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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bürsten- und Sensorhalter-Vorrichtung für Rotoren von Elektromaschinen, und insbesondere für Rotoren von Elektromaschinen mit einer Drehmomentregelung.
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Elektromaschinen, die als „E-Maschinen” bekannt sind, verfügen über eine immer leistungsfähigere und daher immer voluminösere integrierte Elektronik. Dies stellt aufgrund des für die Leistungselektronik und die Steuerung dieser Elektronik verwendeten Bauraums ein Problem hinsichtlich fehlenden Freiraums an der Rückseite der Maschinen dar.
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Die Hauptfunktion der Maschinen mit Bürsten besteht nämlich darin, den Rotor durch die Bürsten mit elektrischer Energie zu versorgen. Diese Funktion wird im Allgemeinen durch einen Bürstenhalter (oder durch einen Bürstenhalterregler bei herkömmlichen Wechselstromgeneratoren durchgeführt).
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Darüber hinaus ist eine weitere von solchen Maschinen zu erfüllende Hauptfunktion die Messung der Position des Rotors. Ferner wird bei den Elektromaschinen die Steuerung der Maschine durch eine Drehmomentregelung erreicht. Um eine gute Genauigkeit dieses Drehmoments zu erreichen, ist es daher erforderlich, eine gute Genauigkeit der Position des Rotors zu erreichen.
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Es ist bekannt, diese Messung unter Verwendung von drei Hall-Effekt-Sensoren durchzuführen, die in einer Sensoreinheit angeordnet sind und mit einem Wechselrichter oder direkt mit einem Steuermodul, beispielsweise für integrierte Startergeneratoren, verbunden sind.
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Nachteilig an diesen Vorrichtungen ist, dass sie voluminös sind, ebenfalls voluminöse Mehrfachanschlüsse benötigen, und in Abhängigkeit von der Anzahl der Polpaare des Rotors angepasst werden müssen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kompakte Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, sowohl den Rotor elektrisch mit Leistung zu versorgen, als auch präzise die Position des Rotors zu messen, und zwar unabhängig von der Anzahl der Polpaare des letzteren.
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Dies wird erfindungsgemäß durch eine Bürsten- und Sensorhalter-Vorrichtung für Rotoren von Elektromaschinen erreicht, die sich dadurch auszeichnet, dass sie Folgendes umfasst:
- – eine Bürsten- und Sensorhalterung, die dazu eingerichtet ist, die Funktion der Versorgung eines Rotors von Elektromaschinen mit elektrischer Energie zu gewährleisten;
- – ein Sensorhalterteil, das dazu eingerichtet ist, die Funktion der Messung der Rotorposition zu gewährleisten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie kompakt ist und allein den Rotor versorgen und die Position des Rotors messen kann.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel:
- – umfasst das Bürstenhalterteil ein Gehäuse mit zwei Bürsten, die jeweils mit einer metallischen Leiterbahn versehen sind, welche die Führung zur Verbindung der Bürsten mit der Steuerelektronik der Elektromaschine zur Sicherstellung der Versorgung des Rotors der Maschine mit elektrischer Energie bildet; und
- – besteht das Sensorhalterteil aus einem Gehäuse mit drei Hall-Effekt-Sensoren, wobei jeder Sensor mit mindestens drei metallischen Leiterbahnen versehen ist, die einer Stromversorgung, einer Messung, und einer Masse entsprechen, und ein die Führung definierendes Faltnetz zum Verbinden der Sensoren mit der Steuerelektronik der Elektromaschine bilden, wobei die Sensoren einstückig mit dem Festlager des Rotors verbunden sind, und mit einem magnetischen Encoder zusammenwirken, der mit dem Rotor fest verbunden ist, um die Position des Rotors messen zu können.
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Gemäß einem bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsbeispiel weisen die an den Enden angeordneten Sensoren jeweils vier metallische Leiterbahnen auf, wobei die beiden seitlichen Bahnen eines jeden an den Enden angeordneten Sensors zu zwei übereinander angeordneten H-Brücken verbunden sind, die kurzgeschlossen, oder – nach einem dem Fachmann bekannten angelsächsischen Fachbegriff – „geshuntet” werden können. Die beiden Worte „shunten” oder „kurzschließen” sind synonym und werden in der übrigen Beschreibung beliebig verwendet.
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Diese Ausgestaltungen erlauben eine variable Winkelung zwischen zwei benachbarten Sensoren in Abhängigkeit von der Anzahl von Polpaaren des Rotors.
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Diese charakteristische Anordnung hat den Vorteil, eine Vorrichtung bereitzustellen, die mit mehreren Rotorkonfigurationen, abhängig von der Anzahl der Polpaare der letzteren, kompatibel ist.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind die Zuführungen und die Massen der drei Sensoren vor dem Verbinden mit der Steuerelektronik zu nur einer einzigen metallischen Zuführleiterbahn und einer einzigen metallischen Masseleiterbahn zusammengefasst.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind die benachbarten Hall-Effekt-Sensoren winkelversetzt, wobei der Winkelversatz in Abhängigkeit von der Anzahl der Polpaare des Rotors variiert.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel beträgt dieser Winkelversatz zwischen 15° und 20°.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind die metallischen Leiterbahnen von den Sensoren und die metallischen Leiterbahnen von der Bürstenzuführung dazu ausgebildet, mit der Steuerelektronik des Rotors verbunden zu werden.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel sind die metallischen Leiterbahnen von den Sensoren und von der Bürstenzuführung dazu ausgebildet, durch Verschweißen mit der Steuerelektronik verbindbar zu sein, wobei die metallischen Leiterbahnen dann mit gebogenen Stiften versehen sind.
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Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, eine möglichst kompakte Vorrichtung bereitzustellen, die dabei ermöglicht, das Bürstenteil oder das Sensorteil – beispielsweise bei Wartungsarbeiten – unabhängig voneinander von der Steuerelektronik zu trennen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die metallischen Leiterbahnen mit geformten Automobil-Anschlüssen in einem Stecker versehen, der mit einer Buchse zusammenwirken kann, mit der die Steuerelektronik versehen ist, wobei diese Stecker die Dichtheit der Verbindung zwischen den metallischen Leiterbahnen und der Steuerelektronik gewährleisten.
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Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Verbindung zwischen den metallischen Leiterbahnen von den Sensoren und der Bürstenzuführung und der Steuerelektronik durch Verschrauben des Sensorhaltergehäuses und des Bürstenhaltergehäuses mit der Aufnahme durchgeführt, mit der die Steuerelektronik ausgestattet ist, wobei die Verbindung dann mittels Kontaktstiften erfolgt, mit denen die metallischen Leiterbahnen versehen sind.
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Die obigen Aufgaben, Merkmale und Vorteile, sowie weitere gehen deutlicher aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Bürsten- und Sensorhalter-Vorrichtung.
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2 eine perspektivische Ansicht des Führungsrahmens der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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3 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel des Sensorführungsrahmens zur Verwendung an einem Rotor mit sechs Polpaaren.
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4 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel des Sensorführungsrahmens zur Verwendung an einem Rotor mit acht Polpaaren.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden interessante, wenn auch in keiner Weise beschränkende Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Bürsten- und Sensorhalter-Vorrichtung für Rotoren von Gleichstrom-Elektromaschinen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst:
- – ein Bürstenhalterteil 1, das dazu eingerichtet ist, die Funktion der Versorgung eines Rotors einer Elektromaschine mit elektrischer Energie zu gewährleisten;
- – ein Sensorhalterteil 2, das dazu eingerichtet ist, die Funktion der Messung der Rotorposition zu gewährleisten.
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Gemäß der gezeigten Ausführungsform besteht das Bürstenhalterteil 1 aus einem Gehäuse 1A, das zwei (an sich bekannte) Bürsten 3, 4 umschließt.
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Jede Bürste 3, 4 ist mit einer metallischen Leiterbahn 3a bzw. 4a versehen, welche die Führung zur Verbindung der Bürsten mit der elektronischen Steuerelektronik der Elektromaschine bildet, um über Schleifringe (nicht dargestellt) die Versorgung des Rotors der Maschine mit elektrischer Energie sicherzustellen.
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Die Steuerelektronik besteht beispielsweise aus einer an sich bekannten (nicht dargestellten) Elektronikplatine.
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In an sich bekannter Weise wird die Position des Rotors mittels dreier Hall-Effekt-Sensoren 5, 6, 7 gemessen, die einstückig mit dem Festlager des Rotors ausgebildet sind. Diese Sensoren wirken mit einem magnetischen Encoder zusammen, beispielsweise bestehend aus einem Ringmagneten, der einstückig mit dem Rotor ausgebildet ist.
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Jeder Sensor umfasst mindestens drei metallische Leiterbahnen, die einer Stromversorgung (5a, 6a, 7a), einer Messung (5b, 6b, 7b) und einer Masse (5c, 6c, 7c) entsprechen, und die Führung für die Verbindung der Sensoren mit der elektronischen Steuerplatine der Elektromaschine bilden.
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Vorteilhafterweise sind die Zuführungen 5a, 6a, 7a und die Massen 5c, 6c, 7c der drei Sensoren 5, 6, 7 vor dem Verbinden mit der elektronischen Steuerplatine so gebündelt, dass sie nur eine einzige metallische Zuführleiterbahn 8 und eine einzige metallische Masseleiterbahn 9 bilden.
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Bevorzugt und vorteilhafterweise sind die Hall-Effekt-Sensoren 5, 6, 7 nebeneinander angeordnet, und zwei benachbarte Sensoren sind um einen Winkel α versetzt, wobei dieser Winkelversatz zwischen 15° und 20° beträgt.
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Vorteilhaft definieren die Leiterbahnen 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c, 7a, 7b, 7c der Sensoren 5, 6, 7 ein Faltnetz, das in Abhängigkeit von der Anzahl der Polpaare des Rotors eine unterschiedliche Winkelung ermöglicht.
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Vorteilhafterweise weisen die an den Enden 5, 7 angeordneten Sensoren jeweils vier metallische Leiterbahnen 5a', 5a'', 5b, 5c, 7a, 7b, 7c' und 7c'' auf, wobei die beiden seitlichen Leiterbahnen eines jeden Sensors an den Enden, 5a' und 5a'' auf der einen Seite und 7c', 7c'' auf der anderen Seite, zu zwei übereinander angeordneten H-Brücken verbunden sind, die je nach Anzahl der Polpaare des Rotors und folglich nach der gewünschten Winkelung zwischen zwei benachbarten Sensoren geshuntet werden können.
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Somit weisen gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bei einem Rotor mit sechs Polpaaren die Sensoren paarweise einen Winkelabstand von 20° auf. Dazu sind die seitlichen Leiterbahnen der an den Enden befindlichen Sensoren so geshuntet, dass die distalen Leiterbahnen 5a' und 7c'' (d. h., die am weitesten von dem zentralen Sensor 6 entfernt sind) verbunden sind.
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Ebenso weisen bei einem Rotor mit acht Polpaaren, gemäß dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, die Sensoren paarweise einen Winkelabstand von 15° auf. Dazu sind die seitlichen Leiterbahnen der an den Enden befindlichen Sensoren so geshuntet, dass die proximalen Leiterbahnen 5a'' und 7c' (d. h., die dem zentralen Sensors 6 nächstliegenden Leiterbahnen) verbunden sind.
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Somit kann ein und dasselbe Leiterbahnauslegungsraster für zwei verschiedene Rotorkonfigurationen verwendet werden.
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Die metallischen Leiterbahnen von den Sensoren 5, 6, 7, nämlich die gebündelte Zuführungsleiterbahn 8, die gebündelte Masseleiterbahn 9, und die Messleiterbahnen 5b, 6b und 7b, und die metallischen Leiterbahnen von der Bürstenzuführung, nämlich 3a, 4a, sind zur Verbindung mit der Steuerelektronik des Rotors ausgebildet.
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Bevorzugt und vorteilhafterweise sind die metallischen Leiterbahnen von den Sensoren 5, 6, 7, nämlich die gebündelte Zuführungsleiterbahn 8, die gebündelte Masseleiterbahn 9, und die Messleiterbahnen 5b, 6b und 7b, und die metallischen Leiterbahnen von der Bürstenzuführung, nämlich 3a, 4a, zur Verbindung mit der elektronischen Steuerplatine des Rotors durch Verschweißen ausgebildet, wobei die metallischen Leiterbahnen dann mit gebogenen Stiften (nicht dargestellt) versehen sind. Das Verschweißen kann durch Laserschweißen oder durch Zinnschweißen durchgeführt werden.
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Diese bevorzugte Ausführungsform ermöglicht eine einfache Trennung des Bürstenhalterteils oder des Sensorhalterteils von der Elektronik der Maschine – und dies unabhängig voneinander – was von Vorteil ist, wenn – beispielsweise bei Wartungsarbeiten – nur eines der Teile ausgewechselt werden muss, wodurch eine Kostenreduktion ermöglicht wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die metallischen Leiterbahnen mit geformten Automobil-Anschlüssen in einem Stecker versehen, der mit einer Buchse zusammenwirken kann, mit der die Steuerelektronik versehen ist, wobei diese Stecker die Dichtheit der Verbindung zwischen den metallischen Leiterbahnen und der Steuerelektronik gewährleisten.
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Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Verbindung zwischen den metallischen Leiterbahnen von den Sensoren und der Bürstenzuführung und der Steuerelektronik durch Verschrauben des Sensorhaltergehäuses und des Bürstenhaltergehäuses mit der Aufnahme durchgeführt, mit der die Steuerelektronik ausgestattet ist, wobei die Verbindung dann mittels Kontaktstiften erfolgt, mit denen die metallischen Leiterbahnen versehen sind.
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Die Gehäuse des Bürstenhalters 1A und des Sensorhalters 2A sind aus Kunststoff gefertigt und können durch beliebige geeignete bekannte Mittel zusammengefügt oder einstückig ausgebildet sein.
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Die erfindungsgemäße Bürsten- und Sensorhalter-Vorrichtung ist beispielsweise durch Verschrauben an dem Gehäuse der elektrischen Maschine befestigt.
