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 DE 102 13 383 A1 ist ein Verfahren zum Bewickeln eines Wicklungsträgers mit einem Wicklungsdraht bekannt, wobei zur Vermeidung einer Widerstandswelligkeit über den Umfang der Wicklung vor dem Aufwickeln des Wicklungsdrahts auf den Wicklungsträger der Drahtquerschnitt des Wicklungsdrahts so variiert wird, dass der elektrische Widerstand aller mit dem Wicklungsdraht gewickelten Spulenwicklungen annähernd gleich ist.From the publication DE 102 13 383 A1 a method for winding a winding support with a winding wire is known, wherein to avoid a resistance ripple over the circumference of the winding before winding the winding wire on the winding support of the wire cross section of the winding wire is varied so that the electrical resistance of all wound with the winding wire coil windings approximately equal is.

Die Druckschrift EP 2 186 183 B1 offenbart eine elektrische Maschine mit in einem Rotor ausgebildeten Nuten, in denen einzelne Leiterschleifen von elektrischen Spulen angeordnet sind. Die Anzahl der einzelnen Leiterschleifen der Spulen ist derart gewählt, dass die Abfolge der Anzahl der Leiterschleifen in der Reihenfolge ihrer Kommutierung näherungsweise eine Sinusfunktion darstellt.The publication EP 2 186 183 B1 discloses an electric machine with grooves formed in a rotor in which individual conductor loops of electrical coils are arranged. The number of individual conductor loops of the coils is chosen such that the sequence of the number of conductor loops in the order of their commutation represents approximately a sinusoidal function.

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 claim 1 and by the electric machine and the method for manufacturing a rotor according to the independent claims.

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 Spulenwicklungen Stirnverbindungen aufweisen, die entlang den Stirnseiten des Ankers verlaufen, wobei die Stirnverbindungen in axialer Richtung abschnittsweise übereinander liegen,
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 coil windings have end connections which run along the front sides of the armature, wherein the end connections lie one above another in the axial direction in sections,
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.
Furthermore, the varying electrical resistances of the coil windings may be determined by at least one of the following:
  • 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;
wobei die Spulenwicklungen Stirnverbindungen aufweisen, die entlang den Stirnseiten des Ankers verlaufen, wobei die Stirnverbindungen in axialer Richtung abschnittsweise übereinander liegen, wobei die axiale Lage der Stirnverbindungen der Spulenwicklungen relativ zueinander so gewählt ist, dass beim Betrieb der elektrischen Maschine eine Stromwelligkeit einer Frequenz, die einer Harmonischen der Ordnung einer doppelten Polpaarzahl des Läufers bzw. einem Vielfachen davon entspricht, maximal wird. According to a further aspect, an electric machine is provided, wherein a rotor comprises:
  • 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 coil windings have end connections which run along the front sides of the armature, wherein the end connections in sections are one above the other in the axial direction, wherein 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 a frequency a harmonic of the order of a double pole pair number of the rotor or a multiple thereof corresponds to a maximum.

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:

1 eine Seitenansicht eines bewickelten Rotors für eine Gleichstrommaschine; 1 a side view of a wound rotor for a DC machine;

2 eine Querschnittsansicht des Rotors der 1 auf einer mit dem Kommutator versehenen Stirnseite; 2 a cross-sectional view of the rotor of 1 on a provided with the commutator end face;

3 ein Diagramm, das den Verlauf eines Wicklungswiderstands der Spulenwicklungen abhängig von der Wicklungsreihenfolge Wicklung der Spulenwicklungen angibt; 3 a diagram indicating the course of a winding resistance of the coil windings depending on the winding order winding of the coil windings;

4 ein Beispiel für eine Variation der Windungszahlen über den Umfang des Rotors, so dass die elektrischen Widerstände auf einer sinusförmigen Kurve liegen; 4 an example of a variation of the number of turns over the circumference of the rotor, so that the electrical resistances lie on a sinusoidal curve;

5 eine Darstellung verschiedener Varianten, die jeweils einen resultierenden elektrischen Widerstand der nacheinander in Umfangsrichtung angeordneten Spulenwicklungen zeigen, wobei sich der jeweilige elektrische Widerstand aus dem variierenden elektrischen Widerstand und dem elektrischen Widerstand der jeweiligen Länge der Stirnverbindung der betreffenden Spulenwicklung ergibt; und 5 a representation of various variants, each showing a resulting electrical resistance of the successively arranged in the circumferential direction coil windings, wherein the respective electrical resistance of the varying electrical resistance and the electrical resistance of the respective length of the end connection of the respective coil winding results; and

6 ein Diagramm, das einen Einfluss der Wicklungsreihenfolge und der Windungszahl auf eine Stromwelligkeit über der Drehzahl zeigt. 6 a diagram showing an influence of the winding order and the number of turns on a current ripple over the speed.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

1 zeigt eine Seitenansicht eines Rotors 1 (Läufer) für eine elektrische Maschine, insbesondere für eine Gleichstrommaschine. Der Rotor 1 umfasst einen Anker 2, der fest an einer Rotorwelle 3 angeordnet ist. Der Anker 2 ist mit in axialer Richtung verlaufenden Nuten 21 versehen, die zur jeweiligen Aufnahme von Spulenwicklungen 5 dienen. 1 shows a side view of a rotor 1 (Rotor) for an electric machine, in particular for a DC machine. The rotor 1 includes an anchor 2 that stuck to a rotor shaft 3 is arranged. The anchor 2 is with grooves running in the axial direction 21 provided for the respective recording of coil windings 5 serve.

Axial versetzt zu dem Anker 2 ist ein Kommutator 4 an der Rotorwelle 3 vorgesehen, der in Umfangsrichtung angeordnete Kommutatorlamellen 41 aufweist, um mithilfe von (nicht gezeigten) Kommutatorbürsten Spulenwicklungen 5 an dem Anker 2 zu bestromen. Axially offset to the anchor 2 is a commutator 4 on the rotor shaft 3 provided, the circumferentially arranged commutator bars 41 having coil windings by means of commutator brushes (not shown) 5 at the anchor 2 to energize.

Der Anker 2 ist durch mehrere Spulenwicklungen 5 bewickelt, die jeweils mit zwei Kommutatorlamellen 41 zum Anlegen eines elektrischen Stroms verbunden sind. Die Spulenwicklungen 5 sind jeweils durch zwei Nuten 21 geführt, wobei die in den Nuten 21 liegenden Spulenseiten 51 der umlaufenden Spulenwicklungen 5 über Stirnverbindungen 52 an den axialen Enden des Ankers 2 miteinander verbunden sind.The anchor 2 is due to several coil windings 5 wound, each with two commutator blades 41 are connected for applying an electric current. The coil windings 5 are each by two grooves 21 led, where in the grooves 21 lying coil sides 51 the circulating coil windings 5 over forehead connections 52 at the axial ends of the anchor 2 connected to each other.

Bei der Herstellung des Rotors 1 werden die Spulenwicklungen 5 nacheinander in die Nuten 21 gewickelt, so dass die Stirnverbindungen 52 der Spulenwicklungen 5 in axialer Richtung übereinander zu liegen kommen. Die Lagenanordnung der Stirnverbindungen 52 ist durch die Wicklungsreihenfolge bestimmt, die bei herkömmlichen Bewicklungsvorrichtungen in der Regel festgelegt ist. Frei wählbar ist jedoch die Spulenwicklung 5, mit der das Bewickeln des Ankers 2 begonnen wird.In the manufacture of the rotor 1 become the coil windings 5 one after the other into the grooves 21 wrapped so that the forehead connections 52 the coil windings 5 come to lie one above the other in the axial direction. The layer arrangement of the end connections 52 is determined by the winding order, which is usually fixed in conventional Bewicklungsvorrichtungen. Freely selectable, however, is the coil winding 5 , with the winding of the anchor 2 is started.

In 2 ist schematisch eine stirnseitige Ansicht auf das mit dem Kommutator 4 versehene Ende des Rotors 1 dargestellt. Man erkennt die Lage der durch jeweils zwei Nuten 21 geführten Spulenstränge der Spulenwicklungen 5, wobei sich die Stirnverbindungen 52 jeweils teilweise überdecken. Durch die Lagenanordnung der Stirnverbindungen 52 der einzelnen Spulenwicklungen 5 in axialer Richtung unterscheiden sich die Wicklungsquerschnitte der Spulenwicklungen 5 (d. h. die durch die betreffende Spulenwicklung 5 umschlossene Fläche), wodurch die Länge des Wicklungsdrahts der betreffenden Spulenwicklung 5 erheblich davon abhängt, in welcher Lage sich die Stirnverbindung 52 der betreffenden Spulenwicklung 5 befindet.In 2 is schematically an end view of the with the commutator 4 provided end of the rotor 1 shown. You can see the position of each by two grooves 21 guided coil strands of the coil windings 5 , where the forehead connections 52 partially overlap. Due to the layer arrangement of the end connections 52 the individual coil windings 5 in the axial direction, the winding cross sections of the coil windings differ 5 (ie, through the coil winding in question 5 enclosed area), whereby the length of the winding wire of the respective coil winding 5 significantly depends on what position the forehead connection 52 the relevant coil winding 5 located.

Durch die variierende Länge der Wicklungsdrähte der einzelnen Spulenwicklungen 5 kommt es je nach der Wicklungsreihenfolge, in der die Spulenwicklungen 5 auf den Anker 2 gewickelt worden sind, bzw. je nach Spulenwicklung 5, mit der das Bewickeln des Ankers 2 begonnen wurde, zu variierenden elektrischen Widerständen. In 3 ist diesbezüglich beispielhaft der ansteigende elektrische Widerstand von in der angegebenen Reihenfolge (x-Achse) F gewickelten Spulenwicklungen 5 dargestellt. Due to the varying length of the winding wires of the individual coil windings 5 Depending on the winding order in which the coil windings 5 on the anchor 2 have been wound, or depending on the coil winding 5 , with the winding of the anchor 2 started to be varied electrical resistances. In 3 In this regard, the rising electrical resistance of coil windings wound in the specified order (x-axis) F is by way of example 5 shown.

Für eine Rotorlageerkennung kann eine Auswertung einer elektrischen Größe der Spulenwicklungen 5 verwendet werden. Insbesondere kann der elektrische Widerstand der Spulenwicklungen 5 unterschiedlich ausgelegt werden, um abhängig von einem detektierten elektrischen Widerstand die absolute Lage des Rotors 1 in der elektrischen Maschine zu detektieren. Dies kann beispielsweise durch Anpassen bzw. Variieren eines Leiterquerschnitts des Wicklungsdrahts für die Spulenwicklungen 5, durch Variieren eines Materials des Wicklungsdrahts oder auch durch Variieren der Anzahl der Windungen der Spulenwicklungen 5 erreicht werden. Durch Vorsehen von Spulenwicklungen 5 mit variierender Windungszahl ist es somit möglich, den elektrischen Widerstand einzustellen. Die Lageerkennung kann dann durch Auswerten der aktuell durch den Kommutator 4 kontaktierten Spulenwicklung 5 erfolgen.For a rotor position detection, an evaluation of an electrical size of the coil windings 5 be used. In particular, the electrical resistance of the coil windings 5 be designed differently, depending on a detected electrical resistance, the absolute position of the rotor 1 to detect in the electric machine. This can be done, for example, by adapting or varying a conductor cross-section of the winding wire for the coil windings 5 by varying a material of the winding wire or by varying the number of turns of the coil windings 5 be achieved. By providing coil windings 5 With varying number of turns, it is thus possible to adjust the electrical resistance. The position detection can then by evaluating the current by the commutator 4 contacted coil winding 5 respectively.

Wie bereits in der Druckschrift WO 2009/015930 beschrieben, ist es vorteilhaft, wenn die elektrischen Widerstände der sich in Umfangsrichtung des Rotors 1 aneinander reihenden Spulenwicklungen 5 bezüglich ihrer Kommutierungsreihenfolge KF entlang eines Verlaufs einer sinusförmigen Kurve angeordnet sind, so dass bei der Auswertung des elektrischen Widerstands zur Ermittlung der Rotorlage Störungen höherer Ordnung eines zusätzlichen Stromrippelsignals weitgehend vermieden bzw. ausgeblendet werden können. Ein Beispiel für eine derartige Auslegung der elektrischen Widerstände von nacheinander in einer Kommutierungsreihenfolge KF kommutierten Spulenwicklungen 5 ist in 4 dargestellt. As already in the publication WO 2009/015930 described, it is advantageous if the electrical resistances in the circumferential direction of the rotor 1 adjacent coil windings 5 are arranged with respect to their commutation order KF along a course of a sinusoidal curve, so that when evaluating the electrical resistance to determine the rotor position higher order disturbances of an additional current ripple signal can be largely avoided or hidden. An example of such a design of the electrical resistances of successively commutated in a Kommutierungsreihenfolge KF coil windings 5 is in 4 shown.

Zur Auswertung kann ein Steuergerät vorgesehen sein, das den durch den Rotor 1 fließenden Motorstrom detektiert und die auf dem Motorstrom befindlichen Stromrippel auswertet. Die Stromrippel weisen zunächst eine Hauptfrequenz auf, die der Kommutierungsfrequenz des Kommutators 4 abhängig von der Drehzahl des Rotors 1 entspricht. Weiterhin ist den Stromrippeln eine weitere Frequenz der 2p-ten Ordnung überlagert, die sich aus dem sinusförmigen Verlauf der Widerstandswerte der Spulenwicklungen 5 in Kombination mit der induzierten Spannung und bedingt durch die Kommutierung ergibt. Daraus lässt sich zu jedem Zeitpunkt die aktuelle Rotorlage ableiten.For evaluation, a control device may be provided which by the rotor 1 detected flowing motor current and evaluates the current ripple located on the motor current. The current ripple initially have a main frequency, the commutation frequency of the commutator 4 depending on the speed of the rotor 1 equivalent. Furthermore, the current ripple is superimposed on a further frequency of the 2p-th order, resulting from the sinusoidal course of the resistance values of the coil windings 5 in combination with the induced voltage and due to the commutation results. From this, the current rotor position can be derived at any time.

Sowohl die aufgrund der gewählten Wicklungsreihenfolge der Spulenwicklungen 5 als auch die aufgrund der Wahl der Windungszahlen der einzelnen Spulenwicklungen 5 auftretenden Variationen der elektrischen Widerstände überlagern einander und führen zu resultierenden elektrischen Widerständen für jede der Spulenwicklungen 5. 5 zeigt hierzu ein Diagramm, das beispielhaft für verschiedene Varianten von Wicklungsreihenfolgen F von sechs in Umfangsrichtung angeordneten Spulenwicklungen 5, die einen Verlauf der elektrischen Widerstände bezüglich ihrer Kommutierungsreihenfolge KF aufweisen, der einem Verlauf einer sinusförmigen Kurve entspricht, die resultierenden elektrischen Widerstände in der Kommutierungsreihenfolge KF der Spulenwicklungen 5 bei einer Drehung des Rotors 1 angibt. Both due to the chosen winding order of the coil windings 5 as well as due to the choice of the number of turns of the individual coil windings 5 occurring variations of the electrical resistances superimpose each other and lead to resulting electrical resistances for each of the coil windings 5 , 5 shows a diagram that is exemplary of different variants of winding orders F of six circumferentially arranged coil windings 5 which have a profile of the electrical resistances with respect to their commutation order KF, which corresponds to a curve of a sinusoidal curve, the resulting electrical resistances in the commutation order KF of the coil windings 5 upon rotation of the rotor 1 indicates.

In fünf Varianten V1–V5 sind unterschiedliche Reihenfolgen für die Bewicklung des Ankers 2 mit Spulenwicklungen 5 bei entsprechend unveränderten vorgegebenen Windungszahlen gegenüber dem in der Kurve der 4 angegebenen Verlauf der entsprechenden elektrischen Widerstände vorgegeben. Man erkennt starke Variationen zwischen den Verläufen der elektrischen Widerstände über die nacheinander kommutierten Spulenwicklungen 5. Zum Vergleich ist in Kurve RK der Verlauf des elektrischen Widerstands entsprechend der Variation der Windungszahl ohne Berücksichtigung der Wicklungsreihenfolge dargestellt.In five variants V1-V5 are different sequences for the winding of the anchor 2 with coil windings 5 at a correspondingly unchanged predetermined number of turns compared to that in the curve of 4 specified course of the corresponding electrical resistances. One sees strong variations between the progressions of the electrical resistances over the successively commutated coil windings 5 , For comparison, curve RK shows the course of the electrical resistance corresponding to the variation of the number of turns without regard to the winding order.

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 5 gemäß Variante 5 ergibt. Dort erhält man bei für die nacheinander kommutierten Spulenwicklungen 5 elektrische Widerstände nahezu entlang eines sinusförmigem Verlaufs und mit einer größtmöglichen Änderung des elektrischen Widerstands über die Spulenwicklungen 5, d. h. der größten Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen elektrischen Widerstand aller Spulenwicklungen 5.With regard to the evaluability of the electrical resistors would choose from the above variants, the winding order, from which the course of the electrical resistances of the coil windings 5 according to variant 5 results. There you get at for the sequentially commutated coil windings 5 electrical resistances almost along a sinusoidal course and with the largest possible change in the electrical resistance across the coil windings 5 , ie the largest difference between the maximum and the minimum electrical resistance of all coil windings 5 ,

6 zeigt ein Diagramm, das beispielhaft den Verlauf der Stromwelligkeiten SW (Differenz zwischen den Amplituden an den Minima und Maxima des Stromverlaufs) und über der Drehzahl n der elektrischen Maschine in der vierten und in der 20. Ordnung darstellt. Man erkennt, dass insbesondere bei niedrigen Drehzahlen hohe Stromwelligkeiten der 20. Ordnung (Kurven K) erreicht werden können. Bei Oberwellen der vierten Ordnung erhält man mit der Variante V5 die höchste Stromwelligkeit. Je höher die Stromwelligkeiten in der niedrigsten detektierbaren Ordnung der Stromwelligkeit sind, desto einfacher kann eine Auswertung der Rotorlage durchgeführt werden. 6 shows a diagram illustrating the example of the course of the current ripples SW (difference between the amplitudes at the minima and maxima of the current waveform) and the speed n of the electric machine in the fourth and in the 20th order. It can be seen that high current ripples of the 20th order (curves K) can be achieved, especially at low speeds. With harmonics of the fourth order one obtains with the variant V5 the highest current ripple. The higher the current ripples in the lowest detectable order of the current ripple, the easier it is possible to carry out an evaluation of the rotor position.

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  • WO 2009/015930 [0036] WO 2009/015930 [0036]

Claims (13)

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.Runner ( 1 ) for a brush-commutated electric machine, comprising: - an armature ( 2 ) with grooves extending substantially transversely to their arrangement direction ( 21 ); and - several through the grooves ( 21 ) guided coil windings ( 5 ), wherein the coil windings ( 5 ) are formed with varying electrical resistances; the coil windings ( 5 ) End connections ( 52 ), which along the end faces of the armature ( 2 ), the end connections ( 52 ) in sections in the axial direction, wherein the axial position of the end connections ( 52 ) of the coil windings ( 5 ) is selected relative to one another such 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 minimal from a course of a sinusoidal curve. Läufer (1) nach Anspruch 1, wobei die variierenden elektrischen Widerstände der Spulenwicklungen (5) durch mindestens eines der folgenden bestimmt sind: – einen variierenden Querschnitt eines Wicklungsdrahts für die Spulenwicklungen (5); – ein variierendes Material des Wicklungsdrahts; – ein zusätzliches Widerstandselement; und – eine variierende Anzahl der Windungen der Spulenwicklungen (5).Runner ( 1 ) according to claim 1, wherein the varying electrical resistances of the coil windings ( 5 ) are determined by at least one of the following: a varying cross section of a winding wire for the coil windings ( 5 ); A varying material of the winding wire; An additional resistance element; and - a varying number of turns of the coil windings ( 5 ). Läufer (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Läufer (1) einen Kommutator (4) zur lageabhängigen elektrischen Bestromung der Spulenwicklungen (5) aufweist.Runner ( 1 ) according to claim 1 or 2, wherein the runner ( 1 ) a commutator ( 4 ) for the position-dependent electrical energization of the coil windings ( 5 ) having. Läufer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die variierenden elektrischen Widerstände der nacheinander kommutierten Spulenwicklungen (5) entlang eines vorbestimmten Verlaufs mit einem maximalen und einem minimalen elektrischen Widerstand, insbesondere entlang eines Verlaufs einer sinusförmigen Kurve, gewählt sind.Runner ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the varying electrical resistances of the successively commutated coil windings ( 5 ) are selected along a predetermined course with a maximum and a minimum electrical resistance, in particular along a course of a sinusoidal curve. Läufer (1) nach Anspruch 4, wobei die Stirnverbindungen (52) der Spulenwicklungen (5) mit dem minimalen elektrischen Widerstand zumindest an mit anderen Stirnverbindungen (52) übereinanderliegenden Abschnitten näher an der Stirnseite des Ankers (2) angeordnet sind als die Stirnverbindungen (52) der Spulenwicklungen (5) mit dem maximalen elektrischen Widerstand.Runner ( 1 ) according to claim 4, wherein the end connections ( 52 ) of the coil windings ( 5 ) with the minimum electrical resistance at least on with other end connections ( 52 ) superimposed sections closer to the front side of the armature ( 2 ) are arranged as the end connections ( 52 ) of the coil windings ( 5 ) with the maximum electrical resistance. Läufer (1) nach Anspruch 4, wobei die Stirnverbindungen (52) der Spulenwicklungen (5) an einer Stirnseite des Ankers (2) jeweils eine unterschiedliche Länge aufweisen, wobei die Stirnverbindungen (52) der Spulenwicklungen (5) mit dem minimalen elektrischen Widerstand eine geringere Länge aufweisen als die Stirnverbindungen (52) der Spulenwicklungen (5) mit dem maximalen elektrischen Widerstand.Runner ( 1 ) according to claim 4, wherein the end connections ( 52 ) of the coil windings ( 5 ) on one end face of the anchor ( 2 ) each have a different length, wherein the end connections ( 52 ) of the coil windings ( 5 ) with the minimum electrical resistance have a shorter length than the end connections ( 52 ) of the coil windings ( 5 ) with the maximum electrical resistance. Elektrische Maschine mit einem Läufer (1), wobei der Läufer (1) umfasst: – 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 beim Betrieb der elektrischen Maschine eine Stromwelligkeit einer Frequenz, die einer Harmonischen der Ordnung einer doppelten Polpaarzahl des Läufers bzw. einem Vielfachen davon entspricht, maximal wird. Electric machine with a runner ( 1 ), the runner ( 1 ) comprises: - an anchor ( 2 ) with grooves extending substantially transversely to their arrangement direction ( 21 ); and - several through the grooves ( 21 ) guided coil windings ( 5 ), wherein the coil windings ( 5 ) are formed with varying electrical resistances; the coil windings ( 5 ) End connections ( 52 ), which along the end faces of the armature ( 2 ), the end connections ( 52 ) in sections in the axial direction, wherein the axial position of the end connections ( 52 ) of the coil windings ( 5 ) is selected relative to each other so that, during operation of the electric machine, a current ripple of a frequency corresponding to a harmonic of the order of a double pole pair number of the rotor or a multiple thereof becomes maximum. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, wobei die Differenz zwischen dem maximalen und minimalen elektrischen Widerstand der Spulenwicklungen (5) maximal ist, oder wobei ein Maß für eine Abweichung der elektrischen Widerstände der nacheinander kommutierten Spulenwicklungen (5) von einem Verlauf einer sinusförmigen Kurve minimal ist. Electric machine according to claim 7, wherein the difference between the maximum and minimum electrical resistance of the coil windings ( 5 ) is maximum, or wherein a measure of a deviation of the electrical resistances of the successively commutated coil windings ( 5 ) is minimal from a course of a sinusoidal curve. Verfahren zum Herstellen eines Läufers (1) für eine bürstenkommutierte elektrische Maschine, wobei ein Anker (2) mit im Wesentlichen quer zu ihrer Anordnungsrichtung verlaufenden Nuten (21) mit Spulenwicklungen (5), die mit variierenden elektrischen Widerständen ausgebildet sind, bewickelt wird, wobei das Bewickeln in einer Wicklungsreihenfolge durchgeführt wird, so dass Stirnverbindungen (52) der Spulenwicklungen entlang der Stirnseiten des Ankers (2) verlaufen und in axialer Richtung abschnittsweise übereinander liegen und so dass die axiale Lage der Stirnverbindungen (52) der Spulenwicklungen (5) relativ zueinander so gewählt ist, dass beim Betrieb der elektrischen Maschine eine Stromwelligkeit einer Frequenz, die einer Harmonischen der Ordnung einer doppelten Polpaarzahl des Läufers bzw. einem Vielfachen davon entspricht, maximal wird. Method for producing a runner ( 1 ) for a brush-commutated electric machine, wherein an armature ( 2 ) with grooves extending substantially transversely to their arrangement direction ( 21 ) with coil windings ( 5 wound with varying electrical resistances is wound, wherein the winding is performed in a winding order, so that end connections ( 52 ) of the coil windings along the end faces of the armature ( 2 ) and in the axial direction in sections one above the other and so that the axial position of the end connections ( 52 ) of the coil windings ( 5 ) is selected relative to each other so that, during operation of the electric machine, a current ripple of a frequency corresponding to a harmonic of the order of a double pole pair number of the rotor or a multiple thereof becomes maximum. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Differenz zwischen dem maximalen und minimalen elektrischen Widerstand der Spulenwicklungen (5) maximal ist, oder wobei ein Maß für eine Abweichung der elektrischen Widerstände der nacheinander kommutierten Spulenwicklungen (5) von einem Verlauf einer sinusförmigen Kurve minimal ist. Method according to claim 9, wherein the difference between the maximum and minimum electrical resistance of the coil windings ( 5 ) is maximum, or wherein a measure of a deviation of the electrical resistances of the succession commutated coil windings ( 5 ) is minimal from a course of a sinusoidal curve. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die variierenden elektrischen Widerstände der Spulenwicklungen (5) durch mindestens eines der folgenden bestimmt sind: – einen variierenden Querschnitt eines Wicklungsdrahts für die Spulenwicklungen (5); – ein variierendes Material des Wicklungsdrahts; – ein zusätzliches Widerstandselement; und – eine variierende Anzahl der Windungen der Spulenwicklungen (5).Method according to claim 9 or 10, wherein the varying electrical resistances of the coil windings ( 5 ) are determined by at least one of the following: a varying cross section of a winding wire for the coil windings ( 5 ); A varying material of the winding wire; An additional resistance element; and - a varying number of turns of the coil windings ( 5 ). Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die variierenden elektrischen Widerstände der nacheinander kommutierten Spulenwicklungen (5) entlang eines vorbestimmten Verlaufs mit einem maximalen und einem minimalen elektrischen Widerstand, insbesondere entlang eines Verlaufs einer sinusförmigen Kurve, gewählt werden.Method according to one of claims 9 to 11, wherein the varying electrical resistances of the successively commutated coil windings ( 5 ) along a predetermined course having a maximum and a minimum electrical resistance, in particular along a course of a sinusoidal curve. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Stirnverbindungen (52) der Spulenwicklungen (5) mit dem minimalen elektrischen Widerstand zumindest an mit anderen Stirnverbindungen (52) übereinanderliegenden Abschnitten näher an der Stirnseite des Ankers (2) angeordnet sind als die Stirnverbindungen (52) der Spulenwicklungen (5) mit dem maximalen elektrischen Widerstand.Method according to claim 12, wherein the end connections ( 52 ) of the coil windings ( 5 ) with the minimum electrical resistance at least on with other end connections ( 52 ) superimposed sections closer to the front side of the armature ( 2 ) are arranged as the end connections ( 52 ) of the coil windings ( 5 ) with the maximum electrical resistance.
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