DE60117487T2

DE60117487T2 - Elektromotor

Info

Publication number: DE60117487T2
Application number: DE60117487T
Authority: DE
Inventors: Ka-lun Tai Po NT Lee
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric SA
Priority date: 2000-08-19
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2021-08-10
Also published as: DE60117487D1; CN1214508C; US20020047349A1; BR0103572A; ES2258512T3; MXPA01008335A; US6703731B2; CN1339863A; EP1180847B1; JP2002101617A; EP1180847A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Elektromotoren und im Besonderen auf einen Elektromotor, bei dem ein Drehzahlgeber integriert ist.
Im Vordergrund der Konstruktion von Elektromotoren, speziell von Dauermagnet-Elektromotoren in Miniaturbauweise, stand und steht weiterhin die Reduzierung der Größe oder des Volumens des Motors, und zwar unter Ausschluss von Einbußen bei der Leistungsabgabe. Da in der Vergangenheit jedoch Bauteile zu einem Motor hinzugefügt wurden, um einen Aspekt des Motors zu verbessern, wurde für die Aufnahme der neuen Bauteile die Größe des Motors erhöht. Dieser Umstand gilt besonders für Drehzahlgeber, die für Servosysteme erforderlich sind. Drehzahlgeber liefern im Allgemeinen ein Spannungs- oder Impulsausgangssignal, dessen Amplitude oder Frequenz eine Funktion der Drehzahl des Motors ist. Dieses Signal wird von einem Servoverstärker verwendet, um die Bewegung des Motors zu regeln.
Typische Techniken zum Messen der Drehzahl eines Motors umfassen das Hinzufügen von Tachogeneratoren oder Frequenzgeneratoren zu der Welle des Motors. Diese erfordern in Bezug auf das Motorgehäuse zusätzlichen Bauraum und erhöhen dadurch das Volumen des Motors. Es wurden Techniken, die die Erkennung der Stromspitzen im elektrischen Eingangssignal des Motors erfordern, ausprobiert und wenn diesen auch ein mäßiger Erfolg beschieden war, bedingen sie doch eine empfindliche Elektronik, die durch verrauschte Umgebungen und eine unsaubere Kommutatorumschaltung, die häufig mit dem Motorverschleiß auftritt, beeinflusst wird, was den Geber im schlimmsten Fall unwirksam macht.
Aus dem Dokument US-A-4914713 ist bekannt, dass man einen Drehzahlgeber in Form einer Spule aus Kupferdraht bereitstellen kann, der zwischen zwei entgegengesetzten oder oberen tangentialen Enden der magnetischen Segmente angeordnet ist. Aus dem Dokument JP-A-10032962 ist ferner bekannt, dass man eine Detektionsspule im Luftspalt eines Wechselstromgenerators bereitstellen kann, um Anomalien in der Feldwicklung zu erfassen, die auf einen Ausfall eines Wechselstromgenerators hinweisen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen sehr robusten Drehzahlgeber in einem Miniaturmotor in einem sehr einfachen und kostengünstigen Arbeitsgang bereitzustellen, der keine Änderungen an der gegenwärtigen Motorbaugruppe erfordert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Dauermagnet-Gleichstrommotor bereitgestellt, der Folgendes umfasst: einen Dauermagnet-Stator, der mindestens einen Dauermagnet umfasst; einen Rotor, der eine Rotorwelle umfasst; einen Ankerkern, der auf der Welle montiert ist und eine Vielzahl von Polen aufweist; eine Ankerwicklung, die um die Pole gewickelt ist; und einen Kommutator, der auf der Welle neben einem Ende des Ankerkerns montiert und mit Anschlussdrähten der Ankerwicklung verbunden ist, wobei der Rotor durch die jeweiligen Wellenzapfen in Lagern gelagert und gegenüber liegend zum Stator angeordnet ist; und einen Drehzahlgeber, der eine Spule aus leitfähigem Material umfasst; dadurch gekennzeichnet, dass die Spule eine Ablagerung von leitfähiger Tinte ist, die auf der Oberfläche des Magneten ausgebildet ist und sich im Luftspalt zwischen dem Magneten und dem Ankerkern befindet.
Die Spule ist vorzugsweise eine Spule mit einer Windung, die an einer Innenseite des Magneten befestigt ist, die zum Ankerkern zeigt.
Vorzugsweise ist die Spule eine Spule mit einer Windung, die eine lange schmale „U"-Form aufweist.
Die Anschlüsse der Spule sind vorzugsweise an einer axialen Stirnfläche des Magneten angeordnet.
Außerdem passen die Anschlüsse der Spule vorzugsweise mit federnd verformbaren Fingern oder federbelasteten Anschlüssen zusammen, die an der Motorabschlusskappe befestigt sind. Die verformbaren Finger können metallische Bänder oder leitfähige Gummianschlüsse sein, die an der Abschlusskappe befestigt sind.
Es werden jetzt bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, die nur einen exemplarischen Charakter haben, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine Explosionsdarstellung eines Dauermagnet-Gleichstrommotors gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist;
2 einen Magneten des Motors von 1 zeigt, der eine Drehzahlgeber-Spule trägt;
3 einen vergleichbaren Magnet zeigt, der eine Drehzahlgeber-Spule trägt, die eine andere Form aufweist; und
die 4 und 5 einen vergleichbaren Magneten zeigen, der eine Drehzahlgeber-Spule gemäß der alternativen Ausführungsformen trägt.
1 veranschaulicht einen typischen Dauermagnet-Gleichstrommotor 10, der abgeändert wurde, um eine Drehzahlgeber-Spule 12 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu integrieren. Der Motor weist einen Dauermagnet-Stator mit zwei gekrümmten Keramikmagneten 14 auf. Ein Rotor 16 ist in gegenüberliegender Beziehung zu den Statormagneten 14 angeordnet und wird durch die jeweiligen Wellenzapfen in Lagern 18 gelagert, die an eine Abschlusskappe 20 und einen hinteren Gehäuseteil 22 montiert sind. Der Rotor weist eine Welle 24, einen Ankerkern 26 und einen Kommutator 28 auf. Der Ankerkern 26 ist ein Blechstapel, der eine Vielzahl von ausgeprägten Polen ausbildet, um die Spulen, die eine Ankerwicklung 30 bilden, gewickelt sind. Die Enden der Spulenanschlüsse sind mit dem Kommutator 28 verbunden.
Die Abschlusskappe 20 hält die Bürsten 32, die einen Schleifkontakt mit dem Kommutator 28 herstellen, um die Ankerwicklung 30 über die Motoranschlüsse 34 mit einer elektrischen Energiequelle zu verbinden. Außerdem hält die Abschlusskappe zwei Federkontakte 36. Die Federkontakte sind federnd verformbare, leitende Bänder, die mit den Geberanschlüssen 40 an der Abschlusskappe verbunden sind. Alternativ dazu könnten die Federkontakte leitfähige Gummistifte sein, die an der Abschlusskappe befestigt sind und sich von derselben aus erstrecken.
Einer der zwei Magnete 14 weist eine leitfähige Spule 12 auf, die auf dessen radialer Innenseite, die über einen Luftspalt dem Ankerkern 26 gegenüber liegt, so ausgebildet ist, dass sich die Spule 12 im Luftspalt zwischen dem Magneten 14 und dem Ankerkern befindet. Die Spule 12 ist als eine leitfähige, U-förmige Schleife ausgeführt, die eine einzige Windung formt. Die Schleife der so mit einer einzigen Windung geformten Spule beginnt und endet an den Anschlusskontaktstellen 38 auf einer axialen Seitenfläche des neben der Abschlusskappe befindlichen Magnets. Die zwei Federkontakte 36 sind so angeordnet, dass der Kontakt mit den Anschlusskontaktstellen hergestellt wird, um das Signal über die Geberanschlüsse 40 an der Abschlusskappe 20 von der Spule 12 auf die Beschaltung zu übertragen. Die Verwendung der Federkontakte vereinfacht im Vergleich zum direkten Anlöten von Zuleitungsdrähten an die Spule des Magneten sehr stark die Konstruktion.
Die Spule 12 ist in 2 deutlicher dargestellt. Die Spule 12, die eine Spule mit einer einzigen Windung ist, lässt sich, ohne Bereitstellung einer zwischen den Windungen erforderlichen Isolation, einfach realisieren. So kann die Spule aus einem leitfähigen Film, einer leitfähigen Folie, einem leitfähigen Band oder einem leitfähigen Draht geformt werden. Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird die Spule 12 unter Verwendung einer leitfähigen Tinte, wie z.B. Silberepoxid, geformt, die auf die Oberfläche des Magneten mit Hilfe eines Tampondruckverfahrens aufgebracht wird. Alternativ dazu könnte die Tinte mittels eines Anstrichs, was arbeitsintensiv ist, oder mittels eines Siebdrucks aufgebracht werden; jedoch ist dies infolge der Krümmung der Oberfläche des Magneten schwieriger. Wenn die Magnetoberfläche leitend ist, ist eine nichtleitende Beschichtung erforderlich, um die Spule durch eine Isolation von der Magnetoberfläche zu trennen. Für Keramikmagnete und Kunstharzmagnete ist diese Art der Beschichtung nicht erforderlich.
Anhand der obigen Beschreibung lässt sich erkennen, dass die Erfassung der Drehzahl eines Motors mit einem Drehzahlgeber gemäß der vorliegenden Erfindung keine Erhöhung der Abmessungen oder des Volumens des Motors erfordert. Dadurch, dass die Spule 12 zwischen dem Magneten und dem Ankerkern 26 angeordnet ist, ändert sich der magnetische Fluss, der durch die Spule hindurchgeht, während sich der Rotor zwischen einem Maximalwert, wenn ein Pol sich neben der Spule befindet, und einem Minimalwert, wenn eine Nut zwischen den Polen sich neben der Spule befindet, dreht. Die Änderung des magnetischen Flusses erzeugt einen Spannungsimpuls in der Spule und somit erzeugt die Geberspule, während sich der Rotor dreht, eine Folge von Impulssignalen. Indem die Zeit zwischen den Impulsen bzw. die Frequenz des Ausgangssignals gemessen wird, lässt sich die Drehzahl des Motors bestimmen. Diese Information kann dann bei einem Motorregler zur Regelung der Drehzahl des Motors verwendet werden.
Ein schärferes, stärkeres Signal lässt sich mit einer Spule erzeugen, die Abmessungen aufweist, die mit den Abmessungen der Nut zwischen den Polen des Rotorkerns vergleichbar sind. Wenn die „U"-förmige Schleife zu breit ist, ist das Signal nicht so scharf ausgebildet. Wenn die „U"-förmige Schleife zu schmal ist, ist die Amplitude des Signals nicht so groß, was die Trennung des Signals vom Rauschen erschwert. Es wird bevorzugt, dass die Ausrichtung der „U"-förmigen Schleife der Ausrichtung der Nut entspricht, so dass sich normalerweise die „U"-förmige Schleife in der Axialrichtung erstrecken würde, aber für einen Motor mit einem Rotorkern mit schrägwinkligen Nuten sollte die „U"-förmige Schleife genauso schrägwinklig ausgeführt sein.
3 veranschaulicht eine Spulenausführungsform mit einer breiteren Spule 12. Wie oben erwähnt, wird diese Bauform der Spule nicht bevorzugt, aber bei Anwendungen mit geringem Rauschen, liefert sie zufrieden stellende Ergebnisse und kann ohne Abänderung mit Ankern mit schrägwinkligen oder nicht schrägwinkligen Nuten eingesetzt werden.
Die Anordnung der Spule über die Seitenfläche des Magneten hinweg ist für das Erzeugen eines guten Signals nicht kritisch. Die Spule mit einer Windung nimmt jedoch infolge der Kommutierung auch einen Impuls auf, während die Bürsten von einem Kommutatorsegment zum nächsten gleiten. Da die zeitliche Folge des Kommutierungs-Spitzenimpulses unabhängig von der Anordnung der Spule ist, lässt sich die Anordnung der Spule so wählen, dass der Kommentierungs-Spitzenimpuls und der Signalimpuls, je nach Wunsch, entweder zeitlich voneinander getrennt oder gleichzeitig auftreten.
Zur Erkennung eines Betriebs mit niedriger Drehzahl, wie z.B. einigen hundert U/min, kann für den Erhalt eines zuverlässigen Ausgangssignals eine Spule mit mehr als einer Windung erforderlich sein. Bei einer weiteren, in 4 dargestellten Ausführungsform sind zwei schmale, U-förmige Spulen mit jeweils einer Windung 12, 112 auf der Seitenfläche des Magneten 14 ausgebildet. Die Spulen 12, 112 sind in Reihe geschaltet und auf dem Umfang durch einen Abstand getrennt, der gleich der Teilung der Pole des Ankers, dem so genannten Nut-zu-Nut-Abstand, ist. Für Rotoren mit vielen Polen könnte der Winkelabstand gleich einem ganzzahligen Vielfachen des Nut-zu-Nut-Abstandes sein. Beispielsweise beträgt der Winkelabstand für einen Dreipolrotor 120 Grad und für einen 5-Pol-Rotor 72 Grad, wohingegen der Winkelabstand für einen 12-Pol-Rotor 30, 60, 90, 120 Grad usw. beträgt, wobei die gekrümmte Ausdehnung des Magneten berücksichtigt wird. Jedes Mal wenn bei dieser Anordnung eine Ankerpolnut an einer der Spulen 12 vorbei bewegt wird, wird gleichzeitig eine andere Ankerpolnut an der anderen Spule 112 vorbei bewegt. Daher ist am Ausgang das Signal doppelt so groß wie bei einer Einspulenanordnung. Diese Ausführung erzeugt den Effekt einer Spule mit zwei Windungen ohne jedoch eine Spule mit zwei Windungen zu verwenden, die eine schmalere Leiterbahn und eine Isolationsschicht zwischen den zwei Windungen, zumindest an der Überkreuzungsstelle der Windungen, erfordern würde.
Bei einer alternativen, in 5 dargestellten Ausführung werden zwei Spulen 12 eingesetzt. Die Spulen werden nebeneinander angeordnet und nutzen einen Schenkel gemeinsam, wodurch eine W-förmige Spule mit drei Anschlüssen 38 entsteht. In der Regelschaltung oder in der Abschlusskappe sind die zwei äußeren Anschlüsse miteinander verbunden, so dass die Spulen wie zwei parallel geschaltete Spulen funktionieren, obwohl sie auf dem Umfang zueinander etwas verschoben sind. Somit werden die Signale einer jeden Spule nicht miteinander überlagert, sondern weisen zueinander einen zeitlichen Abstand und eine entgegengesetzte Richtung auf, was einen Impuls sinusförmigen Typs erzeugt. Diese Anordnung lässt sich einsetzen, um den Kommutierungsimpuls aufzuheben oder zu reduzieren, da der Kommutierungsimpuls, weil er unabhängig von der Spulenposition ist, in jeder Spule gleichzeitig auftritt; da aber eine Spule in Bezug auf die andere Spule in ihrer Wirkungsrichtung umgekehrt ist, geht deren Impuls gegensinnig ein, was zu einer Gesamtverringerung des Kommutierungsimpulses im Drehzahlgebersignal führt.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen im Detail beschrieben wurden, werden für den Fachmann verschiedene Abwandlungen offensichtlich sein, ohne dass vom Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die beigefügten Patentansprüche definiert ist, abgewichen wird.

Claims

Dauermagnet-Gleichstrommotor, umfassend: einen Dauermagnet-Stator, der mindestens einen Dauermagnet (14) umfasst; einen Rotor (16), der eine Rotorwelle (24) umfasst; einen Ankerkern (26), der auf der Welle montiert ist und eine Vielzahl von Polen aufweist; eine Ankerwicklung (30), die um die Pole gewickelt ist; und einen Kommutator (28), der auf der Welle neben einem Ende des Ankerkerns montiert und mit Anschlussdrähten der Ankerwicklung verbunden ist, wobei der Rotor (16) durch die jeweiligen Wellenzapfen in Lagern (18) gelagert und gegenüber liegend zum Stator angeordnet ist; und einen Drehzahlgeber, der eine Spule aus leitfähigem Material umfasst; dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (12) eine Ablagerung von leitfähiger Tinte ist, die auf der Oberfläche des Magneten (14) ausgebildet ist und sich im Luftspalt zwischen dem Magneten (14) und dem Ankerkern (26) befindet.
Motor nach Anspruch 1, bei dem die leitfähige Tinte ein leitfähiges Epoxid ist.
Motor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem sich die Spule (12) axial im Wesentlichen über die axiale Länge des Magneten erstreckt.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Spule (12) eine Spule mit einer Windung ist.
Motor nach Anspruch 4, bei dem die Spule (12) eine Spule mit einer Windung in „U"-Form ist, die sich im Wesentlichen in der Axialrichtung des Motors erstreckt.
Motor nach Anspruch 5, bei dem sich die Spule (12) axial im Wesentlichen unter dem gleichen Winkel wie die Pole des Ankerkerns erstreckt.
Motor nach Anspruch 5, bei dem die Spule (12) einen seitlichen Zwischenraum zwischen den „U"-Schenkeln aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Zwischenraum auf dem Umfang zwischen den Polen des Ankerkerns ist.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Drehzahlgeber außerdem eine zweite Spule mit einer Windung (11, 112) umfasst, die über die Anschlüsse der ersten Spule (12) angeschlossen und neben derselben angeordnet ist, aber auf dem Umfang in Bezug auf dieselbe einen Abstand aufweist.
Motor nach Anspruch 8, bei dem die zwei Spulen (12, 112) in Reihe geschaltet und auf dem Umfang durch einen Abstand getrennt sind, der gleich einem ganzzahligen Vielfachen des Abstandes zwischen den Polen des Ankerkerns (26) ist.
Motor nach Anspruch 8, bei dem die erste und die zweite Spule (12) im Wesentlichen U-förmig sind und einen gemeinsamen Schenkel aufweisen, wodurch eine lange schmale W-förmige Anordnung entsteht.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Spulenanschlüsse (38) des Drehzahlgebers auf einer axialen Stirnfläche des Magneten (14) angeordnet sind.
Motor nach Anspruch 11, bei dem der Motor ein tiefgezogenes napfförmiges Gehäuse (22) mit einem offenen Ende aufweist, das durch eine Abschlusskappe (20) verschlossen ist, und bei dem die Spulenanschlüsse (38) elektrisch in federbelastete Anschlüsse (36) eingreifen, die an der Abschlusskappe (20) befestigt sind.
Motor nach Anspruch 12, bei dem die federbelasteten Anschlüsse (36) federnd verformbare Finger sind, die sich von der Abschlusskappe (20) aus erstrecken.