Betriebszustand zu ermöglichen, in dem die Motorwicklung (199) kurzgeschlossen ist.
Kommutatormotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalüberwachungseinrichtung (600) dazu ausgebildet ist, die Erzeugung der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218, 219; 314) derart zu ermöglichen, dass diese zumindest eine vorgegebene Amplitude aufweisen.
Kommutatormotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kommutator (185) über mindestens ein erstes Schaltelement (540) ansteuerbar ist, wobei zwischen dem ersten Schaltelement (540) und Masse (106) ein ohmscher Widerstand (520) zur Vergrößerung eines dem ersten Schaltelement (540) zugeordneten Übergangswiderstands vorgesehen ist.
Kommutatormotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalüberwachungseinrichtung (600) dazu ausgebildet ist, eine Erzeugung der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218, 219; 314) in einem zum Zeitpunkt eines Ein- oder Ausschaltens des ersten Schaltelements (540) auftretenden möglichen Betriebszustand zur Vermeidung eines Auftretens von Schalttransienten im resultierenden Motorspannungssignal (215; 310) zu verhindern.
Kommutatormotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum ersten Schaltelement (540) zwischen einer diesem zugeordneten Bürste (187) und Masse (106) eine Freilaufdiode (510) angeordnet ist, deren Anode mit Masse (106) verbunden ist, wobei die Freilaufdiode (510) dazu ausgebildet ist, das resultierende Motorspannungssignal (215; 310) bei einem Ein- oder Ausschalten des ersten Schaltelements (540) auf einen positiven Spannungsbereich gegenüber Masse (106) zu begrenzen.
Kommutatormotor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum ersten Schaltelement (540) zwischen einer diesem zugeordneten Bürste (187) und einem Pluspol (108) einer zugeordneten Gleichspannungsversorgungsquelle (106, 108) ein Kondensator (530) angeordnet ist, der dazu ausgebildet ist, bei einem Ein- oder Ausschalten des ersten Schaltelements (540) im resultierenden Motorspannungssignal (215; 310) auftretende Schalttransienten zumindest zu dämpfen.
Kommutatormotor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites Schaltelement (640) vorgesehen ist, das mit dem ersten Schaltelement (540) verschaltet ist, um einen Reversierbetrieb des Kommutatormotors (100) zu ermöglichen.
Kommutatormotor nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Schaltelement (540) nach Art eines Relais ausgebildet ist.
Verfahren zum Betrieb eines Kommutatormotors (100), der einen Kommutator (185) aufweist, der mit einem an einer Kollektorlauffläche (189) in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten (187, 197) stehenden Kollektor (183) versehen ist, der elektrisch leitend mit einer Motorwicklung (199) verbunden ist, die im Betrieb des Kommutatormotors (100) ein Wechselspannungssignal (315) erzeugt, das einem über die Bürsten (187, 197) und den Kollektor (183) der Motorwicklung (199) zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal (311) überlagert ist, wobei das Wechselspannungssignal (315) und das Gleichspannungsversorgungssignal (311) ein resultierendes Motorspannungssignal (215; 310) bilden, das einen niederfrequenten Basisspannungsanteil (216; 312) und eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (217, 218, 219; 314) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des resultierenden Motorspannungssignals (215; 310) in einer Mehrzahl möglicher Betriebszustände des Kommutatormotors (100) mit einer Signalüberwachungseinrichtung (600) derart gesteuert wird, dass das resultierende Motorspannungssignal (215, 310) in jedem der möglichen Betriebszustände zumindest dazu geeignet ist, eine eindeutige Bestimmung einer jeweiligen Drehstellung des Kollektors (183) zu ermöglichen.