DE19515448C1 - Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl und/oder Drehrichtung eines Elektromotors - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl und/oder Drehrichtung eines elektrischen Motors entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 43 24 622 A1 bekannt. In dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, zur Erfassung der Drehbewegung eines Elektromotors an der Rotorwelle eine Scheibe zu befestigen, welche mit dieser rotiert und dabei einen Hallgenerator und einen Sensormagneten passiert. Je nachdem, ob ein Durchbruch oder ein Steg zwischen zwei Durchbrüchen der rotierenden Scheibe sich vor dem Magnet befindet, ändert sich die magnetische Induktion im Luftspalt zwischen dem Magneten und einem Kragen der Scheibe. Diese Änderung wird vom Hallgeber als Drehbewegungssignal erfaßt. Außerdem ist es aus JP-Abstracts 62-185 532 (A) vom 28.1.1988 bekannt, eine Vorrichtung mit jeweils einem fest angeordneten Magneten und Hallelement auf der Stirnseite eines Elektromotors anzuordnen, zwischen denen ein Ring aus magnetischem Material rotiert zur Erzeugung von Drehzahlsignalen, welche durch den Wechsel von Stegen und Unterbrechungen in dem magnetischen Ring gebildet werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ohne Änderung der Einbaumaße des Motors eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der die Erfassung der Drehzahl und/oder Drehrichtung möglich wird, ohne daß der Motor konstruktiv zu verändern ist.

Vorteile der Erfindung

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist durch die ortsfeste Anbringung eines Hallgeber- und Magnetsystems am Motor und die Verwendung eines magnetisch leitfähigen Teils, das mit der Ankerwelle umläuft, verschiedene Vorteile auf. Durch die Steuerung des magnetischen Flusses der Vorrichtung mit dem umlaufenden magnetisch leitfähigen Teil werden die magnetischen Kreise zum Betreiben des Motors kaum beeinflußt. Die Drehrichtungs- und Drehzahlerfassung wird an verschiedenen Orten des Motors ohne Konstruktionsänderung des Grundmotors an die Anwendung des Motors anpaßbar. Eine Nachrüstungsmöglichkeit des Teils auf der Ankerwelle ist möglich. Sofern die Masse des nachgerüsteten Teils eine Größenänderung kleiner als die der anderen bewegten Teile des Motors sind, bleiben die mechanischen Kenndaten des Motors annähernd erhalten. Die Anwendung des Motors wird nicht durch mechanische Einflüsse geschmälert. Infolge der berührungslosen Steuerung durch einen magnetischen Kreis tritt eine Erhöhung der Verschleißfestigkeit mechanisch bewegter Teile, insbesondere bei der Lagerung der Ankerwelle ein.

Durch die zusätzlichen Merkmale der Unteransprüche entstehen weitere Vorteile. Durch die Verwendung von Permanentmagneten sind die magnetischen Kreise zuverlässig wirksam. Mit einem geeignet gestalteten ferromagnetischen Leitblech auf einer Leiterplatte können das Magnetsystem und das Hallgebersystem nahe am beweglichen Teil positioniert und eine wirksame Führung des magnetischen Flusses erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist die Aufbringung entgegengesetzter Pole der Magnete direkt auf einem magnetisch gut leitenden Leitblech, wodurch nur geringe magnetische Rand- und Streufelder auftreten. Zur Vereinfachung der Vorrichtung ist es nützlich, eine Hallsonde als Hallgebersystem für zwei magnetische Kreise einzusetzen. Wird ein magnetischer Kreis zur Drehzahlerfassung benutzt, dann kann der zweite magnetische Kreis zur Drehrichtungserfassung dienen, wobei vorzugsweise ein bipolares Hallgebersystem eingebaut wird.

Für spezielle Anwendungen, bei denen die Drehrichtung nicht zu erfassen ist, genügt es, ein unipolares Hallgebersystem einzusetzen. Zur Herstellung der Vorrichtung können Hallsonden des Hallgebersystems einzeln oder gemeinsam in SMD-Technik über den Leitblechen aufgebracht werden. Die Fertigung hoher Stuckzahlen bei sehr niedrigen Kosten ist gewährleistet und erweitert das Anwendungsgebiet erfindungsgemäßer Vorrichtungen. Neben Hallsonden sind beispielsweise Zündplatten oder Magnetspulen einsetzbar.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1a einen Schnitt durch eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Hallsonde und zwei Permanentmagneten, Fig. 1b eine Draufsicht auf die Vorrichtung der Fig. 1a, Fig. 2a und 2b zeigen jeweils einen Schnitt durch eine abgewandelte Vorrichtung mit einem Magneten und einer Hallsonde, Fig. 2c zeigt einen Schnitt durch eine platzsparende Vorrichtung, Fig. 3 eine Vorrichtung auf einer im Bürstenhalter montierten Leiterplatte in der Draufsicht und Fig. 4 eine senkrecht zur Leiterplatte angebrachte Vorrichtung im Bürstenhalter des elektrischen Motors.

Fig. 1a zeigt einen Schnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. An der Bodenfläche einer zwei Aussparungen aufweisenden Leiterplatte 120 ist ein Leitblech 100 angebracht. In den Aussparungen der Leiterplatte 120 sind zwei Permanentmagnete 40 und 50 formschlüssig eingebracht.

Permanentmagnet 40 kontaktiert das Leitblech 100 mit dem magnetischen "Nordpol", Permanentmagnet 50 kontaktiert das Leitblech 100 entsprechend mit dem "Südpol". In der Mitte zwischen den Permanentmagneten 40 und 50 ist auf die Leiterplatte 120 die Hallsonde 60 des Hallgebersystem aufgebracht. Der magnetische Kreis wird durch das Teil 30, Luftspalt 110, Hallsonde 60, Leiterplatte 120, Leitblech 100 und Permanentmagnet 40 gebildet. Die Bewegungsrichtung des Teils 30 ist durch einen Doppelpfeil angegeben.

Fig. 1b zeigt eine Draufsicht auf die Vorrichtung der Fig. 1a. Teil 30 ist durchgezogen gezeichnet und als Flügelblatt ausgeführt. Die Bewegungsrichtung ist als Rotationsbewegung durch einen gebogenen Doppelpfeil symbolisiert. Über die elektrischen Anschlüsse 61, 62 und 63 werden die Signale der Hallsonde 60 zur Erfassung der Drehbewegung zu einer nicht gezeichneten Auswertevorrichtung weitergeleitet.

Bewegt sich das Teil 30 gemäß den Fig. 1a und 1b aus seiner ursprünglichen Position in die gestrichelt gezeichnete Position, so weist der erste magnetische Kreis einen hohen magnetischen Widerstand auf, und ein zweiter magnetischer Kreis, der das Teil 30, den Luftspalt 110, die Hallsonde 60, die Leiterplatte 120, das Leitblech 100 und den entgegengesetzt zu Permanentmagnet 40 magnetisierten Permanentmagneten 50 umfaßt, einen geringen magnetischen Widerstand. Dabei erfährt das von der Hallsonde 60 gelieferte Signal eine Vorzeichenumkehr. Bei gleicher links- und rechtsseitiger Winkelauslenkung zur gezeichneten Mittelachse M und konstanter Winkelgeschwindigkeit sind die Beträge der Signalamplitude gleich groß.

Bei einer speziellen Ausführung sind die Magnete 40, 50 als Plastoferrite direkt in das Leitblech eingespritzt, derart, daß Leitblech 100 und Magnete 40, 50 ein Bauteil sind. Dieses Bauteil wird dann in eine Leiterplatte 120 eingeclipst. Die Magnete 40 und 50 können auch auf das Teil 30 aufgebracht werden.

Fig. 2a zeigt eine Vorrichtung mit L-förmig gebogenem magnetisch leitendem Teil 30 auf einer Ankerwelle 20 eines Motors. Oberhalb von Teil 30 ist ortsfest am nicht dargestellten, Motor eine Hallsonde 60 und auf gleicher Höhe nach rechts versetzt ein Permanentmagnet 40 befestigt. Teil 30, Permanentmagnet 40, Hallsonde 60 und der oder die dazwischenliegenden Luftspalte bilden einen magnetischen Kreis. Die Zahl der Luftspalte und die Abstände zwischen magnetisch leitendem Teil 30 einerseits und Permanentmagnet 40 beziehungsweise Hallsonde 60 werden durch die x-Position der beweglich gelagerten, in x-Richtung verschiebbaren Ankerwelle nicht verändert. Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung liegt daher in der sehr frei wählbaren x-Position. Die Montage des Motors ist bei dieser Ausführungsform durch Zusammenstecken der Bauteile recht einfach.

Fig. 2b zeigt eine Vorrichtung mit rechtwinklig abgewinkeltem Teil 30 auf der Ankerwelle 20. Teil 30 ragt in den freien Raum zwischen Hallsonde 60 und Magnet 40, wobei ein Luftspalt zwischen Teil 30 und Hallsonde 60 sowie ein weiterer Luftspalt zwischen Teil 30 und Magnet 40 liegt. Die Gesamtweite der Luftspalte bestimmt den größten verfügbaren Axialspielbereich für die Ankerwelle 20. Meist wird die x- Sollposition der Ankerwelle 20 derart eingestellt, daß die Luftspaltweiten gleich groß sind. Hierbei ist zwar eine mehrere Schritte umfassende Montage der Vorrichtung notwendig, wobei andererseits eine sehr konzentriert angeordnete, platzsparende Vorrichtung entsteht.

Fig. 2c zeigt eine Vorrichtung mit rechtwinklig abgewinkeltem Teil 30 auf der Ankerwelle 20. Im Unterschied zu Fig. 2b sind die Hallsonde 60 und der Magnet 40 auf der gleichen Seite zum Teil 30 angeordnet. Der Magnet 40 ist vertikal über der Hallsonde 60 auf dem Leitblech 100 angebracht. Das Axialspiel der Ankerwelle 20 ist nach rechts begrenzt. Die Montage gelingt sehr einfach durch Zusammenstecken der Vorrichtungsteile.

Die Fig. 2a, 2b und 2c zeigen Vorrichtungen zur Drehzahlerfassung, die keine Veränderung der axialen Abmessungen des elektrischen Motors erfordern. Die Magnete 40 werden platzsparend im Bürstenhalter 15 untergebracht. Der magnetische Kreis kann zur Drehrichtungserfassung ausgestaltet werden. Die in den Fig. 2a und 2b gezeichneten Ausführungsformen weisen eine unempfindliche Drehzahlerfassung bei axialer Versetzung der Ankerwelle 20 aus ihrer Sollposition auf, weil der Gesamtluftspalt hierbei nicht verändert wird.

Fig. 3 zeigt die Anbringung einer Vorrichtung zur Drehzahlerfassung auf der Leiterplatte 120 in einem Bürstenhalter 15 eines elektrischen Motors. Deutlich sind die Flügel des Teils 30, das auf der Ankerwelle 20 sitzt, und die beiden Permanentmagnete 40 und 50 mit dazwischen angeordneter Hallsonde 60 zu sehen. Zur Drehrichtungserfassung ist gestrichelt die Position einer zweiten Hallsonde 70 gezeichnet, weitere Einzelheiten bleiben unberücksichtigt. Hallsonde 70 ist um einen Winkel von beispielsweise 90° gegenüber Hallsonde 60 versetzt. Im Fall einer Drehung der Ankerwelle 20 im Uhrzeigersinn werden die magnetischen Kreise mit den Hallsonden 60 und 70 kurz aufeinanderfolgend geschlossen, bei Drehung im Gegenuhrzeigersinn liegt eine längere Pause zwischen dem aufeinanderfolgenden Schließen der zugehörigen magnetischen Kreise. Wird das unterschiedliche Schließverhalten durch Messung der Ausgangsspannungen der Hallsonden aufgezeichnet oder mit einer Vorrichtung ausgewertet, so ist die Drehrichtung zu jeder Zeit bekannt.

Fig. 4 zeigt eine weitgehend analoge Vorrichtung wie Fig. 3, wobei die Permanentmagnete 40, 50 und die Hallsonde 60 um 90° versetzt angeordnet sind. Dabei ist ein zusätzliches axiales Einbau-Maß von etwa 4 mm notwendig, was in vielen kleineren und mittelgroßen elektrischen Motoren zur Verfügung steht.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl und/oder Drehrichtung eines elektrischen Motors, insbesondere eines permanentmagnetisch erregten Gleichstrom-Kleinmotors, wobei ein Hallgebersystem und ein Permanentmagnetsystem ortsfest am Motor angeordnet sind, während ein magnetisch leitfähiges Teil mit der Ankerwelle des Motors umläuft und den magnetischen Fluß am Hallgebersystem steuert, dadurch gekennzeichnet, daß das Hallgebersystem (60, 70), das Magnetsystem (40, 50) und wenigstens ein ferromagnetisches Leitblech (100) auf einer Leiterplatte (120) benachbart zu dem mit der Ankerwelle (20) umlaufenden magnetisch leitfähigen Teil (30) angebracht sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entgegengesetzte Pole der Magnete (40, 50) wenigstens zweier magnetischer Kreise durch mindestens ein Leitblech magnetisch leitend verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hallgebersystem (60, 70) in SMD-Technik aufgebrachte Bauteile aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Drehzahl wenigstens ein unipolares Hallgebersystem (60) eingebaut ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Drehzahl und der Drehrichtung wenigstens ein bipolares Hallgebersystem (60) eingebaut ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster magnetischer Kreis (30, 40, 100) zur Erfassung der Drehzahl und ein zweiter magnetischer Kreis (30, 50, 100) zur Erfassung der Drehrichtung vorhanden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei magnetische Kreise (30, 40, 100; 30, 50, 100) derart angeordnet sind, daß durch die Verschiebung des magnetisch leitfähigen Teils (30) der erste magnetische Kreis (30, 40, 100) vor dem zweiten magnetischen Kreis (30, 50, 100) geschlossen ist.