DE102013200314A1

DE102013200314A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Läuferlage und Drehzahl einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102013200314A1
Application number: DE102013200314.5A
Authority: DE
Inventors: Gerald Roos
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2014-07-17
Also published as: WO2014108347A1; KR20150104112A; CN104885346B; US9667127B2; KR102199259B1; US20150349617A1; CN104885346A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine bürstenkommutierte elektrische Maschine (2) umfassend:
– einen Läufer (5) mit an Läuferpolen (6) angeordneten Läuferspulen (7);
– einen Kommutator (9) mit Kommutatorlamellen (8), die elektrisch mit den Läuferspulen (7) verbunden sind, und mit zwei Bürsten (10), die zueinander versetzt angeordnet sind, so dass die Bürsten (10) bei einer Bewegung des Läufers (5) wechselweise kommutieren;
– einen Stator (4) mit in Umfangsrichtung angeordneten Statorpolen (11), die zumindest teilweise mit Statormagneten (3) versehen sind,
wobei die Statorpole (11) so ausgebildet und/oder angeordnet sind, dass ein durch sie in Umfangsrichtung erzeugtes wechselndes Statormagnetfeld abhängig von der Polrichtung des jeweiligen Statorpols (11) unterschiedlich ausgebildet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft bürstenkommutierte elektrische Maschinen, insbesondere Maßnahmen zur Ermittlung einer Läuferlage oder Drehzahl der elektrischen Maschine.
Stand der Technik
Der Einsatz von bürstenkommutierten Elektromotoren als Stellmotoren für Gleichspannungsanwendungen bereits bekannt. So werden beispielsweise in einem Kraftfahrzeug bürstenkommutierte Elektromotoren als Antriebsmotoren für Sitzversteller, Fensterheber, Schiebedachsysteme und dergleichen verwendet. Eine häufige Konfiguration sind vier- und sechspolige permanentmagneterregte Gleichstromstellmotoren mit einem Kommutator mit zwei Bürsten.
Beim Betrieb derartiger Elektromotoren entsteht durch die Kommutierungsvorgänge eine Stromwelligkeit auf der Zuleitung. Die Stromwelligkeit entspricht einem periodischen, von einer Drehzahl des Elektromotors abhängigen Signal, dessen Grundfrequenz von der Anzahl Kommutatorlamellen abhängt. Die Stromwelligkeit kann in sensorlosen Systemen zur Erfassung der Motordrehzahl und der Läuferlage genutzt werden.
Je nach Polzahl des Elektromotors und Anzahl der Kommutatorlamellen des Kommutators ergibt sich bei einer gleichzeitigen Kommutierung der Bürsten eine besonders hohe Stromwelligkeit, deren Hauptordnung (Grundfrequenz) sich aus der Anzahl der Kommutatorlamellen und der aktuellen Drehzahl der Elektromotors ergibt. Alternativ können die Bürsten auch so angeordnet sein, dass diese versetzt kommutieren, wodurch sich eine schwächer ausgeprägte Stromwelligkeit ergibt, deren Hauptordnung einem Vielfachen der Anzahl der Kommutatorlamellen, in der Regel dem Doppelten der Hauptordnung bei einem Versatz der Bürsten um n + 1/2 Kommutatorlamellen entspricht. Dabei existiert nahezu keine detektierbare Stromwelligkeit in der Ordnung, die durch die Anzahl der Kommutatorlamellen vorgegeben wird.
Um elektromagnetische Kraftanregungen und die damit verbundenen Geräuschemissionen gering zu halten, ist es vorteilhaft, die Anzahl der Kommutatorlamellen und der Anzahl der Läuferpole so zu wählen, dass die Bürsten abwechselnd kommutieren. Diese sind aufgrund der geringen Stromwelligkeit insbesondere in der Ordnung der Kommutatorlamellenzahl nicht für den Betrieb an Steuergeräten geeignet, die die Stromwelligkeit zur Detektion der Drehzahl des Elektromotors und/oder der Läuferlage nutzen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen die Drehzahl und/oder die Läuferlage eines Elektromotors mit versetzt kommutierenden Bürsten in verbesserter Weise detektiert werden können.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Detektieren einer Drehzahl und/oder einer Läuferlage einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine bürstenkommutierte elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:

– einen Läufer mit an Läuferpolen angeordneten Läuferspulen;
– einen Kommutator mit Kommutatorlamellen, die elektrisch mit den Läuferspulen verbunden sind, und mit zwei Bürsten, die zueinander versetzt angeordnet sind, so dass die Bürsten bei einer Bewegung des Läufers wechselweise kommutieren;
– einen Stator mit in Umfangsrichtung angeordneten Statorpolen, die zumindest teilweise mit Statormagneten versehen sind,

Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, die Statorpole bei einer bürstenkommutierten elektrischen Maschine, insbesondere einem Elektromotor, mit versetzt kommutierenden Bürsten unterschiedlich auszubilden, so dass diese wechselweise unterschiedlich ausgebildete Magnetfelder bewirken. Die Magnetfelder können sich in Form, Ausdehnung und Stärke unterscheiden.
Dadurch wird erreicht, dass die durch die versetzt kommutierenden Bürsten in der Regel unterdrückte Hauptordnung der Stromwelligkeit in der durch die Anzahl der Kommutatorlamellen und die aktuelle Drehzahl bestimmten Frequenz weniger stark unterdrückt wird. Auf diese Weise verbleibt ein Anteil der Stromwelligkeit mit einer Frequenz der Hauptordnung im durch die Anzahl der Kommutatorlamellen bestimmten Frequenzbereich, so dass die zur Auswertung hinsichtlich einer Drehzahl und/oder einer Läuferlage geeignet bleibt. Auf diese Weise kann mit herkömmlichen Motorsteuergeräten die Drehzahl und/oder die Läuferlage von Elektromotoren erfasst werden, ohne auf die sich aus der Kommutierung mit versetzten Bürsten ergebenden Vorteile verzichten zu müssen.
Die ungleiche Ausführung der Statorpole führt insbesondere dazu, dass die induzierten Spannungen in den an den Plus- und Minus-Bürsten kommutierenden Läuferspulen unterschiedlich werden. Die Stromverläufe an den Plus- und Minus-Bürsten werden dadurch ebenfalls unterschiedlich und die durch die abwechselnde Kommutierung verursachte phasenversetzte Überlagerung der Stromverläufe führt daher zu einer reduzierten Abschwächung der Stromwelligkeit in der Hauptordnung der durch die Anzahl der Kommutatorlamellen bestimmten Frequenz.
Weiterhin können die Statormagnete in einer Folgepolanordnung angeordnet sein, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Statormagneten ein passiver, nicht mit einem Magneten ausgebildeter Statorpol vorgesehen ist, der mit einem Rückschlussbereich des Stators gekoppelt ist.
Alternativ oder zusätzlich können die Statormagnete abhängig von der Polungsrichtung des zugehörigen Statorpols mit unterschiedlichen Magnetfeldstärken ausgebildet sein.
Weiterhin können die Statorpole abhängig von ihrer Polungsrichtung mit unterschiedlichen tangentialen Breiten ausgebildet sind.
Gemäß einer Ausführungsform können die in Umfangsrichtung benachbarten Statorpole eine zueinander entgegengesetzte Polrichtung aufweisen.
Ferner können die Bürsten bezüglich der Kommutatorlamellen mit einem Versatz in Umfangsrichtung von n + 1/2 tangentialen Breiten einer der Kommutatorlamellen angeordnet sein, wobei n einer ganzen Zahl entspricht.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit der obigen elektrischen Maschine und mit einem Steuergerät vorgesehen, das ausgebildet ist, um eine Läuferlage und/oder eine Drehzahl durch Auswertung einer Stromwelligkeit eines durch die elektrische Maschine fließenden Motorstroms zu bestimmen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Motorsteuergerät und einem Elektromotor; und
2a und 2b Möglichkeiten zum Bereitstellen von Statorpolen für die Erzeugung eines von der Polungsrichtung abhängigen unterschiedlichen Statormagnetfelds.
Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 mit einem Elektromotor 2 als elektrische Maschine. Der Elektromotor 2 ist ein bürstenkommutierter Gleichstrommotor mit einem mit einem oder mehreren Permanentmagneten 3 versehenen Stator 4 und einem sich in einem Inneren des Stators 4 drehbar gelagerten Läufer 5 (Rotor).
Der Stator 4 ist mit Statorpolen 11 ausgebildet, die ein durch die Permanentmagnete 3 (Statormagnete) bewirktes Statormagnetfeld im Inneren des Stators 4 hervorrufen, das entlang einer Umfangsrichtung wechselt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Elektromotor 2 mit vier Statorpolen 11 ausgebildet. Alternative Ausführungsformen können auch mehr als vier Statorpole 11, wie z.B. sechs Statorpole vorsehen.
Der Läufer 5 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel zehn Läuferpole 6 (Läuferzähne) auf, die jeweils von einer Läuferspule 7 umgeben sind. Die Läuferspulen 7 stehen jeweils mit zwei Kommutatorlamellen 8 eines Kommutators 9 in elektrischer Verbindung. Mithilfe von Bürsten 10, die an dem Kommutator 9 angeordnet sind, werden die Kommutatorlamellen 8 und dadurch die Läuferspulen 7 elektrisch kontaktiert und mit einer Versorgungsspannung U_Vers bestromt.
Die Bürsten 10 sind so angeordnet, dass eine Kommutierung der Läuferspulen über die Kommutatorlamellen 8 bei einer Drehung des Läufers 5 wechselweise erfolgt, d. h. während eine erste der Bürsten 10 über eine Kommutatorlamelle 8 hinwegstreicht, wechselt eine zweite der Bürsten 10 von einer weiteren der Kommutatorlamellen 8 zu einer Benachbarten. Mit anderen Worten beträgt der Abstand entlang der Umfangsrichtung des Kommutators 9 zwischen den beiden Bürsten 10 (n + 1/2) Kommutatorlamellen. Beispielsweise sind bei einer Ausführung mit zehn Läuferspulen 7 diese mit zehn Kommutatorlamellen 8 verbunden, wobei dann insbesondere die Bürsten bei n = 2 in etwa 90° zueinander angeordnet sind.
Der Elektromotor 2 wird mithilfe eines Steuergeräts 20 betrieben, das die Höhe der Versorgungsspannung U_Vers mithilfe einer einstellbaren Spannungsquelle 21 vorgeben kann. Insbesondere kann durch Vorgabe der Versorgungsspannung U_Vers die Drehzahl und/oder die Last des Elektromotors 2 eingestellt werden. Alternativ liegt beispielsweise im Kraftfahrzeug eine Batteriespannung an, die insbesondere durch bestimmte Umgebungsbedingungen gewissen Schwankungen unterworfen ist. Weiterhin kann mithilfe eines Messwiderstands 22 ein Motorstrom I_mot in dem Elektromotor 2 erfasst werden und eine Auswerteelektronik aus der Welligkeit des Motorstromsignals den Drehwinkel des Läufers 5 erfassen und daraus ein Drehzahl- oder Positionssignal des Läufers, bzw. des zu verstellenden Teils generieren. Dies kann beispielsweise für die Realisierung einer Einklemmschutzfunktion beim Schließen eines beweglichen Teils im Kraftfahrzeug – insbesondere beim Fensterheber oder Schiebedach – verwendetet werden, die bevorzugt im Motorsteuergerät 20 angeordnet ist. Selbstverständlich sind auch andere Vorrichtungen zum Erfassen des Motorstrom I_mot denkbar.
In einer Ausführungsform kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Motorsteuergerät 20 die Versorgungsspannung U_Vers abhängig von einer erfassten Drehzahl des Elektromotors 2 einstellt, z.B. um eine Drehzahlregelung durchzuführen. Dies kann durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) realisiert werden.
Häufig wird, um einen Drehzahlsensor einzusparen, die Drehzahl aus einer Stromwelligkeit des Motorstroms I_mot detektiert. Die Stromwelligkeit entsteht beim Kommutieren der Läuferspulen 7 durch die Bürsten 10 aufgrund einer Bewegung der Läuferspule 7 durch das von dem Permanentmagneten 3 bewirkte Magnetfeld. Die Frequenz der Hauptordnung der Stromwelligkeit des Motorstroms I_mot bestimmt sich unmittelbar aus der Drehzahl und der Anzahl von Kommutatorlamellen, wobei durch die versetzte Anordnung der Bürsten 10 die Frequenz der Hauptordnung dem doppelten einer Frequenz einer Hauptordnung bei nicht versetzen Bürsten 10 entspricht. Die durch die versetzte Anordnung der Bürsten 10 bezüglich der Kommutatorlamellen bewirkte erhöhte Frequenz und verringerte Amplitude der Stromwelligkeit ist schwieriger durch das Motorsteuergerät 20 zu detektieren.
Um die Stromwelligkeit in der Hauptordnung zu erhöhen, ist nun vorgesehen, die Statorpole so unterschiedlich auszuführen, dass diese Magnetfelder mit verschiedener Magnetfeldstärke bereitstellen. Insbesondere kann die Magnetfeldstärke von benachbarten Statorpolen wechselweise schwächer und stärker ausgeregelt sein.
Dies kann für das Ausführungsbeispiel der 1 dadurch erreicht werden, dass die Permanentmagnete 3 mit unterschiedlichen tangentialen Breiten ausgebildet sind, so dass wechselweise ein tangential breiterer Permanentmagnet 3 und ein tangential schmalerer Permanentmagnet 3 in Umfangsrichtung angeordnet sind.
Weiterhin können alternativ oder zusätzlich die Permanentmagnete 3 mit unterschiedlicher Magnetisierung bzw. mit unterschiedlichem magnetischem Material ausgebildet sein. Insbesondere können bei gleichen tangentialen Abmessungen die mit dem Südpol zum Läufer 5 ausgerichteten Permanentmagnete 3 mit einer stärkeren Magnetisierung versehen sein als die mit dem Nordpol zum Läufer 5 ausgerichteten Permanentmagnete 3 oder umgekehrt. Ein entsprechender Elektromotor ist in der 2a dargestellt.
Gemäß der in 2b dargestellten Anordnung kann dies auch durch eine Folgepolanordnung der Statorpole 11 erreicht werden. Bei einer Folgepolanordnung ist nur jeder zweite Statorpol 11 mit einem Permanentmagneten 3 versehen und die jeweils dazwischen liegenden Statorpole 11 sind durch einen passiven Polschuh als Folgepole 15 ausgebildet. Die Folgepole 15 sind aus einem magentisch leitenden Material ausgebildet und stehen mit einem Rückschlussbereich des Stators 4 in magnetisch leitender Verbindung. Insbesondere können die Folgepole 15 einstückig mit dem Rückschlussbereich des Stators 4 ausgebildet sein. Dazu werden beispielsweise passive Polschuhe aus dem Wandmaterial des Poltopfes ausgeformt, die insbesondere gewölbt ausgebildet sind.
Die Folgepole 15 sind vorzugsweise so ausgebildet, dass das durch sie bereitgestellte in Richtung des Läufers 5 bewirkte Statormagnetfeld eine andere Magnetfeldstärke aufweist als die durch die Permanentmagnete 3 gebildeten Statorpole 11.

Claims

Bürstenkommutierte elektrische Maschine (2) umfassend: – einen Läufer (5) mit an Läuferpolen (6) angeordneten Läuferspulen (7); – einen Kommutator (9) mit Kommutatorlamellen (8), die elektrisch mit den Läuferspulen (7) verbunden sind, und mit zwei Bürsten (10), die zueinander versetzt angeordnet sind, so dass die Bürsten (10) bei einer Bewegung des Läufers (5) wechselweise kommutieren; – einen Stator (4) mit in Umfangsrichtung angeordneten Statorpolen (11), die zumindest teilweise mit Statormagneten (3) versehen sind, dadurch gekennnzeichnet, dass die Statorpole (11) so ausgebildet und/oder angeordnet sind, dass ein durch sie erzeugtes Statormagnetfeld abhängig von der unterschiedlichen Polrichtung des jeweiligen Statorpols (11) (Nordpole – Südpole) unterschiedlich ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die Statormagnete (3) in einer Folgepolanordnung angeordnet sind, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Statormagneten (3) ein passiver, nicht mit einem Permanentmagneten ausgebildeter Statorpol (11) als Folgepol vorgesehen ist, der mit einem Rückschlussbereich des Stators (4) gekoppelt ist – und insbesondere der Folgepol aus dem Wandbereich eines magnetisch leitenden Poltopfs gebildet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Statorpole (11) abhängig von ihrer Polungsrichtung mit unterschiedlichen Magnetfeldstärken, insbesondere aus unterschiedlichen Materialien – ausgebildet sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Statorpole (11) abhängig von ihrer Polungsrichtung eine unterschiedliche Geometrie aufweisen, insbersondere mit unterschiedlichen tangentialen Breiten bezüglich der Läuferachse ausgebildet sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die in Umfangsrichtung benachbarten Statorpole (11) eine zueinander entgegengesetzte Polrichtung (Nordpol-Südpol) aufweisen, und insbesondere in Radialrichtung magnetisiert sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bürsten (10) bezüglich der – vorzugsweise 10 – Kommutatorlamellen (8) mit einem Versatz in Umfangsrichtung von n + 1/2 tangentialen Breiten einer der Kommutatorlamellen (8) – vorzugsweise von etwa 90° oder etwa 180° – angeordnet sind, wobei n einer ganzen Zahl – vorzugsweise 2 – entspricht.
Motorsystem mit einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und mit einem Steuergerät (20), das ausgebildet ist, um eine Läuferlage und/oder eine Drehzahl durch Auswertung einer Stromwelligkeit eines durch die elektrische Maschine (2) fließenden Motorstroms zu bestimmen.
Motorsystem mit einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die in den Spulen zwischen der Minus- und der Plus-Bürste (10) induzierte Spannung bei der Wechselwirkung mit den unterschiedlichen Statormagneten (3) unterschiedlich ist.
Motorsystem mit einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erzeugte Motorstrom in den Läuferspulen (7) zwischen der Minus- und der Plus-Bürste (10) bei der Wechselwirkung mit den unterschiedlichen Statormagneten (3) ebenfalls unterschiedlich ist, und dadurch die durch die abwechselnde Kommutierung verursachte phasenversetzte Überlagerung der Stromverläufe die Stromwelligkeit in der Ordnung der Kommutatorlamellenzahl nicht mehr so stark reduziert, wie dies bei gleichartigen Statormagneten (3) der Fall ist.
Motorsystem mit einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei bei der Wechselwirkung der Läuferspulen (7) mit den unterschiedlichen Statormagneten (3) über den entsprechend Winkelbereich der Statormagneten (11) die bei der Kommutierung erzeugten und gemessenen Stromripple des Motorstroms eine unterschiedliche maximale Amplitude aufweisen und/oder die Amplitude der Stromripple sich über eine komplette Umdrehung des Läufers (5) sich nicht periodisch gleichmäßig ändert.