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Die vorliegende Erfindung betrifft einen gleichstromerregten bürstenbehafteten asymmetrischen Motor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Bei Kommutatormotoren wird der Strom von der Stromversorgung bzw. der Steuereinrichtung über Bürsten zugeführt, die an dem in mehrere Lamellen unterteilten, zur Stromwendung dienenden Kommutator anliegen. Die Lamellen sind am Umfang des Kommutators gegeneinander isoliert und werden bei Drehung des aus den Ankerwicklungen, Motorwelle und Kommutator gebildeten Rotors entsprechend aufeinander folgend über die Bürsten bestromt. Hierbei gelangt jede Bürste von einer Lamelle aus nachfolgend auf den isolierten Zwischenbereich bzw. die Nut zwischen zwei Lamellen, wobei sie die beiden benachbarten Lamellen gleichzeitig kontaktiert und kurzschließt bzw. überbrückt, was zu einer Änderung im Stromsignal führt. Die Nutfrequenz ist durch die Anzahl an Lamellen und Schaltzuständen definiert.
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Es ist bekannt asymmetrische vierpolige DC Motoren mit zwei Bürsten, die einen Lagewinkel von 90° aufweisen einzusetzen. Unter asymmetrischen Motor wird verstanden, dass die Anzahl an Lamellen, die der Anzahl an Ankerzähnen entspricht, ungleich ein ganzes Vielfaches der Anzahl der Pole des Stators ist. In dieser Ausführungsform werden in Umfangsrichtung gegenüberliegende Lamellen miteinander verschaltet und die entsprechenden Spulen kurzgeschlossen, wodurch lediglich zwei Bürsten notwendig sind. Die Kohlebürsten haben niemals zeitgleich dieselbe Lamellenüberdeckung, d. h. das Verhältnis von Kohlebürstenwinkel zu Lamellenwinkel ist nicht ganzzahlig.
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Bei zwei Bürsten gibt es dann beispielsweise den Spulenzustand bei dem eine erste Bürste eine einzige Lamelle überdeckt, während eine zweite Bürste zwei Lamellen kommutiert, d. h. die beiden Bürsten liegen zeitgleich auf unterschiedlich vielen Lamellen auf. Hierbei können während der Ankerrotation sowohl eine gerade als auch eine ungerade Anzahl an kommutierten Lamellen auftreten. Herkömmlicherweise treten mittel- oder niederohmige Zustände mit kleinen Widerständen bei der Schaltung auf, die zu hohen Strompeaks führen. Diese sind unerwünscht, da sie zu Geräuschen führen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gleichstromerregten bürstenbehafteten asymmetrischen Motor anzugeben, der eine Geräuschreduzierung aufweist, die die Leistung des Motors nicht merklich beeinträchtigt.
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Diese Aufgabe wird von einem gleichstromerregten bürstenbehafteten asymmetrischen Motor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung genannt.
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Demnach ist ein gleichstromerregter bürstenbehafteter Motor aufweisend:
- - eine Motorwelle,
- - einen Kommutator mit einer in Umfangsrichtung angeordneten Anzahl von Lamellen, die denselben Lamellenwinkel aufweisen, wobei die Schlitzbreite zwischen zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Lamellen gleich ist,
- - einen Anker mit einer Anzahl von Ankerzähnen und Ankernuten, die der Anzahl von Lamellen entspricht, wobei in den Ankernuten Ankerwicklungen zur Ausbildung von Spulen angeordnet sind,
- - wenigstens ein Bürstenpaar zur Stromversorgung der Spulen aufweisend zwei an den Lamellen anliegende Bürsten,
- - eine Anzahl von Permanentmagneten im Stator zur Ausbildung eines Magnetfeldes, die ein Vielfaches von 2 und größer 2 ist (4,6,8,..), wobei die Spulen und der Kommutator auf der Motorwelle als drehbarer Rotor angebracht sind, und wobei die Anzahl von Ankerzähnen ungleich einem (ganzzahligen) Vielfachen der Anzahl von Permanentmagneten ist (asymmetrischer Motor) vorgesehen.
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Der Lagewinkel zwischen den beiden Bürsten eines Bürstenpaares ist kleiner gleich 90° und ungleich einem Vielfachen des Lagewinkels zwischen zwei in Umfangsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Lamellen, wobei eine Lamellenbreite, eine Schlitzbreite und eine Bürstenbreite derart gewählt sind, dass bei einer vollständigen Umdrehung des Rotors ausschließlich erste und zweite Spulenzustände auftreten, wobei ein erster Spulenzustand vorliegt, wenn eine der zwei Bürsten des wenigstens einen Bürstenpaares zwei benachbarte Lamellen kurzschließt und die andere Bürsten des wenigstens einen Bürstenpaares an einer einzelnen Lamelle anliegt und ein zweiter Spulenzustand vorliegt, wenn beide Bürsten des wenigstens einen Bürstenpaares jeweils an einer einzelnen Lamelle anliegen, und wobei bei einer vollständigen Umdrehung des Rotors höchstens 90% der Zeit erste Spulenzustände und mindestens 10% der Zeit zweite Spulenzustände vorliegen, so dass ein zeitliches Teilungsverhältnis von wenigstens 9:1 vorliegt.
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Die beiden Spulenzustände, die eingenommen werden können, weisen ein reduziertes Ripple auf, so dass der Motor im Betrieb deutlich geräuschärmer ist. Vorzugsweise ist das Teilungsverhältnis wenigstens 8:2. Allgemein gilt je mehr zweite Spulenzustände im Verhältnis zu den ersten Spulenzuständen vorliegen, desto weniger Geräusche werden produziert.
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Die Bürsten weisen bevorzugt die gleiche Bürstenbreite auf. Es ist aber auch denkbar, dass die Bürstenbreite der Bürsten eines Bürstenpaares unterschiedlich ist, was allerdings zu einem deutlich größeren konstruktiven Aufwand führt und höhere Kosten verursacht.
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Der Motor kann beispielsweise ein Vierpolmotor aufweisend zwei verbundene Zwei-Polmotoren sein. Dieser kann vier Bürsten umfassen, die symmetrisch alle 90° angeordnet sind. Bei mehreren Bürstenpaaren sind diese bevorzugt achssymmetrisch gespiegelt, d. h. bei vier Bürsten sind gegenüberliegende Bürsten mit derselben Polung ausgestattet und weisen dieselbe Lamellenüberdeckung auf. Es können aber auch nur zwei Bürsten zum Einsatz kommen, wenn die Ankerspulen jeweils mit der gegenüberliegenden Ankerspule kurzgeschlossen sind. Für einen Sechs-Polmotor kann man drei Bürstenpaare verwenden usw. Der beschreibende Motor ist beliebig skalierbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein einziges Bürstenpaar mit zwei Bürsten vorgesehen, die unter einem Lagewinkel von 90° zueinander auf dem Kommutator angeordnet sind. Dabei ist es bevorzugt, dass der erste Spulenzustand vorliegt, wenn eine der beiden Bürsten zwei benachbarte Lamellen kurzschließt und die zweite Bürste an einer einzelnen Lamelle anliegt und der zweite Spulenzustand vorliegt, wenn beide Bürsten jeweils an einer einzelnen Lamelle anliegen. Ein Spulenzustand bei dem insgesamt vier Lamellen kurzgeschlossen werden, wird zu keinem Zeitpunkt eingenommen. Vorzugsweise ist das Magnetfeld vierpolig.
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Das Teilungsverhältnis (T) ergibt sich ganz allgemein bevorzugt durch
wobei T
3 das Überdeckungsverhältnis für den ersten Spulenzustand ist und durch
gegeben ist, wobei
ist, und b<a ist, wobei ß der Lamellenwinkel, γ der Schlitzwinkel und δ der Bürstenwinkel ist.
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Der Motor ist vorzugsweise so dimensioniert, dass er eine Breite der Lamelle in einem Bereich zwischen 2,5mm und 10mm, eine Schlitzbreite zwischen zwei Lamellen in einem Bereich zwischen 0,2mm und 0,8mm und/oder eine Breite der Bürste in einem Bereich zwischen 1,5mm und 4mm aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Motor ein Innenläufermotor, dessen aus den Spulen, dem Kommutator und der Motorwelle gebildete Rotor innerhalb der Magnetpole angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Lamellenanzahl zehn und Bürstenpaaranzahl eins.
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Weiterhin ist ein Verstellsystem für ein Schiebedach eines Kraftfahrzeuges vorgesehen, wobei das Verstellsystem einen zuvor beschriebenen gleichstromerregten bürstenbehafteten Motor mit asymmetrischer Teilung aufweist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines gleichstromerregten bürstenbehafteten asymmetrischen Motors,
- 2: ein Wickelschema des Motors aus 1,
- 3: ein Diagramm eines gegen die Zeit aufgetragenen Ankerstroms mit mittlerer und starker Kommutierung,
- 3a: ein Diagramm eines gegen die Zeit aufgetragenen Ankerstroms mit mittlerer und schwacher Kommutierung,
- 4: eine schematische Darstellung eines gleichstromerregten bürstenbehafteten Motors, sowie
- 5: eine schematische Darstellung der Geometrie des Motors zur Beschreibung eines Kommutierungsverhältnisses.
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In 1 ist ein asymmetrischer Elektromotor 1 mit einem Stator 2 und einem Rotor 3 dargestellt, wobei der Rotor 3 eine Motorwelle 4, einen Anker mit Ankerzähnen und Ankernuten, die Ankerwicklungen zur Ausbildung von Spulen 5 tragen und einen Kommutator 6 aufweist und um eine Rotationsachse 100 rotiert. Der Stator 2 umfasst zwei Polpaare und einen nicht dargestellten Poltopf, die vier permanent erregte Statorpole 7 bilden. Es liegt ein Innenläufermotor vor. An dem Kommutator 6 des vierpoligen Motors 1 sind zehn gleichausgeformte Lamellen 8 gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt angeordnet. An den Lamellen 8 liegen unter einem Lagewinkel α von 90° zur Rotationsachse angeordnet zwei Bürsten 9 an. Die beiden Bürsten 9 bilden ein Bürstenpaar. Das Wicklungsschema des Elektromotors ist der 2 zu entnehmen. Es sind zwei Schichten vorgesehen. Zwei jeweils in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Ankerzähne (Nummern sind in eckigen Kästen dargestellt) werden nacheinander umwickelt und mit den in Kreisen dargestellten Lamellen verbunden. Die zweite Schicht weist einen Versatz um einen Ankerzahn auf. Jeweils in Umfangsrichtung gegenüberliegende Lamellen werden zudem miteinander verschaltet, so dass der Elektromotor zwei Motoren vereint, die ein gemeinsames Drehmoment erzeugen. An die beiden Bürsten 9 wird von einer nicht dargestellten Steuereinrichtung eine Gleichspannung, z. B. als PWM-Signal angelegt, so dass sich ein Strom I einstellt. Das Lamelle-Bürsten-System dient somit in bekannter Weise als mechanische Kommutierung des Kommutatormotors 1. Die Lamellen 8 sind gleichmäßig über den Umfang des Kommutators 6 verteilt angeordnet, wobei die Bürsten 9 bei der Drehbewegung des Rotors auf ihnen gleiten. Somit gelangt jede Bürste 9 periodisch auf eine Nut 8a bzw. isolierten Zwischenraum zwischen zwei Lamellen 8. Die Bürsten 9 sind mit einer Anliegefläche 10 ausgebildet, die größer als eine Nut 8a ist, so dass die Bürsten 9 benachbarte Lamellen 8 kurzzeitig kurzschließen können. Der Übergang der Bürsten 9 zwischen benachbarten Lamellen 8 führt zur Ausbildung von Stromrippeln aufweisend eine Nutfrequenz. Der Motor 1 weist eine asymmetrische Überdeckung der Lamellen durch die Bürsten auf (ungleiche Kommutatorüberdeckung). In dem in 1 gezeigten Kommutierungszustand überdeckt die erste Bürste 9 eine einzige Lamelle 8 während gleichzeitig die zweite Bürste 9 zwei Lamellen 8 kurzschließt. Dies stellt einen sogenannten mittleren Spulenzustand dar; zwei Spulen 5 sind kurzgeschlossen und die restlichen Spulen 5 sind gleichmäßig bestromt, wobei das Stromniveau für jede dieser Spulen 5 1 ist.
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Solche gleichstromerregten bürstenbehafteten asymmetrischen Motoren haben unabhängig von der Anzahl der Nuten insgesamt drei unterschiedliche Spulenzustände: schwach, mittel und stark. Dies lässt sich anhand des Gesamtwiderstandes am Anker sowie des daraus resultierenden Stromrippels erkennen. Entsprechend des aktuellen Zustandes, in dem sich der Motor befindet, werden die vorhandenen Spulen 5 unterschiedlich stark bestromt. Dies sorgt für unterschiedlich starke Magnetkräfte, wodurch wiederum unterschiedlich starke Abstoßungen zwischen Anker und Permanentmagnet/Stator entstehen. Diese Abstoßungen erzeugen Vibrationsgeräusche, die die Nutfrequenz, sowie deren Vielfache beeinflussen.
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In dem starken Spulenzustand (niederohmiger Widerstand) werden vier Lamellen 8 kommutiert und entsprechend vier Spulen 5 kurzgeschlossen. Vier weitere Spulen 5 werden gleichmäßig mit einem Stromniveau von 1 bestromt und die übrigen zwei Spulen 5 werden stärker bestromt mit einem Stromniveau von 2. Die stärker bestromten Spulen 5 erzeugen einen hohen Stromrippel.
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Der schwache Spulenzustand (hochohmiger Widerstand) tritt als Übergangszustand bei einer Rotation auf, wenn die Bürste eine schmale Anlauffläche gegenüber der Lamellenbreite besitzt. In diesem Zustand werden nur zwei Lamellen 8 kommutiert und somit vier Spulen 5 gleichmäßig bestromt mit einem Stromniveau von 1. Sechs weitere Spulen 5 werden schwächer bestromt mit jeweils einem Stromniveau von 2/3.
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Allgemein gilt, dass die schwächer bestromten Spulen 5 einen niedrigeren Stromrippel erzeugen. Da der Stromrippel des starken Spulenzustandes doppelt so hoch ist wie der des mittleren Spulenzustands, ist dieser zu vermeiden, um eine Geräuschreduzierung zu erzielen. Der Stromrippel des schwachen Zustandes ist 1/3 schwächer als der des mittleren Zustands.
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Ein bürstenbehafteter DC Motor muss während der Rotation mindestens zwei Spulenzustände durchlaufen, wobei der Standardzustand Mittel immer generiert wird. Die Spulenzustände schwach und stark können durch geometrische Anpassung der Lamellenbreite, der Schlitzbreite und der Bürstenbreite gewählt werden. Für eine Optimierung der Nutfrequenz im Hinblick auf eine Reduzierung von Geräuschen sieht die Erfindung vor, dass sich der Motor möglichst lange im Spulenzustand schwach befindet und niemals den starken Spulenzustand einnimmt.
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Unabhängig vom aktuellen Spulenzustand, bleibt die Gesamtenergie im Anker gleich. Daher kann ein DC Motor ein gewünschtes Moment erzeugen und trotzdem das Vibrationsgeräusch der Nutfrequenz reduziert werden.
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3 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Ankerstroms IA eines gleichstromerregten bürstenbehafteten asymmetrischen Motors mit mittleren und starken Spulenzuständen. 3a zeigt im Vergleich dazu den zeitlichen Verlauf eines Ankerstroms IA eines gleichstromerregten bürstenbehafteten asymmetrischen Motors mit mittleren und schwachen Spulenzuständen.
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Das Stromsignal mittlerer und schwacher Spulenzustände 11 weist eine deutlich kleinere Amplitude auf. Der Pfeil 12 zeigt den Unterschied zwischen den Maxima der beiden Kurven auf. Die Fläche unter der Kurve ist daher bei mittleren und schwachen Spulenzuständen deutlich geringer, als die Fläche unter der Kurve des Stromsignals der mittleren und starken Spulenzustände 13. Die Fläche unter der Kurve stellt die jeweilige Energie der Spulenzustände dar, d. h. bei der mittleren und schwachen Spulenzuständen ist die Aufmagnetisierung der einzelnen Spulen deutlich sanfter, die Reaktionsschläge am Stator sind verringert und Vibrationsgeräusche der Nutfrequenz sind reduziert. Die Fläche unter der Kurve setzt sich zusammen aus aufeinandergereihten Spulenzuständen. Im zeitlichen Verlauf des Wechsels zwischen mittleren und schwachen Spulenzuständen 11 zeigt sich nach einem Ankerstrommaxima ein Stromeinbruch. Dieser Einbruch entsteht dadurch, dass die Bürste eine Kommutatornut überwindet und auf eine neue Lamelle auftrifft. In diesem Zustand können Vibrationen an der Kohle dazu führen, das diese „hüpft“ und für einen sehr kurzen Moment den Kommutator nur Teilweise (falscher, schwacher Zustand obwohl eigentlich noch mittlerer Zustand wäre) oder gar nicht berührt. In dem Beispiel der 1 beträgt der vollständige Wechsel von einer Lamelle zur nächsten, einer Rotation des Rotors um die Rotationsachse um 36°. Pro Lamellenwechsel schaltet der Motor vier Spulenzustände.
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In den
4 und
5 sind schematische Darstellungen eines gleichstromerregten bürstenbehafteten Motors zur Definition eines zeitlichen Teilungsverhältnisses der Spulenzustände bzw. der Kommutation gezeigt, auch Kommutierungsverhältnis genannt. Der Kommutator 6 weist einen Durchmesser im Bereich der Laufflächen (Kommutatoraußendurchmesser) D
a auf. Der Motor 1 weist eine Lamellenbreite x in Umfangsrichtung zur Rotationsachse des Rotors an der Lauffläche auf, die einem Lamellenwinkel β
entspricht. Zwischen jeweils zwei Lamellen ist eine Schlitzbreite y vorgesehen, die einem Schlitzwinkel
entspricht. Die Bürsten weisen eine Breite z in Umfangsrichtung zur Rotationsachse des Rotors an der Lauffläche auf, die einem Bürstenwinkel
entspricht. Zwei Bürsten schließen einen Lagewinkel α entlang des Umfangs zur Rotationsachse ein.
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Die Komponenten des Motors werden nun erfindungsgemäß so dimensioniert, dass der starke Spulenzustand nie erreicht wird.
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Das Teilungsverhältnis T der Spulenzustände mittel zu schwach ergibt sich bei asymmetrischer Kommutierung und zwei Bürsten mit α = 90° aus folgenden Zusammenhängen:
wobei T
3 das Überdeckungsverhältnis für die Überdeckung mit drei Lamellen ist (mittlerer Zustand) und durch
T
3 gegeben ist, wobei
ist. Dabei gilt b<a, so dass ausschließlich zwei oder drei Lamellen von den Bürsten überdeckt sind. Eine Überdeckung von vier Lamellen ist dabei ausgeschlossen.
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Bevorzugt ist das zeitliche Teilungsverhältnis T der Spulenzustände mittel zu schwach bei einer vollen Umdrehung des Rotors mindestens 9:1 ist, d. h. höhstens 90% der Ankerdrehung befindet sich der Motor im mittleren Zustand, mindestens 10% der Ankerdrehung befindet er sich im schwachen Zustand. Das Teilungsverhältnis 9:1 bezieht sich somit indirekt auf die Zeit, in der ein Zustand im Verhältnis zum anderen in Nutzung ist. Der starke Spulenzustand liegt nicht vor.
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Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn mehrere der vier pro Lamellenwechsel geschalteten Spulenzustände schwach sind und der Anteil der schwachen Spulenzustände hoch ist. Störende Geräusche können so minimiert werden.
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Der Motor ist bevorzugt so dimensioniert, dass x in einem Bereich zwischen 2,5mm und 10mm, y in einem Bereich zwischen 0,2mm und 0,8mm und z in einem Bereich zwischen 1,5mm und 4mm liegt.
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Durch die zuvor beschriebene Anpassung der Kommutatorüberdeckung durch geeignete Wahl der Kohlebürstenbreite kann eine Geräuschreduzierung der Nutfrequenz erreicht werden, während eine gleichbleibende Stabilität des Bürstensystems erzielt werden kann. Es wird eine Optimierung der Kommutierung eines asymmetrischen Motors von ¾ Kommutierung auf 2/3 Kommutierung vorgenommen, um eine bessere Spulenschaltung zu erreichen. Die Anpassung erfolgt somit im Feinstbereich.
