DE3820903A1

DE3820903A1 - ELECTRIC MACHINE

Info

Publication number: DE3820903A1
Application number: DE19883820903
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Maass; Helmut Dipl Ing Meyer
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 1988-06-21
Filing date: 1988-06-21
Publication date: 1990-01-04
Also published as: FR2633114A1; GB2221031A; GB8914042D0; JPH0241648A

Abstract

An electrical machine having a rotor and a stator, particularly a commutatorless direct-current motor, is proposed. The rotor (1) contains at its end face an optically detectable signal trace (4) for the sensing of the angular position or speed of the rotor (1). At least one optical sensor (12, 13, 14) is disposed outside a housing of the electrical machine; the optical transmission of the sensed angular position or speed of the rotor (1) to the optical sensor (12, 13, 14) is effected by means of at least one optical fibre (7, 8, 9). This optical fibre (S) is attached to the housing of the electrical machine in practical manner by means of a plug-in connector. <IMAGE>

Description

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention is based on an electrical machine the genus of the main claim.

Eine derartige Maschine ist aus der DE-OS 34 18 153 bekannt. Diese kann als Motor, beispielsweise als kollektorloser Gleichstrommotor ausgebildet sein. Zur Erzeugung der Kommutierungssignale bzw. zur Sensierung der Winkstellung des Rotors enthält der Rotor eine Signalspur, die mittels eines Sensors abgetastet wird.Such a machine is known from DE-OS 34 18 153. This can be used as a motor, for example as a collectorless one DC motor can be formed. To generate the Commutation signals or for sensing the angular position of the rotor, the rotor contains a signal track, which means a sensor is scanned.

Der Nachteil dieser Art der Signalbildung ist darin zu sehen, daß ein Sensor, der in unmittelbarer Nähe des Rotors angeordnet ist, durch die Motorströme großen elektromagnetischen Störfeldern ausgesetzt ist. Ferner kann der Sensor durch die Motorerwärmung geschädigt werden, gleichzeitig ist aber auch ein Austausch eines solchen Sensors der sich innerhalb eines Motors befindet äußerst zeitaufwendig.The disadvantage of this type of signal formation is there too see that a sensor is in close proximity to the rotor is arranged by the motor currents large is exposed to electromagnetic interference. Furthermore, the sensor may be damaged by engine warming, at the same time, there is also an exchange of such Sensor that is located inside an engine time consuming.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine zu schaffen, bei der eine störunempfindliche Erkennung der Winkelstellung des Rotors gewährleistet ist.The invention is therefore based on the object to create electrical machine at one interference-resistant detection of the angular position of the rotor is guaranteed.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This task is carried out in a generic facility solved by the characterizing features of claim 1.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Lösung ist darin zu sehen, daß nunmehr eine Störung des hochempfindlichen elektronischen Bauelementes, welches den optischen Sensor darstellt, aufgrund des Motorbetriebs vermieden wird. One of the main advantages of this solution is that that now a disturbance of the highly sensitive electronic component, which is the optical sensor represents, is avoided due to engine operation.

Außerdem kann der optische Sensor bei einem Defekt leicht ausgewechselt werden. Ein Eingriff in den Motor ist nicht erforderlich.In addition, the optical sensor can easily with a defect to be replaced. There is no intervention in the engine required.

Ein weiterer Vorteil ist in der Verwendung von Lichtleiter zur Übertragung der optischen Signale zu sehen. Bekanntlich sind Lichtleiter nahezu unempfindlich gegenüber Temperatureinflüssen, ebenso gegenüber elektromagnetischen Störfeldern.Another advantage is the use of light guides to see the transmission of optical signals. As is well known light guides are almost insensitive to Temperature influences, as well as electromagnetic Interference fields.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, den optischen Sensor in eine elektrische Steuerschaltung zu integrieren. Diese elektrische Steuerschaltung ist insbesondere bei einem Gleichstrommotor zum Ansteuern der einzelnen Motorwicklungen erforderlich und enthält die gesamte Steuerelektronik. Eine Integration des optischen Sensors hat den Vorteil, daß die Signale des Sensors direkt und ohne zusätzliche Leitungswege der Steuerschaltung zugeführt werden können. Solche Steuerschaltungen sind in der Regel mit einem Gehäuse gegen Staub und andere Umwelteinflüsse geschützt. Dies bedeutet, daß auch der optische Sensor die gleichen Schutzmaßnahmen erfährt.In a further development of the invention it is proposed that optical sensor in an electrical control circuit too integrate. This electrical control circuit is especially with a DC motor for driving the individual motor windings required and contains the entire control electronics. An integration of the optical Sensor has the advantage that the signals from the sensor are direct and without additional routes of the control circuit can be supplied. Such control circuits are in usually with a case against dust and others Protected from environmental influences. This means that the optical sensor undergoes the same protective measures.

Weiterbildungsgemäß kann den Lichtleiter mit einer Steckvorrichtung versehen werden. Diese Steckvorrichtung hat die Aufgabe, das der Signalspur zugewandte Lichtleiterende steckbar in dem Gehäuse des Motors anzuordnen. Hierzu ist an dem Gehäuse des Motors eine entsprechende Aufnahmevonrichtung vorgesehen. Diese Steckverbindung hat weiterhin den Vorteil, daß ein sehr einfaches Trennen des Motors von der elektrischen Steuerschaltung, beispielsweise beim Austausch des Motors bzw. beim Austausch der Steuerschaltung oder auch beim Austausch der Lichtleiter selbst möglich ist. Es besteht auch die Möglichkeit diese Steckvorrichtung für mehrere Lichtleiter auszubilden, so daß nur eine einzige Steckverbindung für eine Vielzahl von Übertragungsleitungen erforderlich ist.According to a further development, the light guide can be used with a Plug device are provided. This connector has the task, the light guide end facing the signal track to be plugged into the housing of the motor. This is on an appropriate housing for the motor Recording device provided. This connector has further the advantage that a very simple separation of the Motor from the electrical control circuit, for example when replacing the engine or when replacing the Control circuit or when replacing the light guide itself is possible. There is also the possibility of this Form plug-in device for several light guides, so that just a single connector for a variety of Transmission lines are required.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, den Lichtleiter mit einem Reflexkopf zu versehen. Dies hat den Vorteil, daß die Übertragung des Lichts von der Lichtquelle zu der Signalspur über den Lichtleiter erfolgt. Dieses Licht wird an der Signalspur reflektiert und die reflektierte Strahlung ebenfalls mittels des Lichtleiters dem optischen Sensors zugeführt. Die Signalspur ist zweckmäßigerweise eine Kunststoffolie, die an der Stirnfläche des Rotors befestigt ist. Auf dieser Kunststoffolie sind reflektierende und nichtreflektierende Flächenbereiche vorgesehen.In a further embodiment of the invention proposed the light guide with a reflex head too Mistake. This has the advantage that the transfer of the Light from the light source to the signal track over the Light guide takes place. This light is on the signal track reflected and the reflected radiation also by means of of the light guide to the optical sensor. The Signal track is expediently a plastic film that the end face of the rotor is attached. On this Plastic films are reflective and non-reflective Surface areas provided.

In vorteilhafter Weise werden diese Flächenbereiche entsprechend der Polteilung des Rotors aufgeteilt, d.h. dem optischen Sensor wird eine Signalform zugeführt, die identisch ist mit der Polwinkelstellung des Rotors, so daß die Kommutierungssignale zur Ansteuerung des Motors direkt aus den sensierten Signalen abgeleitet werden können.These surface areas are advantageous divided according to the pole pitch of the rotor, i.e. the optical sensor is supplied with a waveform that is identical to the pole angle position of the rotor, so that the commutation signals for controlling the motor directly can be derived from the sensed signals.

Die Erzeugung des optischen Signals erfolgt beispielsweise durch einen Lichtsignalgeber, der sich ebenfalls in der elektrischen Ansteuerschaltung befindet. Das Lichtsignal wird mittels eines sogenannten Y-Kopplers an den Reflexkopf des Lichtleiters geleitet. Als Lichtsignalgeber kann eine Leuchtdiode verwendet werden.The optical signal is generated, for example by a light signal transmitter, which is also in the electrical control circuit is located. The light signal is attached to the reflex head using a so-called Y-coupler of the light guide. As a light signal transmitter, a LED are used.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is based on a Embodiment explained in more detail.

Es zeigt:It shows:

Fig. 7 eine schematische Darstellung einen Einrichtung zur Rotorlageerkennung, Fig. 7 is a schematic representation of a device for rotor position detection,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Rotors mit Signalspur, Fig. 2 is a schematic illustration of a rotor having signal trace

Fig. 3 eine Teilansicht eines Motors mit einem steckbaren Lichtleiter. Fig. 3 is a partial view of a motor with a pluggable light guide.

Von einem Motor, beispielsweise einem kollektorlosen Gleichstrommotor ist in Fig. 1 ein Rotor 1 gezeigt. Dieser Rotor 1 trägt auf einer Welle 2 mehrere Permanentmagnete. Diese Permanentmagnete 3 sind mit wechselnder Polung und radialer Magnetisierungsrichtung derart auf der Welle 2 angeordnet, daß ein dreipolpaariger Rotor gebildet wird. An der Stirnfläche 4 des Rotors 1 befindet sich eine Signalspur bestehend aus lichtreflektierenden Bereichen 5 a, b, c und nicht reflektierenden Bereiche 6 a, b, c. Die Aufteilung der Bereiche ist so gewählt, daß diese der Polteilung der Permanentmagnete 3 entsprechen. Zur Sensierung der Winkelstellung des Rotors sind drei Lichtleiter 7, 8, 9 vorgesehen, deren Enden auf die Signalspur 4 gerichtet sind. Diese Lichtleiter 7, 8, 9 sind beispielsweise an dem hier nicht dargestellten Gehäuse des Rotors befestigt. Die Lichtleiter 7, 8, 9 weisen an ihren, der Signalspur zugewandten Enden, Reflexköpfe auf. Dies bedeutet, daß jeden Lichtleiter gleichzeitig ein Lichtsignal aussendet und das von der Signalspur reflektierte Licht wieder empfängt. Die Lichtleiter 7, 8, 9 führen in ein Gehäuse 10, in welchem sich auf einer Platine 11 drei optische Sensoren 12, 13, 14 und drei Lichtsignalgeber 15 a, b, c befinden. Dieses Gehäuse enthält beispielsweise auch eine für die Ansteuerung des Motors erforderliche elektrischen Steuerschaltung. Jeder der Lichtleiten 7, 8, 9 besteht aus einer Vielzahl von dünnen Einzellichtleitenn, die zu einem Bündel zusammengefaßt sind. Die Einkoppelung des Lichts, welches von den Lichtsignalgebern 15 a, b, c erzeugt wird, erfolgt über sogenannte Y-Koppler, d.h. von jedem der Lichtleiter 7, 8, 9 ist ein Teil der Einzellichtleiter an die Lichtsignalgeber 15 a, b, c angeschlossen. Der andere Teil der Lichtleiter ist an die jeweiligen optischen Sensoren 12, 13, 14 angeschlossen. Somit erfolgt die Lichtübertragung an den Reflexkopf des jeweiligen Lichtleiters mittels eines Teils der Einzellichtleiter. Der weitere Teil der Einzellichtleiter übernimmt die Übertragung des an der Signalspur 4 reflektierten Lichts auf die jeweiligen optischen Sensoren. Die von den optischen Sensoren 12, 13, 14 empfangenen Signale können sowohl zur Bestimmung der Drehzahl des Rotors 1 als auch zur Bestimmung dessen Winkelstellung benutzt werden. Die Erkennung der Winkelstellung des Rotors ist beispielweise für die kollektorlose Ansteuerung der Motorspulen erforderlich. Es ist aus dieser Fig. 1 ersichtlich, daß an dem Rotor und somit in unmittelbarer Nähe der Magnetfelder der Permanentmagnete und der hier nicht gezeigten Motorspulen keine elektronischen Bauelemente angeordnet sind. Sämtliche Bauelemente, wie Sensoren, Lichtquellen, befinden sich außerhalb des Motors in dem Gehäuse 10. Eine Schädigung dieser elektronischen Bauelemente aufgrund von Störfeldern, Vibrationen oder Temperatureinflüssen ist daher ausgeschlossen.A rotor 1 of a motor, for example a collectorless DC motor, is shown in FIG. 1. This rotor 1 carries several permanent magnets on a shaft 2 . These permanent magnets 3 are arranged with alternating polarity and radial direction of magnetization on the shaft 2 such that a three-pole pair rotor is formed. On the end face 4 of the rotor 1 there is a signal track consisting of light-reflecting areas 5 a , b , c and non-reflecting areas 6 a , b , c . The division of the areas is selected so that they correspond to the pole division of the permanent magnets 3 . To sense the angular position of the rotor, three light guides 7 , 8 , 9 are provided, the ends of which are directed at the signal track 4 . These light guides 7 , 8 , 9 are fastened, for example, to the housing of the rotor, not shown here. The light guides 7 , 8 , 9 have reflex heads at their ends facing the signal track. This means that each light guide emits a light signal at the same time and receives the light reflected from the signal track again. The light guides 7 , 8 , 9 lead into a housing 10 in which there are three optical sensors 12 , 13 , 14 and three light signal transmitters 15 a , b , c on a circuit board 11 . This housing also contains, for example, an electrical control circuit required for driving the motor. Each of the light guides 7 , 8 , 9 consists of a large number of thin individual light guides, which are combined into a bundle. The coupling in of the light which is generated by the light signal transmitters 15 a , b , c takes place via so-called Y-couplers, ie part of the individual light guides 7 , 8 , 9 is connected to the light signal transmitters 15 a , b , c . The other part of the light guide is connected to the respective optical sensors 12 , 13 , 14 . The light is thus transmitted to the reflex head of the respective light guide by means of a part of the individual light guides. The further part of the individual light guides takes over the transmission of the light reflected on the signal track 4 to the respective optical sensors. The signals received by the optical sensors 12 , 13 , 14 can be used both to determine the speed of the rotor 1 and to determine its angular position. The detection of the angular position of the rotor is required, for example, for the control of the motor coils without a collector. It can be seen from this Fig. 1 that no electronic components are arranged on the rotor and thus in the immediate vicinity of the magnetic fields of the permanent magnets and the motor coils, not shown here. All components, such as sensors, light sources, are located outside the motor in the housing 10 . Damage to these electronic components due to interference fields, vibrations or temperature influences is therefore excluded.

In Fig. 2 ist in einer schematischen Darstellung eine weitere Variante eines Rotors mit Signalspur gezeigt. Der Aufbau des Rotors 16 ist mit dem in Fig. 1 gezeigten Rotor identisch. Lediglich die Signalspur 17 zeigt eine etwas abgewandelte Form. Diese Signalspur 17 weist drei Einzelspuren 18, 19, 20 auf. Jeden dieser Einzelspuren ist ein Lichtleiten 21, 22, 23 zugeondnet. Diese Lichtleiten 21, 22, 23 liegen nunmehr in radialer Richtung nebeneinander und lassen sich deshalb in platzsparender Weise in einem einzigen Gehäuse 24 zusammenfassen Die Lichtleiter 21, 22, 23 führen ebenfalls zu einem hier nicht dargestellten Gehäuse, in welchem sich die optischen Sensoren und ein Lichtsignalgeber befinden.A further variant of a rotor with a signal track is shown in a schematic illustration in FIG. 2. The structure of the rotor 16 is identical to the rotor shown in FIG. 1. Only the signal track 17 shows a somewhat modified form. This signal track 17 has three individual tracks 18 , 19 , 20 . A light guide 21 , 22 , 23 is associated with each of these individual tracks. These light guides 21 , 22 , 23 now lie next to one another in the radial direction and can therefore be combined in a space-saving manner in a single housing 24. The light guides 21 , 22 , 23 also lead to a housing, not shown here, in which the optical sensors and Traffic lights are located.

Die in Fig. 2 gezeigte schematische Darstellung ist in Fig. 3 in einer Teilansicht eines Motors in Schnittdarstellung wiedergegeben. Der Rotor 16 ist über eine Welle 25 und über Kugellager 26 in einem Motorgehäuse 27 drehbar gelagert. An dem Motorgehäuse 27 befinden sich entsprechende Motorspulen 28, 29. Diese bilden den Stator des Motors. In dem Motorgehäuse 27 ist eine Aussparung 30 vorgesehen. In dieser Aussparung 30 befindet sich das Gehäuse 24 der Lichtleiter 21, 22, 23. Das Gehäuse 24 ist über als eine lösbare Steckverbindung ausgefüllt, die in der Aussparung 30 befestigt ist, so daß sowohl eine einfache Montage der Lichtleiter an dem Motor, als auch ein einfacher Austausch der Lichtleiter vorgenommen werden kann. Die Lichtleiter 21, 22, 23 weisen die Reflexköpfe 31, 32, 33 auf, die einer Signalspur 17 zugewandt sind. Diese Signalspur 17 ist auf dem Rotor 16 befestigt und weist die in Fig. 2 beschriebenen Einzelspuren 18, 19, 20 auf. Selbstverständlich können anstelle der in der Beschreibung gezeigten drei Lichtleiter auch mehrere Lichtleiter angeordnet werden. Die Zusammenfassung der motorseitigen Enden den Lichtleiter in einem Gehäuse 24 ist in jedem Falle vorteilhaft, da dieses gemeinsame Gehäuse die Montage und den Austausch des gesamten Lichtleiterstrangs wesentlich erleichtert. The schematic illustration shown in FIG. 2 is shown in FIG. 3 in a partial view of an engine in a sectional illustration. The rotor 16 is rotatably mounted in a motor housing 27 via a shaft 25 and via ball bearings 26 . Corresponding motor coils 28 , 29 are located on the motor housing 27 . These form the stator of the motor. A recess 30 is provided in the motor housing 27 . The housing 24 of the light guides 21 , 22 , 23 is located in this recess 30 . The housing 24 is filled in as a detachable plug connection which is fastened in the recess 30 , so that both a simple assembly of the light guide on the motor and a simple exchange of the light guide can be carried out. The light guides 21 , 22 , 23 have the reflex heads 31 , 32 , 33 , which face a signal track 17 . This signal track 17 is fastened on the rotor 16 and has the individual tracks 18 , 19 , 20 described in FIG. 2. Of course, instead of the three light guides shown in the description, several light guides can also be arranged. The combination of the motor-side ends of the light guide in a housing 24 is advantageous in any case, since this common housing considerably simplifies the assembly and replacement of the entire light guide strand.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1 Rotor
2 Welle
3 Permanentmagnet
4 Signalspur
5 a Flächenbereich
5 b Flächenbereich
5 c Flächenbereich
6 a Flächenbereich
6 b Flächenbereich
6 c Flächenbereich
7 Lichtleiter
8 Lichtleiter
9 Lichtleiter
10 Gehäuse
11 Platin
12 Optischer Sensor
13 Optischer Sensor
14 Optischer Sensor
15 a Lichtsignalgeber
15 b Lichtsignalgeber
15 c Lichtsignalgeber
16 Rotor
17 Signal
18 Einzelspur
19 Einzelspur
20 Einzelspur
21 Lichtleiter
22 Lichtleiter
23 Lichtleiter
24 Gehäuse (Steckverbindung)
25 Welle
26 Kugellager
27 Motorgehäuse
28 Motorspule
29 Motorspule
30 Aussparung
31 Reflexkopf
32 Reflexkopf
33 Reflexkopf 1 rotor
2 wave
3 permanent magnet
4 signal track
5 a area
5 b area
5 c area
6 a area
6 b area
6 c area
7 light guides
8 light guides
9 light guides
10 housing
11 platinum
12 Optical sensor
13 Optical sensor
14 Optical sensor
15 a light signal transmitter
15 b traffic light
15 c traffic light
16 rotor
17 signal
18 single track
19 single track
20 single track
21 light guides
22 light guides
23 light guides
24 housing (plug connection)
25 wave
26 ball bearings
27 Motor housing
28 motor coil
29 motor coil
30 recess
31 reflex head
32 reflex head
33 reflex head

Claims

1. Electrical machine with a housing, a rotor and a stator, the rotor having at least one optically recognizable signal track for sensing the angular position of the rotor and at least one optical sensor is provided, characterized in that the optical sensor ( 12 , 13 , 14th ) is arranged outside the housing of the electrical machine, and at least one light guide ( 7 , 8 , 9 ) for transmitting the optical signals between the area of the signal track ( 4 ) and the optical sensor ( 12 , 13 , 14 ) is provided.

2. Electrical machine according to claim 1, characterized in that an electrical control circuit is provided outside the housing and the optical sensor ( 12 , 13 , 14 ) is arranged within the control circuit.

3. Electrical machine according to claim 2, characterized in that the light guide ( 21 , 22 , 23 ) is provided at its end facing the signal track ( 17 ) with a plug device and the housing ( 27 ) has a recess ( 30 ) for releasable connection the light guide with the housing ( 27 ).

4. Electrical machine according to claim 3, characterized in that a plurality of light guides ( 21 , 22 , 23 ) together have a single plug-in device ( 24 ).

5. Electrical machine according to one or more of the preceding claims, characterized in that the light guide ( 21 , 22 , 23 ) at its end facing the signal track ( 4 , 17 ) has a reflex head ( 31 , 32 , 33 ).

6. Electrical machine according to one or more of the preceding claims, characterized in that the signal track ( 4 , 17 ) consists of a plastic film which is attached to an end face of the rotor ( 1 , 16 ), the optical signals by means of surface areas ( 5 , 6 ) different reflection are generated.

7. Electrical machine according to one or more of the preceding claims, characterized in that the division of the surface areas ( 5 , 6 ) corresponds to different reflection of the pole pitch of the rotor ( 1 , 16 ).

8. Electrical machine according to one or more of the preceding claims, characterized in that a light signal ( 15 ) is provided within the electrical control circuit for feeding a light signal into the light guide ( 7 , 8 , 9 ).