DE102013223785A1 - Rotor for an electric machine and method for producing a rotor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Läufer (1) für eine bürstenkommutierte elektrische Maschine, umfassend: – einen Anker (2) mit im Wesentlichen quer zu ihrer Anordnungsrichtung verlaufenden Nuten (21); und – mehrere durch die Nuten (21) geführte Spulenwicklungen (5), wobei die Spulenwicklungen (5) mit variierenden elektrischen Widerständen ausgebildet sind; wobei die Spulenwicklungen (5) Stirnverbindungen (52) aufweisen, die entlang den Stirnseiten des Ankers (2) verlaufen, wobei die Stirnverbindungen (52) in axialer Richtung abschnittsweise übereinander liegen, wobei die axiale Lage der Stirnverbindungen (52) der Spulenwicklungen (5) relativ zueinander so gewählt ist, dass die Differenz zwischen dem maximalen und minimalen elektrischen Widerstand der Spulenwicklungen (5) maximal ist, oder dass ein Maß für eine Abweichung der elektrischen Widerstände der nacheinander kommutierten Spulenwicklungen (5) von einem Verlauf einer sinusförmigen Kurve minimal ist.The invention relates to a rotor (1) for a brush-commutated electric machine, comprising: - an armature (2) with grooves (21) extending substantially transversely to its arrangement direction; and - a plurality of coil windings (5) guided through said grooves (21), said coil windings (5) being formed with varying electrical resistances; wherein the coil windings (5) have end connections (52) which extend along the front sides of the armature (2), wherein the end connections (52) lie one above the other in sections in the axial direction, the axial position of the end connections (52) of the coil windings (5). is selected relative to each other so that the difference between the maximum and minimum electrical resistance of the coil windings (5) is maximum, or that a measure of a deviation of the electrical resistances of the successively commutated coil windings (5) is minimized by a curve of a sinusoidal curve.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft bewickelte Läufer für bürstenkommutierte elektrische Maschinen, insbesondere Läufer, die mit Spulenwicklungen unterschiedlicher Windungszahlen versehen sind, um eine Läuferlagedetektion durch Auswertung eines Stromsignals durch die Spulenwicklungen durchzuführen. The invention relates to wound rotor for brush-commutated electrical machines, in particular rotor, which are provided with coil windings of different numbers of turns to perform a rotor position detection by evaluating a current signal through the coil windings.
Stand der TechnikState of the art
Beim Bewickeln eines Läufers für eine elektrische Maschine, wie beispielsweise eines Rotors einer Gleichstrommaschine, liegen Spulenseiten der einzelnen Spulenwicklungen in entsprechenden Nuten und sind über Stirnverbindungen miteinander verbunden. Aufgrund des üblicherweise angewandten Wicklungsschemas überkreuzen sich die Stirnverbindungen und liegen somit in axialer Richtung übereinander. Dies führt dazu, dass die Stränge der einzelnen Spulenwicklungen unterschiedliche Längen aufweisen, wodurch – unter Annahme gleicher Windungszahlen – unterschiedliche Wicklungsdrahtlängen für jede der entsprechenden Spulenwicklungen erforderlich sind. Dies führt zu einem trotz gleichen Windungszahlen veränderten elektrischen Widerstand zwischen den Spulenwicklungen.When winding a rotor for an electric machine, such as a rotor of a DC machine, coil sides of the individual coil windings are in corresponding grooves and are connected to one another via end connections. Due to the winding diagram usually used, the end connections cross each other and thus lie one above the other in the axial direction. This results in that the strands of the individual coil windings have different lengths, whereby - assuming the same number of turns - different winding wire lengths are required for each of the corresponding coil windings. This leads to a change in electrical resistance between the coil windings despite the same number of turns.
Es kann vorgesehen sein, dass bei elektrischen Maschinen eine Erkennung einer Rotorlage durch Auswertung einer elektrischen Eigenschaft der Spulenwicklungen der bewickelten Maschinenkomponente erfolgt. Insbesondere hängt die elektrische Eigenschaft von dem elektrischen Widerstand der jeweiligen Spulenwicklung ab und es kann vorgesehen sein, den elektrischen Widerstand der einzelnen Wicklungsspulen zu variieren, z.B. mit unterschiedlichen Windungszahlen zu versehen. Jedoch kann der gewünschte Effekt des Variierens des elektrischen Widerstandes durch die durch die übereinander liegenden Stirnverbindungen der Spulenseiten bedingten Variationen der Längen der Stränge der Spulenwicklungen beeinflusst werden, so dass eine Auswertung der Lageinformation mithilfe des elektrischen Widerstands verschlechtert wird.It can be provided that, in the case of electrical machines, a detection of a rotor position takes place by evaluating an electrical property of the coil windings of the wound machine component. In particular, the electrical characteristic depends on the electrical resistance of the respective coil winding and it may be provided to vary the electrical resistance of the individual winding coils, e.g. to provide with different numbers of turns. However, the desired effect of varying the electrical resistance may be influenced by the variations in the lengths of the strands of the coil windings caused by the superimposed end connections of the coil sides, so that an evaluation of the position information by means of the electrical resistance is impaired.
Aus der Druckschrift
Die Druckschrift
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen bewickelten Läufer für eine elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, mit dem es möglich ist, eine Lageerkennung in der elektrischen Maschine durch Auswertung einer elektrischen Größe bezüglich der Spulenwicklungen des Läufers in zuverlässiger Weise durchzuführen. Insbesondere soll der Läufer gewährleisten, dass dessen Bewicklung eine elektronische Erfassung der Läuferlage basierend auf dem elektrischen Widerstand der Spulenwicklungen nicht erschwert oder verhindert. Es ist weiterhin eine Aufgabe, ein Verfahren zum Herstellen eines bewickelten Läufers zur Verfügung zu stellen, mit dem der Läufer mit einer zuverlässigen Lageerkennung der elektrischen Maschine durch Auswertung eines elektrischen Widerstands der Spulenwicklungen des Läufers geschaffen werden kann.It is an object of the present invention to provide a wound rotor for an electric machine, with which it is possible to perform a position detection in the electric machine by evaluating an electric variable relative to the coil windings of the rotor in a reliable manner. In particular, the rotor should ensure that its winding does not hinder or prevent electronic detection of the rotor position based on the electrical resistance of the coil windings. It is a further object to provide a method for producing a wound rotor, with which the rotor can be created with a reliable position detection of the electric machine by evaluating an electrical resistance of the coil windings of the rotor.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch den bewickelten Läufer für eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch die elektrische Maschine und das Verfahren zum Herstellen eines Läufers gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.This object is achieved by the wound rotor for an electric machine according to
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Läufer, insbesondere ein Rotor, für eine bürstenkommutierte elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
- – einen Anker mit im Wesentlichen quer zu ihrer Anordnungsrichtung verlaufenden Nuten; und
- – mehrere durch die Nuten geführte Spulenwicklungen, wobei die Spulenwicklungen mit variierenden elektrischen Widerständen ausgebildet sind;
wobei die axiale Lage der Stirnverbindungen der Spulenwicklungen relativ zueinander so gewählt ist,
dass die Differenz zwischen dem maximalen und minimalen elektrischen Widerstand der Spulenwicklungen maximal ist, oder
dass ein Maß für eine Abweichung der elektrischen Widerstände der nacheinander kommutierten Spulenwicklungen von einem Verlauf einer sinusförmigen Kurve minimal ist. According to a first aspect, a rotor, in particular a rotor, is provided for a brush-commutated electric machine, comprising:
- An armature with grooves extending substantially transversely to its arrangement direction; and
- - A plurality of guided through the grooves coil windings, wherein the coil windings are formed with varying electrical resistances;
wherein the axial position of the end connections of the coil windings is selected relative to one another,
that the difference between the maximum and minimum electrical resistance of the coil windings is maximum, or
a measure of a deviation of the electrical resistances of the successively commutated coil windings from a profile of a sinusoidal curve is minimal.
Eine Idee des obigen bewickelten Läufers besteht darin, diesen mit Spulenwicklungen mit variierenden elektrischen Widerstandswerten zu versehen, um durch direktes oder indirektes Auswerten des elektrischen Widerstands (z.B. durch eine entsprechende Spannungs- und/oder Strommessung) eine Lageerkennung des Läufers zu ermöglichen. Weiterhin ist die Reihenfolge, in der die Stirnverbindungen der einzelnen Spulenwicklungen stirnseitig in axialer Richtung übereinander liegen, an die variierenden elektrischen Widerstandswerte angepasst. Die Anpassung kann so vorgenommen werden, dass die Differenz zwischen dem maximalen und minimalen elektrischen Widerstand der Spulenwicklungen maximal ist oder dass ein Maß für eine Abweichung der elektrischen Widerstände der nacheinander kommutierten Spulenwicklungen von einem Verlauf einer sinusförmigen Kurve minimal ist. Dadurch kann eine bestmögliche Auswertung der Variation des elektrischen Widerstands der Spulenwicklungen bei einer Bewegung des Läufers hinsichtlich einer durchzuführenden Lageerkennung gewährleistet werden. Insgesamt kann durch obige Maßnahmen erreicht werden, dass die sich durch die unterschiedlichen Längen der Stirnverbindungen ergebenden Widerstandsvariationen die für die Spulenwicklungen vorgesehenen variierenden elektrischen Widerstände kompensieren bzw. deren Variation abschwächen, wodurch die Detektierbarkeit der Läuferlage verschlechtert würde. One idea of the above wound rotor is to provide it with coil windings having varying electrical resistance values to enable positional detection of the rotor by directly or indirectly evaluating the electrical resistance (eg, by a corresponding voltage and / or current measurement). Furthermore, the order in which the end connections of the individual coil windings overlap one another in the axial direction in the axial direction is adapted to the varying electrical resistance values. The adjustment can be made such that the difference between the maximum and minimum electrical resistance of the coil windings is maximum or that a measure of a deviation of the electrical resistances of the successively commutated coil windings from a curve of a sinusoidal curve is minimal. As a result, the best possible evaluation of the variation of the electrical resistance of the coil windings during a movement of the rotor with respect to a positional detection to be carried out can be ensured. Overall, it can be achieved by the above measures that the resistance variations resulting from the different lengths of the end connections compensate for the varying electrical resistances provided for the coil windings or attenuate their variation, which would impair the detectability of the rotor position.
Weiterhin können die variierenden elektrischen Widerstände der Spulenwicklungen durch mindestens eines der folgenden bestimmt sein:
- – einen variierenden Querschnitt eines Wicklungsdrahts für die Spulenwicklungen;
- – ein variierendes Material des Wicklungsdrahts;
- – ein zusätzliches Widerstandselement, das mit der Spulenwicklung verschaltet ist; und
- – eine variierende Anzahl der Windungen der Spulenwicklungen.
- A varying cross-section of a winding wire for the coil windings;
- A varying material of the winding wire;
- - An additional resistance element, which is connected to the coil winding; and
- - A varying number of turns of the coil windings.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Läufer einen Kommutator zur lageabhängigen elektrischen Bestromung der Spulenwicklungen aufweisen.According to one embodiment, the rotor may have a commutator for the position-dependent electrical energization of the coil windings.
Es kann vorgesehen sein, dass die variierenden elektrischen Widerstände der nacheinander kommutierten Spulenwicklungen entlang eines vorbestimmten Verlaufs mit einem maximalen und einem minimalen elektrischen Widerstand, insbesondere entlang eines Verlaufs einer sinusförmigen Kurve, gewählt sind.It can be provided that the varying electrical resistances of the successively commutated coil windings along a predetermined course with a maximum and a minimum electrical resistance, in particular along a course of a sinusoidal curve, are selected.
Insbesondere können die Stirnverbindungen der Spulenwicklungen mit dem minimalen elektrischen Widerstand zumindest an mit anderen Stirnverbindungen übereinanderliegenden Abschnitten näher an der Stirnseite des Ankers angeordnet sein als die Stirnverbindungen der Spulenwicklungen mit dem maximalen elektrischen Widerstand.In particular, the end connections of the coil windings with the minimum electrical resistance can be arranged closer to the front side of the armature, at least on sections lying one above the other end connections, than the end connections of the coil windings with the maximum electrical resistance.
Alternativ können die Stirnverbindungen der Spulenwicklungen an einer Stirnseite des Ankers jeweils eine unterschiedliche Länge aufweisen, wobei die Stirnverbindungen der Spulenwicklungen mit dem minimalen elektrischen Widerstand eine geringere Länge aufweisen als die Stirnverbindungen der Spulenwicklungen mit dem maximalen elektrischen Widerstand.Alternatively, the end connections of the coil windings may each have a different length at one end side of the armature, wherein the end connections of the coil windings with the minimum electrical resistance have a shorter length than the end connections of the coil windings with the maximum electrical resistance.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine vorgesehen, wobei ein Läufer umfasst:
- – einen Anker mit im Wesentlichen quer zu ihrer Anordnungsrichtung verlaufenden Nuten; und
- – mehrere durch die Nuten geführte Spulenwicklungen, wobei die Spulenwicklungen mit variierenden elektrischen Widerständen ausgebildet sind;
- An armature with grooves extending substantially transversely to its arrangement direction; and
- - A plurality of guided through the grooves coil windings, wherein the coil windings are formed with varying electrical resistances;
Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass der Anteil der Oberwellen der Ordnung der doppelten Polpaarzahl des Läufers bezüglich aller Oberwellen möglichst groß ist, so dass eine zuverlässige Auswertung zur Lageerkennung in diesem Frequenzbereich gewährleistet ist. Gleichzeitig stellt die Harmonische der Ordnung der doppelten Polpaarzahl des Läufers eine relativ niedrige Frequenz für die Stromwelligkeit dar, die zudem eine einfache Auswertung der Lage des Läufers ermöglicht. In this way it can be ensured that the proportion of the harmonics of the order of the double pole pair number of the rotor with respect to all harmonics is as large as possible, so that a reliable evaluation for position detection is ensured in this frequency range. At the same time, the harmonic of the order of twice the number of pole pairs of the rotor represents a relatively low frequency for the current ripple, which also allows a simple evaluation of the position of the rotor.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Herstellen eines Läufers für eine bürstenkommutierte elektrische Maschine vorgesehen, wobei ein Anker mit im Wesentlichen quer zu ihrer Anordnungsrichtung verlaufenden Nuten mit Spulenwicklungen, die mit variierenden elektrischen Widerständen ausgebildet sind, bewickelt wird, wobei das Bewickeln in einer Wicklungsreihenfolge durchgeführt wird, so dass Stirnverbindungen der Spulenwicklungen entlang der Stirnseiten des Ankers verlaufen und in axialer Richtung abschnittsweise übereinander liegen und so dass die axiale Lage der Stirnverbindungen der Spulenwicklungen relativ zueinander so gewählt ist, dass beim Betrieb der elektrischen Maschine eine Stromwelligkeit einer Frequenz, die der Ordnung einer doppelten Polpaarzahl des Läufers bzw. einem Vielfachen davon entspricht, maximal wird.According to another aspect, there is provided a method of manufacturing a rotor for a brush-commutated electric machine, wherein an armature having grooves extending substantially transverse to its arrangement direction is wound with coil windings formed with varying electrical resistances, the winding being wound in a winding order is carried out so that end connections of the coil windings run along the end sides of the armature and in the axial direction in sections one above the other and so that the axial position of the end connections of the coil windings relative to each other is selected so that during operation of the electric machine, a current ripple frequency, the Order of a double pole pair number of the rotor or a multiple thereof corresponds to a maximum.
Weiterhin können die variierenden elektrischen Widerstände der Spulenwicklungen durch einen variierenden Querschnitt eines Wicklungsdrahts für die Spulenwicklungen und/oder durch ein variierendes Material des Wicklungsdrahts; und/oder durch eine variierende Anzahl der Windungen der Spulenwicklungen bestimmt sein. Furthermore, the varying electrical resistances of the coil windings may be represented by a varying cross section of a winding wire for the coil windings and / or by a varying material of the winding wire; and / or be determined by a varying number of turns of the coil windings.
Weiterhin können die variierenden elektrischen Widerstände der nacheinander in Anordnungsrichtung angeordneten Spulenwicklungen entlang eines vorbestimmten Verlaufs mit einem maximalen und einem minimalen elektrischen Widerstand, insbesondere entlang eines Verlaufs einer sinusförmigen Kurve, gewählt werden.Furthermore, the varying electrical resistances of the coil windings disposed one after the other in the arrangement direction along a predetermined path with a maximum and a minimum electrical resistance, in particular along a course of a sinusoidal curve, can be selected.
Insbesondere können die Stirnverbindungen der Spulenwicklungen mit dem minimalen elektrischen Widerstand zumindest an mit anderen Stirnverbindungen übereinanderliegenden Abschnitten näher an der Stirnseite des Ankers angeordnet werden als die Stirnverbindungen der Spulenwicklungen mit dem maximalen elektrischen Widerstand.In particular, the end connections of the coil windings with the minimum electrical resistance can be arranged closer to the front side of the armature, at least at portions lying one above the other end connections, than the end connections of the coil windings with the maximum electrical resistance.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Embodiments are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Axial versetzt zu dem Anker
Der Anker
Bei der Herstellung des Rotors
In
Durch die variierende Länge der Wicklungsdrähte der einzelnen Spulenwicklungen
Für eine Rotorlageerkennung kann eine Auswertung einer elektrischen Größe der Spulenwicklungen
Wie bereits in der Druckschrift
Zur Auswertung kann ein Steuergerät vorgesehen sein, das den durch den Rotor
Sowohl die aufgrund der gewählten Wicklungsreihenfolge der Spulenwicklungen
In fünf Varianten V1–V5 sind unterschiedliche Reihenfolgen für die Bewicklung des Ankers
Hinsichtlich der Auswertbarkeit der elektrischen Widerstände würde man aus den obigen Varianten die Wicklungsreihenfolge auswählen, aus der sich der Verlauf der elektrischen Widerstände der Spulenwicklungen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R006 | Appeal filed | ||
R008 | Case pending at federal patent court | ||
R019 | Grant decision by federal patent court | ||
R020 | Patent grant now final |