EP1397691A1 - Device for generation of a signal dependent on rotational speed for an electric motor, in particular for an electronically-commutated d.c. motor - Google Patents

Device for generation of a signal dependent on rotational speed for an electric motor, in particular for an electronically-commutated d.c. motor

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EP1397691A1
EP1397691A1 EP02745263A EP02745263A EP1397691A1 EP 1397691 A1 EP1397691 A1 EP 1397691A1 EP 02745263 A EP02745263 A EP 02745263A EP 02745263 A EP02745263 A EP 02745263A EP 1397691 A1 EP1397691 A1 EP 1397691A1
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EP
European Patent Office
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coils
signal
voltage
coil
speed
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02745263A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Joachim Heizmann
Markus KLÖPZIG
Hans-Joachim Wysk
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Minebea Co Ltd
Original Assignee
Minebea Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02K5/1732—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using bearings with rolling contact, e.g. ball bearings radially supporting the rotary shaft at both ends of the rotor
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    • H02K2203/03—Machines characterised by the wiring boards, i.e. printed circuit boards or similar structures for connecting the winding terminations

Definitions

  • the invention relates to a device for generating a speed-dependent signal for an electric motor, in particular for an electronically commutated direct current motor.
  • Electric motors have a device for generating a speed-dependent signal, which is also referred to below as a tachometer generator, which generates a signal for controlling the speed of the motor.
  • the invention relates generally to brushless DC motors or electronically commutated DC motors and associated speed control systems, e.g. be used in the automotive sector for steering systems and other applications.
  • DC motors used in steering systems are required to generate a high current with low torque ripple and low cogging torque. Since the DC motor is used in the vicinity of the vehicle's internal combustion engine, it must be resistant to extreme temperatures, moisture, dirt and other environmental influences. Furthermore, automobile manufacturers generally require a low resistance and narrow resistance tolerances as well as a low inductance of the overall arrangement.
  • Electronically commutated direct current motors generally comprise a permanent magnet which is applied to a rotor shaft and which has a plurality of alternating poles in the circumferential direction, and a stator which has a plurality of drive windings which interact with the magnetic poles of the rotor.
  • US-A-4,578,606 describes an electric motor in combination with a tachogenerator, in which a tachogenerator coil is arranged in the field of the rotor magnet, so that when the motor rotates, a voltage is induced in the tachogenerator coil by the magnetic poles.
  • the permanent magnet seated on the rotor shaft is divided into two concentric sections, an outer section of the permanent magnet having eight magnetic poles which interact with the motor (stator) coils, and a smaller, inner section or inner circle of the permanent magnet, Has 26-50 poles that cooperate with the tachometer coil, which is wound in the circumferential direction of the motor to generate a speed-dependent signal.
  • the frequency of the signal generated in the tachogenerator coil corresponds to the speed of the rotor shaft.
  • the electric motor described in US-A-4,578,606 is used in particular in diskette drives for computers. This publication does not discuss any special requirements regarding the signal strength generated by the tachometer generator or the insensitivity to environmental influences.
  • the invention has for its object to provide a device for generating a speed-dependent signal for an electric motor and an associated method that can generate a tachogenerator signal of high signal strength and are insensitive to environmental influences such as high temperature, humidity, etc.
  • the invention also provides an electric motor that includes such a device.
  • the invention provides a device for generating a speed-dependent signal, or a tachometer generator, with one or more permanent magnets of alternating polarity, which are arranged distributed around the circumference of the rotor shaft.
  • these magnetic elements can be segments of the rotor magnet that are magnetized with changing polarity.
  • the magnetic elements are preferably implemented in the form of a magnetic ring which has alternatingly polarized sections, is held on a carrier fastened to the rotor shaft and rotates with the rotor shaft.
  • the tachometer generator according to the invention has at least one axially parallel "measuring" coil, which is at an axial distance from the associated magnetic elements on a further second, fixed housing device is arranged.
  • a plurality of axially parallel “measuring” coils which are evenly distributed around the circumference of the rotor shaft, are preferably provided, with the coils being arranged next to and axially parallel to the rotor shaft in the preferred embodiment of the invention.
  • Magnets and coils are spatially assigned to one another, the magnetic poles located on the rotor and rotating with it executing a relative movement with respect to the coils fixed to the housing.
  • a speed-dependent signal in the form of a regular alternating voltage is induced in the coils, wherein according to the invention the amplitude maximum or the amplitude difference of the signal voltage induced in the "measuring" coil is detected and evaluated as a measured variable for the speed.
  • a circuit arrangement is provided with which the reference potential for the signal voltage induced in the coil is shifted by superimposing a (preferably stabilized) DC voltage on the approximately trapezoidal signal voltage.
  • the superimposed voltage is preferably a positive DC voltage, so that a positive pulsating DC voltage results as a speed-dependent signal.
  • the circuit arrangement for shifting or raising the signal can be implemented by a simple voltage divider which is connected on the one hand to the coil emitting the signal and on the other hand to a voltage supply of, for example, 5 V.
  • a voltage supply of, for example, 5 V At the center tap of the voltage divider there is the signal induced in the coil, which has been shifted by a DC voltage component.
  • the voltage divider has two resistors connected in series, the connection node of which forms the center tap of the voltage divider. It is assumed that a measuring coil connected between the voltage divider and the reference potential, eg ground, generates an output signal between -4 V and +4 V. It is also assumed that the supply voltage is 5 V and the voltage divider has two ohmic resistors of the same size.
  • the circuit arrangement is preferably assigned an interference filter, which can be implemented, for example, with a capacitor between the center tap and the reference potential.
  • At least two, in particular four or six coils are provided, which are arranged uniformly distributed around the circumference of the shaft.
  • two or three coils are preferably connected in series and assigned to a circuit arrangement for signal shifting or raising.
  • a circuit arrangement for signal shifting can be provided for all coils, the coils then being alternately connected to the circuit arrangement for signal shifting via a multiplexer, or each coil or coil series connection is assigned to its own separate circuit arrangement for signal shifting.
  • the coils are wound coils in order to generate the highest possible output signal.
  • a suitable compromise should be found between the desired high signal strength and the signal shape. Due to the planned use in automotive engineering, factors such as the mechanical strength of the coils and the soldering technology used must also be taken into account when realizing the coils.
  • the coils can in particular be wound upright from a thin flat wire and preferably from a thin round or flat wire coated with an insulation material, in particular a so-called baked enamel wire.
  • a baked enamel wire has the advantage that it is already coated with an insulation material, the coil being heated after winding and caking into a solid body. The insulation material can be easily removed from the winding ends; to connect the finished coil.
  • the coils according to the invention can be air coils or coils wound on a bobbin. They preferably have at least 150 turns. Furthermore, a magnetic reflux element is preferably assigned to each coil.
  • the carrier device for the coils is a rigid or flexible printed circuit board which is arranged opposite the magnetic elements.
  • the magnetic elements are realized in the form of a magnetic ring which has alternatingly polarized sections, in particular 4 to 12 and preferably 6 or 8 alternatingly polarized sections.
  • the coils are realized in the form of flat coils, the circumferential contour of which is adapted to the shape of the magnetic ring sections.
  • the coils are similar in shape to the drive coils (30) shown in US-A-4,578,606, it should be noted that these drive coils are used in the U.S. Patent not used to record the speed, but the motor drive.
  • the inventors have found that the flat drive coils used in spindle motors for hard disk or floppy disk drives are particularly well suited as measuring coils of a tachometer generator for the intended application in an electric motor for the automotive sector, because the coils are particularly flat and compact, and have a high mechanical accuracy and have mechanical strength.
  • a plurality of coils are preferably arranged distributed around the rotor shaft, in particular two or three coils or coil series connections are provided which, for example, generate signals which are phase-shifted by 90 ° (electrically).
  • the invention preferably provides an evaluation and a control device with a rotational position sensor in order to detect the rotational position of the rotor shaft and to decide depending on which half-wave of the speed-dependent signal which coil is evaluated for determining the speed. In this way it can be achieved that a flat area of one of the coil signals is largely evaluated.
  • Figure 1 is a sectional view through an electric motor with a tachometer generator according to the invention
  • Figure 2 is a sectional view through a tachometer generator according to the invention
  • Figure 3 is a plan view of a carrier device, on which four coils are arranged, for a tachometer generator according to the invention
  • Figures 4a and 4b are a sectional side view and a plan view of a ring magnet with six magnetic elements of a tachometer generator according to the invention
  • FIG. 5 shows a simplified circuit diagram of the circuit arrangement of the tachometer generator according to the invention.
  • Figure 6 is a graph showing measurement results obtained with the coil arrangement of Figure 2 in a tachometer generator according to the invention.
  • FIG. 1 shows a sectional view of an electronically commutated DC motor according to the invention, which can be used in particular in the automotive sector and there for example for steering systems.
  • the DC motor generally designated 10 net, has a stator with a stator laminated core 12 and stator windings 14.
  • the stator and rotor are enclosed by a housing 22 which has a flange 24 and 26 on its two end faces, the rotor shaft 16 being led out on the side of the flange 24 and signal lines and winding connections of the motor being brought out on the side of the flange ,
  • the rotor shaft 16 is in the flanges 24 and 26 via bearings 28 and 30, e.g. Rolling or plain bearings, in particular ball bearings, rotatably mounted and held.
  • bearings 28 and 30 e.g. Rolling or plain bearings, in particular ball bearings, rotatably mounted and held.
  • the rotor assembly 16, 18, 20 is additionally enclosed by a sleeve 32 which, together with the flanges 24 and 26, encloses the rotor assembly and prevents the penetration of foreign bodies into the rotor assembly.
  • a DC motor which has a similar construction to the DC motor of FIG. 1, is described in further detail in German patent applications 100 34 302.3 and 100 51 403.0, to which reference is made. It should be emphasized that the tachogenerator according to the invention can also be used in conjunction with any other known or still to be developed type of DC motor.
  • the embodiment shown in Figure 1 is only intended to serve as an example.
  • a holding device 34 is mounted on the rotor shaft 16 of the DC motor shown in FIG. 1, on which a magnetic ring 36 is applied, which will be explained in more detail below.
  • a holding device in the form of a printed circuit board 38 is arranged opposite and parallel to the holding device 34 and the magnetic ring 36, on the side facing the magnetic ring 36 there are coils 40, as is also explained in more detail below.
  • An iron yoke component 42 is located on the rear side of the printed circuit board 38 facing away from the magnetic ring 36.
  • the holding device 34 and the ring magnet 36 arranged thereon rotate together with the rotor shaft 16, while the printed circuit board 38 with the coils 40 arranged thereon is stationary, so that when the rotor shaft 16 rotates, a relative movement between the ring magnet 36 and the coils 40 are formed.
  • FIG. 1 shows a relay carrier 44 with relays mounted therein, which are connected to winding ends 46 of the stator windings 14 in order to switch or interrupt the motor power lines.
  • the DC motor shown in FIG. 1 is closed off by a housing cover 48 which has integrated sockets / plug components 50 which are connected to signal lines 52 or the winding ends 46 via a connecting device 54.
  • circuit board 38, the relay carrier 44 and the housing cover 48 are held in their position by means of a center screw 56, suitable snap connections and / or gluing.
  • the tachometer generator according to the invention can also be used with other types of DC motors, in particular the design of the housing and the flanges as well as the arrangement and guidance of the various electrical components can be designed in any way known to the person skilled in the art.
  • Figure 2 shows a sectional view through the tachometer generator according to the invention with further details.
  • FIG. 2 shows the flange 26 with the bearings 30 and the shaft 16 guided therein.
  • the holding device 34 of the tachometer generator sits on the shaft 16 and holds the magnetic ring 36, which is connected to the shaft 16 in a rotationally fixed manner and rotates.
  • the carrier device (sensor board) 38 is held in a section of the relay carrier 44 at a fixed axial distance, parallel to the magnetic ring 36.
  • the specialist can Conceive other ways of holding the sensor board 48 in a stationary manner with respect to the housing of the direct current motor 10 and aligned with the magnetic ring 36.
  • Coils 40 are arranged on the sensor board 38, axially parallel to the shaft 16 of the motor, uniformly distributed around the axis of rotation of the shaft 16, which serve as measuring coils for detecting the speed of the shaft 16.
  • a Hall sensor 62 for detecting the rotational position of the shaft 16 is arranged within each coil, it being understood by those skilled in the art that a different number of Hall sensors and a different type of rotational position detection can also be selected, e.g. by means of inductive, optical or capacitive sensors.
  • the iron yoke 42 is provided for closing the magnetic circuit.
  • the iron yoke can also serve as a carrier for the sensor electronics, so that no separate circuit board has to be provided.
  • FIG. 3 shows a plan view of the carrier device 38 with four sensor coils 40 of the tachometer generator according to the invention mounted thereon.
  • This carrier device 38 is designed in particular as a printed circuit board, contacts 60 being provided on one side of the printed circuit board, which contacts serve to connect the signal lines 52 and supply lines to the coils 40 and further electronic components on the circuit board 38.
  • the carrier device can also be made of a flexible circuit board material (flex-circuit) or any other suitable substrate on which coils can be applied.
  • a single-layer printed circuit board 38 is used, on the side facing the magnetic ring 36, the coils 40 are arranged, and on the rear side facing away from the magnetic ring 36, the iron yoke part 42 (not shown in FIG. 3) is arranged.
  • coils 40 are provided which are arranged uniformly around the circumference of the rotor shaft 16 and are axially parallel to the latter, wherein two of the coils 40 are connected in series, so that two speed-dependent signals are generated, as will be explained further below.
  • the coils can be made from a very thin, upright wound flat wire and can be designed in the way they are used, for example, as drive coils in spindle motors for hard disk drives.
  • the coils are wound from a thin round wire or flat wire coated with an insulation material, a so-called baked enamel wire.
  • the use of this wire allows a maximum number of windings to be realized with a low overall height of the coils and small space requirements, each coil preferably having at least 150 turns in order to generate the highest possible output signal.
  • the use of baked enamel wire has the further advantage that by simply heating the wound coil, the insulation material surrounding the wire can be melted to such an extent that a compact, stable coil ring is formed, which can be easily handled and assembled even without using coil formers. The insulation material on the winding ends can be easily removed to connect the coils 40.
  • the outer contour of the flat coils 40 is essentially adapted to the shape of the alternately polarized sections of the opposing ring magnet 42, as can be seen from a comparison of FIGS. 3 and 4.
  • the adaptation of the coil shape to the shape of the magnet segments and the provision of the largest possible coil opening serves to generate trapezoidal coil signals which have a flat area and steepest possible edges, as is explained in more detail with reference to FIG. 6.
  • FIG. 4 Further components can be arranged on the printed circuit board 38, such as Hall sensors 62 for generating a rotor rotation position signal or resistors and capacitors (not shown) for realizing the circuit arrangement according to the invention, which is explained in more detail with reference to FIG. 4.
  • FIG. 4 shows a top view of the holding device 34, which is pressed onto the rotor shaft 16 in the form of a Washer can be designed.
  • the holding device 34 carries at least one magnetic ring 36 which has alternatingly polarized, evenly distributed segments or magnetic elements 64, 66.
  • the magnet ring 36 has six (6) alternately polarized magnetic elements 64, 66, although other embodiments may have a different number of magnetic poles, in particular for example eight (8) magnetic poles.
  • the tachometer generator according to the invention has more than one coil 40 or a pair of coils connected in series, an important aspect of the invention is based on the correct assignment between the coils 40 and the alternately magnetized sections of the magnetic ring 36.
  • the coils 40 should be relative to the magnetic ring 36 may be arranged so that in a given relative position one of the coils 40 completely covers a segment 64 or 66 of the ring magnet 36, while the adjacent coil 40 lies over a transition between alternately polarized segments 64, 66. It is thereby achieved that the plurality of coils or coil pairs connected in series each generate phase-shifted signals, a phase shift of 90 ° (electrical) being selected in a preferred embodiment of the invention, but other phase shifts can also be realized.
  • FIG. 5 shows a simplified circuit diagram of a circuit arrangement for a tachometer generator according to the invention, the case being shown in FIG. 5 in which the signal is evaluated by two measuring coils 40.
  • FIG. 5 shows a circuit arrangement according to the invention for raising the signal of the signals supplied by the measuring coils 40.
  • the sensors provided for the DC motor are shown on the left-hand side of FIG. 5, namely two coils A and B, each of which is formed from two coils 40 connected in series, and one of the four Hall sensors 62, which are shown on FIG Sensor board 38 are arranged.
  • the remaining three Hall sensors are not shown in FIG. 5 for the sake of simplicity, but they are connected to the evaluation and control device 78 via corresponding circuit arrangements.
  • the measuring coils A and B, 40 deliver speed-dependent, essentially trapezoidal alternating signals, the amplitude or difference in amplitude of which is evaluated in order to detect the speed of the DC motor.
  • the Hall sensor 62 is in a preferred embodiment by a Hall IC with a Hall plate 62 and an output amplifier 80, e.g. a MOSFET amplifier. It generates a digital output signal, which is an image of the north / south poles of the rotating ring magnet 36 in the form of a step function.
  • the output signals of the Hall sensors 62 are transmitted to the evaluation and control device 78 via the contacts 60 and a filter circuit 82.
  • the angular position of the rotor shaft 16 can be derived from the output signals of the Hall sensors.
  • several Hall sensors are arranged offset by 90 or 120 degrees (electrically).
  • Each coil A and B, 40 is assigned a voltage divider consisting of two resistors 70, 72 and a filter capacitor 76.
  • the output signals of the voltage dividers are applied to an analog / digital converter 74, which is coupled to an evaluation and control device 78.
  • the analog / digital converter 74 and the evaluation and control device 78 can be part of a microprocessor 84.
  • the voltage divider resistors 70, 72 are connected between a supply voltage Vcc of, for example, 5 V and the measuring coil 40, the coil at its other end being connected to a reference potential, for example ground.
  • Vcc supply voltage
  • the coil 40 an alternating voltage is induced by the relative rotation between the coil 40 and the ring magnet 36, which fluctuates between a value + V _ ma ⁇ and -VL_ m ax.
  • Both the frequency and the amplitude of the voltage induced in the coil 40 are proportional to the speed of the rotor shaft 16, the amplitudes + V _ ma ⁇ ; -VL max, or the amplitude difference, are evaluated.
  • a signal with a sufficiently high voltage swing and current is generated in the coils 40, which signal can be processed in an analog / digital converter 74 without the interposition of a further amplification element, such as an operational amplifier. Avoiding sensitive components, such as operational amplifiers, is particularly advantageous for the intended use of the DC motor according to the invention in the automotive sector.
  • the voltage signal induced in the coil 40 is an alternating voltage, for example with a voltage swing of +/- 4 V, which are not evaluated in a conventional analog / digital converter can.
  • the invention therefore proposes a circuit arrangement in the form of the voltage divider 70, 72, which halves the signal induced in the coil 40 and superimposes it on a DC voltage which corresponds to half the supply voltage Vcc.
  • the supply voltage Vcc is, for example, + 5 V, so that a DC voltage of + 2.5 V is superimposed on the voltage induced in the coil 40.
  • a speed-proportional signal is present at the input of the analog / digital converter 74 and varies in a range from + 0.5 V to + 4.5 V.
  • the circuit arrangement shown in FIG. 5 additionally provides the capacitor 76 for suppressing the voltage-raised signal induced in the coil 40.
  • the capacitor 76 instead of the capacitor 76, the person skilled in the art can provide any other suitable interference filter.
  • FIG. 6 shows the speed-dependent output signal of two coil pairs 40, which are connected in series, which are labeled coil A and coil B, as well as the voltage-shifted and superimposed output signals of the two coil pairs, which are labeled Tacho A, B.
  • the coil signals are divided into four sections, designated 1, 2, 3, 4, each section being part of the signal curve of coil A or Corresponds to coil B, in which the curve is flat and is therefore ideal for evaluating the amplitude. Since the signal curve is dependent on the current angle of rotation, the invention provides for the detection of the rotational position of the rotor shaft 16 in order to determine which section of the signal curve is to be used for evaluating the amplitude.
  • the Hall sensors HA, HB, HC and HD, 62 shown in FIG. 3 are provided for detecting the rotational position.
  • the Hall sensors HC and HD are 90 degrees (electrically) out of phase.
  • the evaluation and control device 78 controls the analog / digital converter 74 in order to further process the output signal of the coil A or the coil B or the pair of coils.
  • the valid signal sections for evaluating the amplitude of the coil signals are as follows:
  • the Hall sensors are also used to detect the rotational position of the rotor shaft 16 to control the output stage transistors of the winding phases.
  • the Hall sensors HA, HB and HC are arranged out of phase by 120 degrees (electrically), the following conditions then resulting for the control of the phases U, V, W of the direct current motor:
  • any other type of rotational position sensor can be used to determine the angle of rotation of the rotor shaft 16 in order to determine the appropriate sections of the coil signals for evaluating the signal amplitudes and thus the speed of the rotor shaft 16.
  • the coils 40 are preferably offset relative to the pole sections 64, 66 of the magnetic ring 36 such that there is a signal shift of 90 ° (electrical) between the signals A and B induced in the coil pairs.
  • a signal shift of 90 ° (electrical) between the signals A and B induced in the coil pairs As a result, as shown in the superimposed signal Tacho A, B, overlapping flat areas of the signal curve arise which, depending on the rotational position of the rotor shaft 16, can be evaluated such that the amplitude is always detected in the flat area of a coil signal.
  • the rotational position can be detected with optical, magnetic, inductive or other suitable sensors.

Abstract

The invention relates to a device for generation of a signal dependent on rotational speed, or a tachogenerator, comprising several magnet elements of alternating polarity, arranged as a distribution around the circumference of the rotor shaft. The magnet elements are preferably arranged in the form of a magnet ring, the sections of which display alternating magnetic polarity and which is retained on a support fixed to the rotor shaft. Said tachogenerator comprises at least one coil, parallel to the axis, arranged at an axial separation from the magnet elements on a further support device. The magnets and coils are placed relative to each other and may rotate relative to each other in such a manner as to induce a speed-dependent signal in the coils. According to the invention, a signal shift device is provided which superimposes a DC voltage on the signal induced in the coil to generate a voltage-shifted signal. Said voltage is preferably a positive voltage, in order to lift the speed-dependent signal into a positive voltage range.

Description

Vorrichtung zur Erzeugung eines drehzahlabhängigen Signals für einen Elektromotor, insbesondere für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor Device for generating a speed-dependent signal for an electric motor, in particular for an electronically commutated direct current motor
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines drehzahlabhängigen Signals für einen Elektormotor, insbesondere für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor. Elektromotoren weisen eine Vorrichtung zur Erzeugung eines drehzahlabhängigen Signals auf, die im folgenden auch als Tachogenerator bezeichnet ist, welche ein Signal für die Drehzahlsteuerung des Motors erzeugt.The invention relates to a device for generating a speed-dependent signal for an electric motor, in particular for an electronically commutated direct current motor. Electric motors have a device for generating a speed-dependent signal, which is also referred to below as a tachometer generator, which generates a signal for controlling the speed of the motor.
Die Erfindung betrifft im allgemeinen bürstenlose Gleichstrommotoren oder elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren und zugehörige Drehzahlsteuersysteme, die z.B. im Automobilbereich für Lenksysteme und andere Anwendungen eingesetzt werden. Von Gleichstrommotoren, die in Lenksystemen eingesetzt werden, wird gefordert, daß sie einen hohen Strom bei geringer Drehmomentwelligkeit und geringem Rastmoment erzeugen. Da der Gleichstrommotor in der Nähe des Verbrennungsmotors des KfZ eingesetzt wird, muß er beständig gegen extreme Temperaturen, Feuchtigkeit, Schmutz und andere Umwelteinflüsse sein. Ferner werden von den Automobilherstellern in der Regel ein niedriger Widerstand und enge Widerstandstoleranzen sowie eine geringe Induktivität der Gesamtanordnung gefordert.The invention relates generally to brushless DC motors or electronically commutated DC motors and associated speed control systems, e.g. be used in the automotive sector for steering systems and other applications. DC motors used in steering systems are required to generate a high current with low torque ripple and low cogging torque. Since the DC motor is used in the vicinity of the vehicle's internal combustion engine, it must be resistant to extreme temperatures, moisture, dirt and other environmental influences. Furthermore, automobile manufacturers generally require a low resistance and narrow resistance tolerances as well as a low inductance of the overall arrangement.
Elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren umfassen im allgemeinen einen Permanentmagneten, der auf einer Rotorwelle aufgebracht ist und in Umfangsrichtung mehrere wechselnde Pole aufweist, sowie einen Stator, der mehrere Antriebswicklungen aufweist, die mit den magnetischen Polen des Rotors in Wechselwirkung stehen. Die US-A-4,578,606 beschreibt einen Elektromotor in Kombination mit einem Tachogenerator, bei dem eine Tachogeneratorspule in dem Feld des Rotormagneten angeordnet ist, so daß bei Drehung des Motors von den Magnetpolen eine Spannung in der Tachogeneratorspule induziert wird. Bei dem dort beschriebenen Elektromotor ist der auf der Rotorwelle sitzende Permanentmagnet in zwei konzentrische Abschnitte aufgeteilt, wobei ein äußerer Abschnitt des Permanentmagneten acht Mangetpole aufweist, die mit den Motor(-Stator)spulen zusammenwirken, und ein kleinerer, innerer Abschnitt oder Innenkreis des Permanentmagneten, 26-50 Pole aufweist, die mit der Tachospule zusammenwirken, welche in Umfangsrichtung des Motors gewickelt ist, um ein drehzahlabhängiges Signal zu erzeugen. Die Frequenz des in der Tachogeneratorspule erzeugten Signals entspricht der Drehzahl der Rotorwelle. Der in der US-A-4,578,606 beschriebene Elektromotor wird insbesondere in Diskettenlaufwerken für Computer eingesetzt. Besondere Anforderungen an die von dem Tachogenerator erzeugte Signalstärke oder die Unempfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse sind in dieser Druckschrift nicht erörtert.Electronically commutated direct current motors generally comprise a permanent magnet which is applied to a rotor shaft and which has a plurality of alternating poles in the circumferential direction, and a stator which has a plurality of drive windings which interact with the magnetic poles of the rotor. US-A-4,578,606 describes an electric motor in combination with a tachogenerator, in which a tachogenerator coil is arranged in the field of the rotor magnet, so that when the motor rotates, a voltage is induced in the tachogenerator coil by the magnetic poles. In the electric motor described there, the permanent magnet seated on the rotor shaft is divided into two concentric sections, an outer section of the permanent magnet having eight magnetic poles which interact with the motor (stator) coils, and a smaller, inner section or inner circle of the permanent magnet, Has 26-50 poles that cooperate with the tachometer coil, which is wound in the circumferential direction of the motor to generate a speed-dependent signal. The frequency of the signal generated in the tachogenerator coil corresponds to the speed of the rotor shaft. The electric motor described in US-A-4,578,606 is used in particular in diskette drives for computers. This publication does not discuss any special requirements regarding the signal strength generated by the tachometer generator or the insensitivity to environmental influences.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen eines drehzahlabhängigen Signals für einen Elektromotor und ein zugehöriges Verfahren anzugeben, die ein Tachogeneratorsignal hoher Signalstärke erzeugen können und unempfindlich gegen Umwelteinflüsse, wie hohe Temperatur, Feuchtigkeit etc., sind.The invention has for its object to provide a device for generating a speed-dependent signal for an electric motor and an associated method that can generate a tachogenerator signal of high signal strength and are insensitive to environmental influences such as high temperature, humidity, etc.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten von Anspruch 26 gelöst. Die Erfindung sieht auch einen Elektromotor vor, der eine derartige Vorrichtung enthält.This object is achieved by a device having the features of claim 1 and by a method having the method steps of claim 26. The invention also provides an electric motor that includes such a device.
Die Erfindung sieht eine Vorrichtung zur Erzeugung eines drehzahlabhängigen Signals, oder einen Tachogenerator vor, mit einem oder mehreren Permanentmagneten wechselnder Polarität, die um den Umfang der Rotorwelle verteilt angeordnet sind. Diese Magnetelemente können, wie bei der US-A-4,578,606, mit wechselnder Polarität magnetisierte Segmente des Rotormagneten sein. Vorzugsweise sind die Magnetelemente in Form eines Magnetringes realisiert, der wechselnd polarisierte Abschnitte aufweist, auf einem an der Rotorwelle befestigten Träger gehalten ist und mit der Rotorwelle umläuft. Der erfindungsgemäße Tachogenerator weist wenigstens eine achsparallele "Meß"-Spule auf, die mit axialem Abstand zu den zugeordneten Magnetelementen auf einer weiteren zweiten, gehäusefesten Trägervorrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise sind mehrere, um den Umfang der Rotorwelle gleichmäßig verteilte achsparallele "Meß"-Spulen vorgesehen, wobei bei der bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung die Spulen jeweils neben und achsparallel zur Rotorwelle angeordnet sind. Magnete und Spulen sind räumlich einander zugeordnet, wobei die am Rotor befindlichen und mit diesem umlaufenden Magnetpole eine Relativbewegung in bezug auf die gehäusefesten Spulen ausführen.The invention provides a device for generating a speed-dependent signal, or a tachometer generator, with one or more permanent magnets of alternating polarity, which are arranged distributed around the circumference of the rotor shaft. As in US Pat. No. 4,578,606, these magnetic elements can be segments of the rotor magnet that are magnetized with changing polarity. The magnetic elements are preferably implemented in the form of a magnetic ring which has alternatingly polarized sections, is held on a carrier fastened to the rotor shaft and rotates with the rotor shaft. The tachometer generator according to the invention has at least one axially parallel "measuring" coil, which is at an axial distance from the associated magnetic elements on a further second, fixed housing device is arranged. A plurality of axially parallel “measuring” coils, which are evenly distributed around the circumference of the rotor shaft, are preferably provided, with the coils being arranged next to and axially parallel to the rotor shaft in the preferred embodiment of the invention. Magnets and coils are spatially assigned to one another, the magnetic poles located on the rotor and rotating with it executing a relative movement with respect to the coils fixed to the housing.
Mit der Drehung der Rotorwelle wird in den Spulen ein drehzahlabhängiges Signal in Form einer regelmäßigen Wechselspannung induziert, wobei erfindungsgemäß das Amplitudenmaximum oder die Amplitudendifferenz der in der "Meß"-Spule induzierte Signalspannung als Meßgröße für die Drehzahl erfaßt und ausgewertet wird.With the rotation of the rotor shaft, a speed-dependent signal in the form of a regular alternating voltage is induced in the coils, wherein according to the invention the amplitude maximum or the amplitude difference of the signal voltage induced in the "measuring" coil is detected and evaluated as a measured variable for the speed.
Erfindungsgemäß ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, mit der das Bezugspotential für die in der Spule induzierten Signalspannung verschoben wird, indem der annähernd trapezförmigen Signalspannung eine (vorzugsweise stabilisierte) Gleichspannung überlagert wird. Die überlagerte Spannung ist vorzugsweise eine positive Gleichspannung, so daß sich als drehzahlabhängiges Signal eine positive pulsierende Gleichspannung ergibt.According to the invention, a circuit arrangement is provided with which the reference potential for the signal voltage induced in the coil is shifted by superimposing a (preferably stabilized) DC voltage on the approximately trapezoidal signal voltage. The superimposed voltage is preferably a positive DC voltage, so that a positive pulsating DC voltage results as a speed-dependent signal.
Die erfindungsgemäße Tachogeberanordnung gemäß Anspruch 1 , in Verbindung mit Spulen, die eine ausreichende Windungszahl aufweisen, macht es möglich, ein drehzahlabhängiges Signal mit ausreichender Signalstärke zu erhalten, das ohne Zwischenschaltung von Operationsverstärkern oder dergleichen direkt an einen "üblichen" Analog/Digital- Wandler übergeben werden kann, wobei es ausreichend ist, wenn der Analog/Digital-Wandler in einem üblichen, positiven Spannungsbereich von beispielsweise 0 bis 5 V oder 0 bis 3 V arbeitet.The tachometer arrangement according to the invention according to claim 1, in conjunction with coils that have a sufficient number of turns, makes it possible to obtain a speed-dependent signal with sufficient signal strength, which is passed directly to a "conventional" analog / digital converter without the interposition of operational amplifiers or the like can be, it being sufficient if the analog / digital converter operates in a usual, positive voltage range of, for example, 0 to 5 V or 0 to 3 V.
Erfindungsgemäß kann die Schaltungsanordnung zur Signalverschiebung oder -anhebung durch einen einfachen Spannungsteiler realisiert werden, der einerseits mit der das Signal abgebenden Spule und andererseits mit einer Spannungsversorgung, von z.B. 5 V, verbunden ist. An dem Mittenabgriff des Spannungsteilers ergibt sich das in der Spule induzierte Signal, das um einen Gleichspannungsanteil verschoben wurde. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Spannungsteiler zwei in Reihe geschaltete Widerstände auf, deren Verbindungsknoten den Mittenabgriff des Spannungsteilers bildet. Es sei angenommen, daß eine zwischen dem Spannungsteiler und dem Bezugspotential, z.B. Masse, angeschlossene Meßspule ein Ausgangssignal zwischen -4 V und +4 V erzeugt. Ferner sei angenommen, daß die Versorgungsspannung 5 V beträgt und der Spannungsteiler zwei gleich große Ohmsche Widerstände aufweist. An dem Mittenabgriff des Spannungsteilers ergibt sich dann das in der Meßspule induzierte Signal, um 2,5 V angehoben und betragsmäßig halbiert, d.h. ein Signal, welches zwischen 0,5 und 4,5 V variiert. Dieses spannungsver- schobene Signal kann ohne weiteres direkt von einem Analog/Digital- Wandler mit einem Arbeitsspannungsbereich von 0 bis 5 V verarbeitet werden.According to the invention, the circuit arrangement for shifting or raising the signal can be implemented by a simple voltage divider which is connected on the one hand to the coil emitting the signal and on the other hand to a voltage supply of, for example, 5 V. At the center tap of the voltage divider there is the signal induced in the coil, which has been shifted by a DC voltage component. In a preferred embodiment, the voltage divider has two resistors connected in series, the connection node of which forms the center tap of the voltage divider. It is assumed that a measuring coil connected between the voltage divider and the reference potential, eg ground, generates an output signal between -4 V and +4 V. It is also assumed that the supply voltage is 5 V and the voltage divider has two ohmic resistors of the same size. At the center tap of the voltage divider there is the signal induced in the measuring coil, raised by 2.5 V and halved in amount, ie a signal which varies between 0.5 and 4.5 V. This voltage-shifted signal can easily be processed directly by an analog / digital converter with a working voltage range of 0 to 5 V.
Vorzugsweise ist der Schaltungsanordnung ein Entstörfilter zugeordnet, das beispielsweise mit einem Kondensator zwischen dem Mittenabgriff und dem Bezugspotential realisiert werden kann.The circuit arrangement is preferably assigned an interference filter, which can be implemented, for example, with a capacitor between the center tap and the reference potential.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens zwei, insbesondere vier oder sechs Spulen vorgesehen, die um den Umfang der Welle gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Um ein stärkeres Signal zu erzeugen, werden vorzugsweise jeweils zwei bzw. drei Spulen in Reihe geschaltet und einer Schaltungsanordnung zur Signalverschiebung oder - anhebung zugeordnet. Es kann entweder eine Schaltungsanordnung zur Signalverschiebung für alle Spulen vorgesehen sein, wobei die Spulen dann abwechselnd über einen Multiplexer mit der Schaltungsanordnung zur Signalverschiebung verbunden werden, oder jede Spule oder Spulen-Reihenschaltung ist einer eigenen, getrennten Schaltungsanordnung zur Signalverschiebung zugeordnet.In a preferred embodiment of the invention, at least two, in particular four or six coils are provided, which are arranged uniformly distributed around the circumference of the shaft. In order to generate a stronger signal, two or three coils are preferably connected in series and assigned to a circuit arrangement for signal shifting or raising. Either a circuit arrangement for signal shifting can be provided for all coils, the coils then being alternately connected to the circuit arrangement for signal shifting via a multiplexer, or each coil or coil series connection is assigned to its own separate circuit arrangement for signal shifting.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Spulen gewickelte Spulen, um ein möglichst hohes Ausgangssignal zu erzeugen. Dabei sollte ein geeigneter Kompromiß zwischen der gewünschten hohen Signalstärke und der Signalform gefunden werden. Aufgrund des geplanten Einsatzes in der Automobiltechnik müssen bei der Realisierung der Spulen auch solche Faktoren wie die mechanische Festigkeit der Spulen und die zum Einsatz kommende Löttechnik berücksichtigt werden. Die Spulen können insbesondere aus einem dünnen Flachdraht hochkant und vorzugsweise aus einem dünnen, mit einem Isolationsmaterial beschichteten runden oder flachen Draht, insbesondere einem sogenannten Backlackdraht, gewickelt werden. Ein Backlackdraht hat den Vorteil, daß er bereits mit einem Isolationsmaterial beschichtet ist, wobei die Spule nach dem Wickeln erwärmt wird und zu einem festen Körper zusammenbackt. Das Isolationsmaterial kann an den Wicklungsenden einfach entfernt werden; um die fertige Spule anzuschließen.In the preferred embodiment of the invention, the coils are wound coils in order to generate the highest possible output signal. A suitable compromise should be found between the desired high signal strength and the signal shape. Due to the planned use in automotive engineering, factors such as the mechanical strength of the coils and the soldering technology used must also be taken into account when realizing the coils. The coils can in particular be wound upright from a thin flat wire and preferably from a thin round or flat wire coated with an insulation material, in particular a so-called baked enamel wire. A baked enamel wire has the advantage that it is already coated with an insulation material, the coil being heated after winding and caking into a solid body. The insulation material can be easily removed from the winding ends; to connect the finished coil.
Die erfindungsgemäßen Spulen können Luftspulen oder auf einen Spulenkörper gewickelte Spulen sein. Sie weisen vorzugsweise wenigstens 150 Windungen auf. Ferner ist jeder Spule vorzugsweise ein magnetisches Rückflußelement zugeordnet.The coils according to the invention can be air coils or coils wound on a bobbin. They preferably have at least 150 turns. Furthermore, a magnetic reflux element is preferably assigned to each coil.
Bei der bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist die Trägervorrichtung für die Spulen eine starre oder flexible Leiterplatte, die den Magnetelementen gegenüberliegend angeordnet ist. Die Magnetelemente sind in Form eines Magnetringes realisiert, der wechselnd polarisierte Abschnitte, insbesondere 4 bis 12 und bevorzugt 6 oder 8 wechselnd polarisierte Abschnitte aufweist.In the preferred embodiment of the invention, the carrier device for the coils is a rigid or flexible printed circuit board which is arranged opposite the magnetic elements. The magnetic elements are realized in the form of a magnetic ring which has alternatingly polarized sections, in particular 4 to 12 and preferably 6 or 8 alternatingly polarized sections.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Spulen in Form von Flachspulen realisiert, deren Umfangskontur an die Gestalt der Magnetringabschnitte angepaßt sind. Insofern haben die Spulen eine ähnliche Gestalt wie die in der US-A-4,578,606 gezeigten Antriebsspulen (30), wobei beachtet werden muß, daß diese Antriebsspulen in dem U.S. Patent nicht zur Erfassung der Drehzahl, sondern dem Motorantrieb dienen.In a particularly preferred embodiment, the coils are realized in the form of flat coils, the circumferential contour of which is adapted to the shape of the magnetic ring sections. As such, the coils are similar in shape to the drive coils (30) shown in US-A-4,578,606, it should be noted that these drive coils are used in the U.S. Patent not used to record the speed, but the motor drive.
Die Erfinder haben jedoch herausgefunden, daß die in Spindelmotoren für Festplatten- oder Diskettenlaufwerke verwendeten flachen Antriebsspulen als Meßspulen eines Tachogenerators für die beabsichtige Anwendung in einem Elektromotor für den Automobilbereich besonders gut geeignet sind, weil die Spulen besonders flach und kompakt sind, eine hohe mechanische Genauigkeit und mechanische Festigkeit haben.However, the inventors have found that the flat drive coils used in spindle motors for hard disk or floppy disk drives are particularly well suited as measuring coils of a tachometer generator for the intended application in an electric motor for the automotive sector, because the coils are particularly flat and compact, and have a high mechanical accuracy and have mechanical strength.
Die Anpassung der Umfangskontur der Flachspulen an die Gestalt der Magnetringabschnitte, mit einer möglichst weiten inneren Öffnung ist dazu geeignet, ein drehzahlabhängiges Signal in den Spulen zu induzieren, das den gewünschten, idealen trapezförmigen Verlauf möglichst gut annähert.The adaptation of the circumferential contour of the flat coils to the shape of the magnetic ring sections with the largest possible inner opening is suitable for a speed-dependent signal induce in the coils, which approximates the desired ideal trapezoidal shape as well as possible.
Vorzugsweise werden, wie oben erwähnt, mehrere Spulen um die Rotorwelle verteilt angeordnet, wobei insbesondere zwei oder drei Spulen bzw. Spulen-Reihenschaltungen vorgesehen werden, welche beispielsweise um 90° (elektrisch) phasenverschobene Signale erzeugen. Für die Auswertung der Spulensignale sieht die Erfindung vorzugsweise eine Auswerte- und eine Steuereinrichtung mit einem Drehlagesensor vor, um die Drehlage der Rotorwelle zu erfassen und abhängig davon zu entscheiden, welche Halb welle des drehzahlabhängigen Signals welcher Spule zur Drehzahlbestimmung ausgewertet wird. Hierdurch kann erreicht werden, daß weitgehend immer ein flacher Bereich eines der Spulensignale ausgewertet wird.As mentioned above, a plurality of coils are preferably arranged distributed around the rotor shaft, in particular two or three coils or coil series connections are provided which, for example, generate signals which are phase-shifted by 90 ° (electrically). For the evaluation of the coil signals, the invention preferably provides an evaluation and a control device with a rotational position sensor in order to detect the rotational position of the rotor shaft and to decide depending on which half-wave of the speed-dependent signal which coil is evaluated for determining the speed. In this way it can be achieved that a flat area of one of the coil signals is largely evaluated.
Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausfuhrungsformen mit bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:The invention is explained below with reference to preferred embodiments with reference to the drawings. The figures show:
Figur 1 eine Schnittdarstellung durch einen Elektromotor mit einem Tachogenerator gemäß der Erfindung;Figure 1 is a sectional view through an electric motor with a tachometer generator according to the invention;
Figur 2 eine Schnittdarstellung durch einen Tachogenerator gemäß der ErfindungFigure 2 is a sectional view through a tachometer generator according to the invention
Figur 3 eine Draufsicht auf eine Trägervorrichtung, auf der vier Spulen angeordnet sind, für einen Tachogenerator gemäß der Erfindung;Figure 3 is a plan view of a carrier device, on which four coils are arranged, for a tachometer generator according to the invention;
Figuren 4a und 4b eine geschnittene Seitenansicht und eine Draufsicht eines Ringmagneten mit sechs Magnetelementen eines Tachogenerators gemäß der Erfindung;Figures 4a and 4b are a sectional side view and a plan view of a ring magnet with six magnetic elements of a tachometer generator according to the invention;
Figur 5 ein vereinfachtes Schaltbild der Schaltungsanordnung des Tachogenerators gemäß der Erfindung; undFIG. 5 shows a simplified circuit diagram of the circuit arrangement of the tachometer generator according to the invention; and
Figur 6 einen Graphen, welcher Meßergebnisse darstellt, die mit der Spulenanordnung der Figur 2 in einem Tachogenerator gemäß der Erfindung erhalten wurden.Figure 6 is a graph showing measurement results obtained with the coil arrangement of Figure 2 in a tachometer generator according to the invention.
Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors gemäß der Erfindung, der insbesondere im Automobilbereich und dort beispielsweise für Lenksysteme eingesetzt werden kann. Der Gleichstrommotor, der allgemein mit 10 bezeich- net ist, weist einen Stator mit einem Statorblechpaket 12 und Statorwicklungen 14 auf. Inn- nerhalb des Stator ist ein Rotor mit einer Rotorwelle 16, einem Eisenrückschlußring 18, der auf der Rotorwelle 16 sitzt, und einem Permanentmagneten 20, der segmentiert oder als Ring ausgebildet ist, angeordnet.Figure 1 shows a sectional view of an electronically commutated DC motor according to the invention, which can be used in particular in the automotive sector and there for example for steering systems. The DC motor, generally designated 10 net, has a stator with a stator laminated core 12 and stator windings 14. A rotor with a rotor shaft 16, an iron yoke ring 18, which is seated on the rotor shaft 16, and a permanent magnet 20, which is segmented or designed as a ring, is arranged inside the stator.
Stator und Rotor sind von einem Gehäuse 22 umschlossen, das an seinen beiden Stirnseiten jeweils einen Flansch 24 bzw. 26 aufweist, wobei auf der Seite des Flansches 24 die Rotorwelle 16 herausgeführt ist und auf der Seite des Flansches 26 Signalleitungen und Wicklungsanschlüsse des Motors herausgeführt werden.The stator and rotor are enclosed by a housing 22 which has a flange 24 and 26 on its two end faces, the rotor shaft 16 being led out on the side of the flange 24 and signal lines and winding connections of the motor being brought out on the side of the flange ,
Die Rotorwelle 16 ist in den Flanschen 24 und 26 über Lager 28 und 30, z.B. Wälz- oder Gleitlager, insbesondere Kugellager, drehbar gelagert und gehalten.The rotor shaft 16 is in the flanges 24 and 26 via bearings 28 and 30, e.g. Rolling or plain bearings, in particular ball bearings, rotatably mounted and held.
Bei der gezeigten Ausfuhrungsform ist die Rotorbaugruppe 16, 18, 20 zusätzlich von einer Hülse 32 umschlossen, die zusammen mit den Flanschen 24 und 26 die Rotorbaugruppe umschließt und das Eindringen von Fremdkörpern in die Rotorbaugruppe verhindert.In the embodiment shown, the rotor assembly 16, 18, 20 is additionally enclosed by a sleeve 32 which, together with the flanges 24 and 26, encloses the rotor assembly and prevents the penetration of foreign bodies into the rotor assembly.
Einen Gleichstrommotor, der eine ähnliche Bauweise wie der Gleichstrommotor der Figur 1 aufweist, ist mit weiteren Einzelheiten in den deutschen Patentanmeldungen 100 34 302.3 und 100 51 403.0 beschrieben, auf die bezug genommen wird. Es sei betont, daß der erfindungsgemäße Tachogenerator auch in Verbindung mit jeder anderen bekannten oder noch zu entwickelnden Art eine Gleichstrommotors eingesetzt werden kann. Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform soll lediglich als Beispiel dienen.A DC motor, which has a similar construction to the DC motor of FIG. 1, is described in further detail in German patent applications 100 34 302.3 and 100 51 403.0, to which reference is made. It should be emphasized that the tachogenerator according to the invention can also be used in conjunction with any other known or still to be developed type of DC motor. The embodiment shown in Figure 1 is only intended to serve as an example.
Auf der Rotorwelle 16 des in Figur 1 gezeigten Gleichstrommotors ist eine Haltevorrichtung 34 montiert, auf der ein Magnetring 36 aufgebracht ist, der weiter unten noch mit weiteren Einzelheiten erläutert wird. Der Haltevorrichtung 34 und dem Magnetring 36 gegenüberliegend und parallel zu diesen ist eine Trägervorrichtung in Form einer Leiterplatte 38 angeordnet, auf deren dem Magnetring 36 zugewandten Seite Spulen 40 sitzen, wie ebenfalls weiter unten noch näher erläutert ist. Auf der von dem Magnetring 36 abgewandten Rückseite der Leiterplatte 38 befindet sich eine Eisenrückschlußkomponente 42. Wie aus Figur 1 ersichtlich, drehen sich die Haltevorrichtung 34 und der darauf angeordnete Ringmagnet 36 zusammen mit der Rotorwelle 16, während die Leiterplatte 38 mit den darauf angeordneten Spulen 40 feststehend ist, so daß bei Drehungen der Rotorwelle 16 eine Relativbewegung zwischen dem Ringmagneten 36 und den Spulen 40 entsteht.A holding device 34 is mounted on the rotor shaft 16 of the DC motor shown in FIG. 1, on which a magnetic ring 36 is applied, which will be explained in more detail below. A holding device in the form of a printed circuit board 38 is arranged opposite and parallel to the holding device 34 and the magnetic ring 36, on the side facing the magnetic ring 36 there are coils 40, as is also explained in more detail below. An iron yoke component 42 is located on the rear side of the printed circuit board 38 facing away from the magnetic ring 36. As can be seen from Figure 1, the holding device 34 and the ring magnet 36 arranged thereon rotate together with the rotor shaft 16, while the printed circuit board 38 with the coils 40 arranged thereon is stationary, so that when the rotor shaft 16 rotates, a relative movement between the ring magnet 36 and the coils 40 are formed.
In Figur 1 sind ferner ein Relaisträger 44 mit darin montierten Relais gezeigt, die mit Wicklungsenden 46 der Statorwicklungen 14 verbunden sind, um die Motorstromleitungen zu schalten bzw. zu unterbrechen.1 shows a relay carrier 44 with relays mounted therein, which are connected to winding ends 46 of the stator windings 14 in order to switch or interrupt the motor power lines.
Der in Figur 1 gezeigte Gleichstrommotor wird durch einen Gehäusedeckel 48 abgeschlossen, der integrierte Buchsen/Steckerbauteile 50 aufweist, die mit Signalleitungen 52 bzw. den Wicklungsenden 46 über eine Anschlußvorrichtung 54 verbunden sind.The DC motor shown in FIG. 1 is closed off by a housing cover 48 which has integrated sockets / plug components 50 which are connected to signal lines 52 or the winding ends 46 via a connecting device 54.
Die Leiterplatte 38, der Relaisträger 44 und der Gehäusedeckel 48 werden über eine Zentrumsschraube 56, geeignete Schappverbindungen und/oder Verkleben in ihrer Position gehalten.The circuit board 38, the relay carrier 44 and the housing cover 48 are held in their position by means of a center screw 56, suitable snap connections and / or gluing.
Wie erläutert, kann der erfindungsgemäße Tachogenerator auch mit anderen Arten von Gleichstrommotoren eingesetzt werden, wobei insbesondere die Gestaltung des Gehäuses und der Flansche sowie die Anordnung und Führung der verschiedenen elektrischen Komponenten auf jede dem Fachmann bekannte Weise gestaltet sein kann.As explained, the tachometer generator according to the invention can also be used with other types of DC motors, in particular the design of the housing and the flanges as well as the arrangement and guidance of the various electrical components can be designed in any way known to the person skilled in the art.
Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Tachogenerator mit weiteren Einzelheiten.Figure 2 shows a sectional view through the tachometer generator according to the invention with further details.
In Figur 2 sind der Flansch 26 mit den Lagern 30 und der darin geführten Welle 16 dargestellt auf der Welle 16 sitzt die Haltevorrichtung 34 des Tachogenerators, die den Magnetring 36 hält, der mit der Welle 16 drehfest verbunden ist und umläuft. Dem Magnetring 36 gegenüberliegend ist die Trägervorrichtung (Sensorplatine) 38 mit festen axialen Abstand, parallel zu dem Magnetring 36 in einem Abschnitt des Relaisträgers 44 gehalten. Der Fachmann kann andere Arten der Halterung der Sensorplatine 48 ortsfest zum Gehäuse des Gleichstrommotors 10, und ausgerichtet zu dem Magnetring 36 konzipieren.FIG. 2 shows the flange 26 with the bearings 30 and the shaft 16 guided therein. The holding device 34 of the tachometer generator sits on the shaft 16 and holds the magnetic ring 36, which is connected to the shaft 16 in a rotationally fixed manner and rotates. Opposite the magnetic ring 36, the carrier device (sensor board) 38 is held in a section of the relay carrier 44 at a fixed axial distance, parallel to the magnetic ring 36. The specialist can Conceive other ways of holding the sensor board 48 in a stationary manner with respect to the housing of the direct current motor 10 and aligned with the magnetic ring 36.
Auf der Sensorplatine 38 sind achsparallel zur Welle 16 des Motors, gleichmäßig um die Drehachse der Welle 16 verteilt, Spulen 40 angeordnet, die als Meßspulen zur Erfassung der Drehzahl der Welle 16 dienen. Innerhalb jeder Spule ist ein Hallsensor 62 zur Erfassung der Drehlage der Welle 16 angeordnet, wobei der Fachmann verstehen wird, daß auch eine andere Anzahl von Hallsensoren und eine andere Art der Drehlageerfassung gewählt werden können, z.B. mittels induktiver, optischer oder kapazitiver Sensoren.Coils 40 are arranged on the sensor board 38, axially parallel to the shaft 16 of the motor, uniformly distributed around the axis of rotation of the shaft 16, which serve as measuring coils for detecting the speed of the shaft 16. A Hall sensor 62 for detecting the rotational position of the shaft 16 is arranged within each coil, it being understood by those skilled in the art that a different number of Hall sensors and a different type of rotational position detection can also be selected, e.g. by means of inductive, optical or capacitive sensors.
Auf der von dem Magnetring 36 abgewandten Seite der Sensorplatine 38 ist der Eisenrückschluß 42 zum Schließen des Magnetkreises vorgesehen. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Eisenrückschluß gleichzeitig als Träger für die Sensorelektronik dienen, so daß keine gesonderte Platine vorgesehen werden muß.On the side of the sensor board 38 facing away from the magnetic ring 36, the iron yoke 42 is provided for closing the magnetic circuit. In another embodiment, the iron yoke can also serve as a carrier for the sensor electronics, so that no separate circuit board has to be provided.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf die Trägervorrichtung 38 mit vier darauf montierten Sensor- Spulen 40 des Tachogenerators gemäß der Erfindung. Diese Trägervorrichtung 38 ist insbesondere als eine gedruckte Schaltungsplatte ausgeführt, wobei auf einer Seite der gedruckten Schaltungsplatte Kontaktierungen 60 vorgesehen sind, die dazu dienen, die Signalleitungen 52 sowie Versorgungsleitungen mit den Spulen 40 und weiteren elektronischen Komponenten auf der Schaltungsplatte 38 zu verbinden. Die Trägervorrichtung kann auch aus einem flexiblen Schaltungsplattenmaterial (flex-circuit) oder jedem anderen geeigneten Substrat hergestellt sein, auf dem Spulen aufgebracht werden können.FIG. 3 shows a plan view of the carrier device 38 with four sensor coils 40 of the tachometer generator according to the invention mounted thereon. This carrier device 38 is designed in particular as a printed circuit board, contacts 60 being provided on one side of the printed circuit board, which contacts serve to connect the signal lines 52 and supply lines to the coils 40 and further electronic components on the circuit board 38. The carrier device can also be made of a flexible circuit board material (flex-circuit) or any other suitable substrate on which coils can be applied.
Bei der bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung wird jedoch eine einschichtige Leiterplatte 38 verwendet, auf deren dem Magnetring 36 zugewandten Seite die Spulen 40 angeordnet sind, und auf deren von dem Magnetring 36 abgewandten Rückseite das Eisenrückschlußteil 42 (in Figur 3 nicht gezeigt) angeordnet ist.In the preferred embodiment of the invention, however, a single-layer printed circuit board 38 is used, on the side facing the magnetic ring 36, the coils 40 are arranged, and on the rear side facing away from the magnetic ring 36, the iron yoke part 42 (not shown in FIG. 3) is arranged.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind vier gleichmäßig um den Umfang der Rotorwelle 16 angeordnete, zu dieser achsparallele gewickelte Spulen 40 vorgesehen, wobei jeweils zwei der Spulen 40 in Reihe geschaltet sind, so daß zwei drehzahlabhängige Signale erzeugt werden, wie weiter unten noch erläutert ist.In the preferred embodiment of the invention, four coils 40 are provided which are arranged uniformly around the circumference of the rotor shaft 16 and are axially parallel to the latter, wherein two of the coils 40 are connected in series, so that two speed-dependent signals are generated, as will be explained further below.
Die Spulen können aus einem sehr dünnen, hochkant gewickelten Flachdraht hergestellt und so gestaltet sein, wie sie beispielsweise als Antriebsspulen in Spindelmotoren für Festplattenlaufwerke verwendet werden. Bei der bevorzugten Ausführungsfoπn sind die Spulen aus einem dünnen, mit einem Isolationsmaterial beschichteten Runddraht oder Flachdraht, einem sogenannten Backlackdraht, gewickelt. Die Verwendung dieses Drahtes erlaubt es bei geringer Bauhöhe der Spulen und geringem Raumbedarf eine maximale Wicklungsanzahl zu realisieren, wobei jede Spule vorzugsweise wenigstens 150 Windungen aufweist, um ein möglichst hohes Ausgangssignal zu erzeugen. Die Verwendung von Backlackdraht hat den weiteren Vorteil, daß durch einfaches Erhitzen der fertig gewickelten Spule das den Draht umgebende Isolationsmaterial soweit verschmolzen werden kann, daß ein kompakter, stabiler Spulenring entsteht, der auch ohne Verwendung von Spulenkörpern leicht gehandhabt und montiert werden kann. Das Isolationsmaterial an den Wicklungsenden kann zum Anschließen der Spulen 40 leicht entfernt werden.The coils can be made from a very thin, upright wound flat wire and can be designed in the way they are used, for example, as drive coils in spindle motors for hard disk drives. In the preferred embodiment, the coils are wound from a thin round wire or flat wire coated with an insulation material, a so-called baked enamel wire. The use of this wire allows a maximum number of windings to be realized with a low overall height of the coils and small space requirements, each coil preferably having at least 150 turns in order to generate the highest possible output signal. The use of baked enamel wire has the further advantage that by simply heating the wound coil, the insulation material surrounding the wire can be melted to such an extent that a compact, stable coil ring is formed, which can be easily handled and assembled even without using coil formers. The insulation material on the winding ends can be easily removed to connect the coils 40.
Die äußere Kontur der flachen Spulen 40 ist im wesentlichen an die Form der wechselnd polarisierten Abschnitte des gegenüberliegenden Ringmagneten 42 angepaßt, wie sich aus einem Vergleich der Figuren 3 und 4 ergibt. Die Anpassung der Spulenform an die Gestalt der Magnetsegmente und das Vorsehen einer möglichst weiten Spulenöffnung dient der Erzeugung von trapezförmigen Spulensignalen, welche einen flachen Bereich sowie möglichst steile Flanken aufweisen, wie in Bezug auf Figur 6 noch näher erläutert ist.The outer contour of the flat coils 40 is essentially adapted to the shape of the alternately polarized sections of the opposing ring magnet 42, as can be seen from a comparison of FIGS. 3 and 4. The adaptation of the coil shape to the shape of the magnet segments and the provision of the largest possible coil opening serves to generate trapezoidal coil signals which have a flat area and steepest possible edges, as is explained in more detail with reference to FIG. 6.
Auf der Leiterplatte 38 können weitere Bauelemente angeordnet sein, wie Hallsensoren 62 zur Erzeugung eines Rotordrehlagesignals oder Widerstände und Kondensatoren (nicht gezeigt) zur Realisierung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, die mit bezug auf Figur 4 noch näher erläutert ist.Further components can be arranged on the printed circuit board 38, such as Hall sensors 62 for generating a rotor rotation position signal or resistors and capacitors (not shown) for realizing the circuit arrangement according to the invention, which is explained in more detail with reference to FIG. 4.
Die Leiterplatte 38 mit den Spulen 40 darauf ist, wie in Figur 1 und 2 gezeigt, der Haltevorrichtung 34 für den Ringmagneten 36 gegenüberliegend angeordnet. Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf die Haltevorrichtung 34, die in Form einer auf die Rotorwelle 16 aufgepreßten Ringscheibe ausgestaltet sein kann. Die Haltevorrichtung 34 trägt wenigstens einen Magnetring 36, der wechselnd polarisierte, gleichmäßig verteilte Segmente oder Magnetelemente 64, 66 aufweist. Bei der gezeigten Ausführungsform weist der Magentring 36 sechs (6) wechselnd polarisierte Magnetelemente 64, 66 auf, wobei andere Ausführungsformen eine andere Anzahl von Magnetpolen, insbesondere beispielsweise acht (8) Magnetpole aufweisen können.The printed circuit board 38 with the coils 40 thereon, as shown in FIGS. 1 and 2, is arranged opposite the holding device 34 for the ring magnet 36. FIG. 4 shows a top view of the holding device 34, which is pressed onto the rotor shaft 16 in the form of a Washer can be designed. The holding device 34 carries at least one magnetic ring 36 which has alternatingly polarized, evenly distributed segments or magnetic elements 64, 66. In the embodiment shown, the magnet ring 36 has six (6) alternately polarized magnetic elements 64, 66, although other embodiments may have a different number of magnetic poles, in particular for example eight (8) magnetic poles.
Wenn der erfindungsgemäße Tachogenerator mehr als eine Spule 40 bzw. ein in Reihe geschaltetes Spulenpaar aufweist, beruht ein wichtiger Aspekt der Erfindung auf der richtigen Zuordnung zwischen den Spulen 40 und den wechselnd magnetisierten Abschnitten des Magnetrings 36. Insbesondere sollten die Spulen 40 relativ zu dem Magnetring 36 so angeordnet sein, daß in einer gegebenen Relativposition jeweils eine der Spulen 40 ein Segment 64 oder 66 des Ringmagneten 36 vollständig überdeckt, während die benachbarte Spule 40 über einem Übergang zwischen wechselnd polarisierten Segmentes 64, 66 liegt. Dadurch wird erreicht, daß die mehreren Spulen oder in Reihe geschalteten Spulenpaare jeweils phasenverschobene Signale erzeugen, wobei bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Phasenverschiebung von 90° (elektrisch) gewählt wird, jedoch auch andere Phasenverschiebungen realisierbar sind.If the tachometer generator according to the invention has more than one coil 40 or a pair of coils connected in series, an important aspect of the invention is based on the correct assignment between the coils 40 and the alternately magnetized sections of the magnetic ring 36. In particular, the coils 40 should be relative to the magnetic ring 36 may be arranged so that in a given relative position one of the coils 40 completely covers a segment 64 or 66 of the ring magnet 36, while the adjacent coil 40 lies over a transition between alternately polarized segments 64, 66. It is thereby achieved that the plurality of coils or coil pairs connected in series each generate phase-shifted signals, a phase shift of 90 ° (electrical) being selected in a preferred embodiment of the invention, but other phase shifts can also be realized.
Figur 5 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer Schaltungsanordnung für einen Tachogenerator gemäß der Erfindung, wobei in Figur 5 der Fall dargestellt ist, daß das Signal von zwei Meßspulen 40 ausgewertet wird.FIG. 5 shows a simplified circuit diagram of a circuit arrangement for a tachometer generator according to the invention, the case being shown in FIG. 5 in which the signal is evaluated by two measuring coils 40.
Figur 5 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung zur Signalanhebung der von den Meßspulen 40 gelieferten Signale.FIG. 5 shows a circuit arrangement according to the invention for raising the signal of the signals supplied by the measuring coils 40.
Auf der linken Seite der Figur 5 sind die für den Gleichstrommotor vorgesehenen Sensoren dargestellt, nämlich zwei Spulen A und B, die jeweils aus zwei in Reihe geschalteten Spulen 40 gebildet sind, und einer der vier Hallsensoren 62, die wie in Figur 3 gezeigt auf der Sensorplatine 38 angeordnet sind. Die übrigen drei Hallsensoren sind in Figur 5 der Einfachheit halber nicht gezeigt, sie sind jedoch über entsprechende Schaltungsanordnungen mit der Auswerte- und Steuereinrichtung 78 verbunden. Die Meßspulen A und B, 40, liefern drehzahlabhängige, im wesentlichen trapezförmige Wechselsignale, deren Amplitude bzw. Amplitudendifferenz ausgewertet wird, um die Drehzahl des Gleichstrommotors zu erfassen.The sensors provided for the DC motor are shown on the left-hand side of FIG. 5, namely two coils A and B, each of which is formed from two coils 40 connected in series, and one of the four Hall sensors 62, which are shown on FIG Sensor board 38 are arranged. The remaining three Hall sensors are not shown in FIG. 5 for the sake of simplicity, but they are connected to the evaluation and control device 78 via corresponding circuit arrangements. The measuring coils A and B, 40, deliver speed-dependent, essentially trapezoidal alternating signals, the amplitude or difference in amplitude of which is evaluated in order to detect the speed of the DC motor.
Der Hallsensor 62 ist bei einer bevorzugten Ausführungsform durch einen Hall-IC mit einer Hallplatte 62 und einem Ausgangsverstärker 80, z.B. einem MOSFET-Verstärker, realisiert. Er erzeugt ein digitales Ausgangssignal , das ein Abbild der Nord/Süd-Pole des rotierenden Ringmagneten 36 in Form einer Sprungfunktion ist. Über die Kontaktierungen 60 und eine Filterschaltung 82 werden die Ausgangssignale der Hallsensoren 62 zu der Auswerte- und Steuereinrichtung 78 übergeben.The Hall sensor 62 is in a preferred embodiment by a Hall IC with a Hall plate 62 and an output amplifier 80, e.g. a MOSFET amplifier. It generates a digital output signal, which is an image of the north / south poles of the rotating ring magnet 36 in the form of a step function. The output signals of the Hall sensors 62 are transmitted to the evaluation and control device 78 via the contacts 60 and a filter circuit 82.
Wie weiter unten mit Bezug auf Figur 6 noch näher erläutert wird, kann aus den Ausgangssignalen der Hallsensoren die Winkellage der Rotorwelle 16 abgeleitet werden. Um die Winkellage mit einer gewünschten Auflösung zu erfassen, werden mehrere Hallsensoren um 90 oder 120 Grad (elektrisch) versetzt angeordnet.As will be explained in more detail below with reference to FIG. 6, the angular position of the rotor shaft 16 can be derived from the output signals of the Hall sensors. In order to record the angular position with a desired resolution, several Hall sensors are arranged offset by 90 or 120 degrees (electrically).
Jeder Spule A und B, 40, ist ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen 70, 72 und ein Filterkondensator 76 zugeordnet. Die Ausgangssignale der Spannungsteiler werden an einen Analog/Digital- Wandler 74 angelegt, der mit einer Auswerte- und Steuereinrichtung 78 gekoppelt ist. Der Analog/Digital- Wandler 74 und die Auswerte- und Steuereinrichtung 78 können Teil eines Mikroprozessors 84 sein.Each coil A and B, 40, is assigned a voltage divider consisting of two resistors 70, 72 and a filter capacitor 76. The output signals of the voltage dividers are applied to an analog / digital converter 74, which is coupled to an evaluation and control device 78. The analog / digital converter 74 and the evaluation and control device 78 can be part of a microprocessor 84.
Die Spannungsteilerwiderstände 70, 72 sind zwischen einer Versorgungsspannung Vcc von beispielsweise 5 V und der Meßspule 40 angeschlossen, wobei die Spule an ihrem anderen Ende mit einem Bezugspotential, z.B. Masse, verbunden ist. In der Spule 40 wird durch die relative Drehung zwischen der Spule 40 und dem Ringmagneten 36 eine Wechselspannung induziert, die zwischen einem Wert +V _maχ und -VL_max schwankt. Sowohl die Frequenz als auch die Amplitude der in der Spule 40 induzierten Spannung sind proportional zur Drehzahl der Rotorwelle 16, wobei bei dem erfindungsgemäßen Tachogenerator die Amplituden +V _maχ ; -VL max, bzw. die Amplitudendifferenz, ausgewertet werden. Bei Verwendung von gewickelten Spulen mit ausreichend hoher Wicklungszahl wird in den Spulen 40 ein Signal mit ausreichend hohem Spannungsausschlag und Strom erzeugt, das ohne Zwischenschaltung eines weitere Verstärkungselements, wie eines Operationsverstärkers, in einem Analog/Digital- Wandler 74 verarbeitet werden kann. Die Vermeidung empfindlicher Bauteile, wie Operationsverstärker, ist insbesondere für die beabsichtigte Anwendung des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors im Automobilbereich vorteilhaft.The voltage divider resistors 70, 72 are connected between a supply voltage Vcc of, for example, 5 V and the measuring coil 40, the coil at its other end being connected to a reference potential, for example ground. In the coil 40 an alternating voltage is induced by the relative rotation between the coil 40 and the ring magnet 36, which fluctuates between a value + V _ ma χ and -VL_ m ax. Both the frequency and the amplitude of the voltage induced in the coil 40 are proportional to the speed of the rotor shaft 16, the amplitudes + V _ ma χ; -VL max, or the amplitude difference, are evaluated. When using wound coils with a sufficiently high number of turns, a signal with a sufficiently high voltage swing and current is generated in the coils 40, which signal can be processed in an analog / digital converter 74 without the interposition of a further amplification element, such as an operational amplifier. Avoiding sensitive components, such as operational amplifiers, is particularly advantageous for the intended use of the DC motor according to the invention in the automotive sector.
Bei der Auswertung der in der Spule 40 induzierten Spannung besteht die Schwierigkeit, daß das in der Spule 40 induzierte Spannungssignal eine Wechselspannung, beispielsweise mit einem Spannungsausschlag von +/- 4 V, ist, die in einem üblichen Analog/Digital- Wandler nicht ausgewertet werden kann.When evaluating the voltage induced in the coil 40, there is the difficulty that the voltage signal induced in the coil 40 is an alternating voltage, for example with a voltage swing of +/- 4 V, which are not evaluated in a conventional analog / digital converter can.
Die Erfindung schlägt daher eine Schaltungsanordnung in Form des Spannungsteilers 70, 72 vor, der das in der Spule 40 induzierte Signal halbiert und ihm eine Gleichspannung überlagert, die der halben Versorgungsspannung Vcc entspricht. An dem Knotenpunkt zwischen den Widerständen 70, 72 tritt somit eine Spannung auf, die der halben in der Spule 40 induzierten Spannung entspricht, die um l Vcc angehoben wurde.The invention therefore proposes a circuit arrangement in the form of the voltage divider 70, 72, which halves the signal induced in the coil 40 and superimposes it on a DC voltage which corresponds to half the supply voltage Vcc. A voltage corresponding to half the voltage induced in the coil 40, which has been raised by 1 Vcc, thus occurs at the node between the resistors 70, 72.
In einer bevorzugten Realisierungsform beträgt die Versorgungsspannung Vcc beispielsweise + 5 V, so daß der in der Spule 40 induzierten Spannung eine Gleichspannung von + 2,5 V überlagert wird. Dadurch liegt an dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers 74 ein drehzahlproportionales Signal an, das in einem Bereich von + 0,5 V bis + 4,5 V variiert.In a preferred embodiment, the supply voltage Vcc is, for example, + 5 V, so that a DC voltage of + 2.5 V is superimposed on the voltage induced in the coil 40. As a result, a speed-proportional signal is present at the input of the analog / digital converter 74 and varies in a range from + 0.5 V to + 4.5 V.
Die in Figur 5 gezeigte Schaltungsanordnung sieht zusätzlich den Kondensator 76 zur Entstörung des in der Spule 40 induzierten, spannungsangehobenen Signals vor. Anstelle des Kondensators 76 kann der Fachmann jedes andere geeignete Entstörfilter vorsehen.The circuit arrangement shown in FIG. 5 additionally provides the capacitor 76 for suppressing the voltage-raised signal induced in the coil 40. Instead of the capacitor 76, the person skilled in the art can provide any other suitable interference filter.
Figur 6 zeigt das drehzahlabhängige Ausgangssignal von jeweils zwei in Reihe geschalteten Spulenpaaren 40, die mit Spule A bzw. Spule B bezeichnet sind, sowie die spannungsver- schobenen und überlagerten Ausgangssignale der beiden Spulenpaare, die mit Tacho A, B bezeichnet sind. In Figur 6 sind die Spulensignale in vier Abschnitte aufgeteilt, welche mit 1 , 2, 3, 4 bezeichnet sind, wobei jeder Abschnitt dem Teil der Signalkurve von Spule A oder Spule B entspricht, in dem der Kurvenverlauf flach und somit für die Auswertung der Amplitude ideal ist. Da der Signalverlauf abhängig von dem momentanen Drehwinkel ist, sieht die Erfindung die Erfassung der Drehlage der Rotorwelle 16 vor, um zu bestimmen, welcher Abschnitt der Signalkurve zur Auswertung der Amplitude verwendet werden soll.FIG. 6 shows the speed-dependent output signal of two coil pairs 40, which are connected in series, which are labeled coil A and coil B, as well as the voltage-shifted and superimposed output signals of the two coil pairs, which are labeled Tacho A, B. In Figure 6, the coil signals are divided into four sections, designated 1, 2, 3, 4, each section being part of the signal curve of coil A or Corresponds to coil B, in which the curve is flat and is therefore ideal for evaluating the amplitude. Since the signal curve is dependent on the current angle of rotation, the invention provides for the detection of the rotational position of the rotor shaft 16 in order to determine which section of the signal curve is to be used for evaluating the amplitude.
Zur Erfassung der Drehlage sind die in Figur 3 dargestellten Hallsensoren HA, HB, HC und HD, 62, vorgesehen. Die Hallsensoren HC und HD sind um 90 Grad (elektrisch) phasenversetzt. Abhängig von dem Ausgangssignal dieser Hallsensoren HC, HD wird ermittelt, welcher Signalverlauf der für die Auswertung der Amplitude gültige ist. Abhängig von den Ausgangssignalen der Hallsensoren 62 steuert die Auswerte- und Steuereinrichtung 78 den Ana- log/Digital-Wandler 74 an, um das Ausgangssignal der Spule A oder der Spule B, bzw. des Spulenpaares, weiter zu verarbeiten. Die gültigen Signalabschnitte für die Auswertung der Amplitude der Spulensignale ergeben sich wie folgt:The Hall sensors HA, HB, HC and HD, 62 shown in FIG. 3 are provided for detecting the rotational position. The Hall sensors HC and HD are 90 degrees (electrically) out of phase. Depending on the output signal of these Hall sensors HC, HD, it is determined which signal curve is the one valid for the evaluation of the amplitude. Depending on the output signals of the Hall sensors 62, the evaluation and control device 78 controls the analog / digital converter 74 in order to further process the output signal of the coil A or the coil B or the pair of coils. The valid signal sections for evaluating the amplitude of the coil signals are as follows:
Abschnitt 1 (Spule A) = HD n HC Abschnitt 2 (Spule B) = HD n HC Abschnitt 3 (Spule 1) = HC D HD Abschnitt 4 (Spule B) = HC n HD.Section 1 (coil A) = HD n HC Section 2 (coil B) = HD n HC Section 3 (coil 1) = HC D HD Section 4 (coil B) = HC n HD.
In der Praxis dienen die Hallsensoren auch zur Erfassung der Drehlage der Rotorwelle 16 zur Ansteuerung der Endstufentransistoren der Wicklungsphasen. Hierzu sind die Hallsensoren HA, HB und HC um 120 Grad (elektrisch) phasenversetzt angeordnet, wobei sich dann folgende Bedingungen für die Ansteuerung der Phasen U, V, W des Gleichstrommotors ergibt:In practice, the Hall sensors are also used to detect the rotational position of the rotor shaft 16 to control the output stage transistors of the winding phases. For this purpose, the Hall sensors HA, HB and HC are arranged out of phase by 120 degrees (electrically), the following conditions then resulting for the control of the phases U, V, W of the direct current motor:
Phase U = HA n HB Phase V = HBH HC Phase W = HC fl HA Der Fachmann wird verstehen, daß jede andere Art von Drehlagesensor zur Bestimmung des Drehwinkels der Rotorwelle 16 verwendet werden kann, um die geeigneten Abschnitte der Spulensignale für die Auswertung der Signalamplituden und somit der Drehzahl der Rotorwelle 16 zu ermitteln.Phase U = HA n HB Phase V = HBH HC Phase W = HC fl HA Those skilled in the art will understand that any other type of rotational position sensor can be used to determine the angle of rotation of the rotor shaft 16 in order to determine the appropriate sections of the coil signals for evaluating the signal amplitudes and thus the speed of the rotor shaft 16.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Spulen 40 relativ zu den Polabschnitten 64, 66 des Magnetrings 36 vorzugsweise so versetzt angeordnet, daß sich eine Signalverschiebung von 90° (elektrisch) zwischen den in den Spulenpaaren induzierten Signalen A und B ergibt. Dadurch entstehen, wie in dem überlagerten Signal Tacho A, B gezeigt, sich überlappende flache Bereiche des Signalverlaufs, die abhängig von der Drehlage der Rotorwelle 16 so ausgewertet werden können, daß die Amplitude immer im flachen Bereich eines Spulensignals erfaßt wird. Die Drehlage kann, wie oben erwähnt, mit optischen, magnetischen, induktiven oder anderen geeigneten Sensoren erfaßt werden.In the preferred embodiment of the invention, the coils 40 are preferably offset relative to the pole sections 64, 66 of the magnetic ring 36 such that there is a signal shift of 90 ° (electrical) between the signals A and B induced in the coil pairs. As a result, as shown in the superimposed signal Tacho A, B, overlapping flat areas of the signal curve arise which, depending on the rotational position of the rotor shaft 16, can be evaluated such that the amplitude is always detected in the flat area of a coil signal. As mentioned above, the rotational position can be detected with optical, magnetic, inductive or other suitable sensors.
Mit dem erfindungsgemäßen Tachogenerator wurde eine konstruktiv einfache Lösung zur Erzeugung eines drehzahlabhängigen Signals mit hoher Ausgangsamplitude gefunden, die sehr störsicher ist und auch unter den extremen Einsatzbedingungen im Automobilbereich zuverlässig arbeitet. In der Nähe des Gleichstrommotors müssen lediglich die Spulen, der Spannungsteiler 70, 72 der Schaltungsanordnung und das Funkentstörfilter 76 vorgesehen werden, die sämtlich aus unempfindlichen, passiven Elementen aufgebaut werden können. Empfindliche elektronische Bauteile sind nicht notwendig und können außerhalb des Gleichstrommotors vorgesehen werden. Durch die Signalanhebung ist es möglich, einfache Standardbauteile für die Digital/ Analog- Wandlung zu verwenden, wobei der Einsatz gewickelter Spulen mit einer ausreichenden Windungszahl eine genügend große Signalamplitude sicherstellt.With the tachometer generator according to the invention, a structurally simple solution for generating a speed-dependent signal with a high output amplitude has been found, which is very interference-free and also works reliably under the extreme conditions of use in the automotive field. Only the coils, the voltage divider 70, 72 of the circuit arrangement and the radio interference filter 76 need to be provided in the vicinity of the DC motor, all of which can be constructed from insensitive, passive elements. Sensitive electronic components are not necessary and can be provided outside of the DC motor. The signal increase makes it possible to use simple standard components for digital / analog conversion, the use of wound coils with a sufficient number of turns ensuring a sufficiently large signal amplitude.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein. The features disclosed in the above description, the figures and the claims can be important both individually and in any combination for the implementation of the invention in the various configurations.

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. Vorrichtung zur Erzeugung eines drehzahlabhängigen Signals, mit mehreren Magnetelementen (64, 66) wechselnder Polarität, die um den Umfang einer Welle (16) verteilt angeordnet sind, und wenigstens einer achsparallelen Spule (40), die mit axialem Abstand zu den Magnetelementen (64, 66) auf einer Trägervorrichtung (38) angeordnet ist, wobei die Magnetelemente (64, 66) und die Spule (40) einander räumlich zugeordnet und mit der Drehung der Welle (16) relativ zueinander verdrehbar sind, um in der Spule (40) ein drehzahlabhängiges Signal zu induzieren, und mit einer Schaltungsanordnung (70, 72), welche das in der Spule (40) induzierte Signal empfängt und dem Signal eine Gleichspannung überlagert, um ein spannungsverschobenes Signal zu erzeugen.1. Device for generating a speed-dependent signal, with a plurality of magnetic elements (64, 66) of alternating polarity, which are arranged distributed around the circumference of a shaft (16), and at least one axially parallel coil (40), which is at an axial distance from the magnetic elements ( 64, 66) is arranged on a carrier device (38), the magnetic elements (64, 66) and the coil (40) being spatially assigned to one another and being rotatable relative to one another with the rotation of the shaft (16) in order to in the coil (40 ) to induce a speed-dependent signal, and with a circuit arrangement (70, 72) which receives the signal induced in the coil (40) and superimposes a DC voltage on the signal in order to generate a voltage-shifted signal.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Gleichspannungsversorgung (Vcc), die eine positive Gleichspannung liefert, um das drehzahlabhängige Signal auf ein positives Potential anzuheben.2. Device according to claim 1, characterized by a DC voltage supply (V CC ), which supplies a positive DC voltage in order to raise the speed-dependent signal to a positive potential.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung einen Spannungsteiler (70, 72) aufweist, der an einem Anschluß mit der Spule (40) und an einem anderen Anschluß mit der Gleichspannung (Vcc) verbunden ist, wobei an einem Mittenabgriff des Spannungsteilers (70, 72) das spannungsverschobene Signal auftritt.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the circuit arrangement has a voltage divider (70, 72) which is connected at one connection to the coil (40) and at another connection to the DC voltage (V cc ), wherein the voltage-shifted signal occurs at a center tap of the voltage divider (70, 72).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler zwei in Reihe geschaltete Widerstände (70, 72) aufweist, deren Verbindungsknoten den Mittenabgriff des Spannungsteilers bildet, und die Spule (40) mit einem Bezugspotential verbunden ist.4. The device according to claim 3, characterized in that the voltage divider has two resistors (70, 72) connected in series, the connection node forms the center tap of the voltage divider, and the coil (40) is connected to a reference potential.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Entstörfilter (76) zwischen den Mittenabgriff und das Bezugspotential geschaltet ist.5. The device according to claim 4, characterized in that an interference filter (76) is connected between the center tap and the reference potential.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Analog-Digital-Wandler (74), der das spannungsverschobene Signal auswertet. 6. Device according to one of the preceding claims, characterized by an analog-digital converter (74) which evaluates the voltage-shifted signal.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei, insbesondere vier oder sechs Spulen (40) vorgesehen sind, die um den Umfang der Welle (16) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least two, in particular four or six coils (40) are provided, which are arranged uniformly distributed around the circumference of the shaft (16).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerade Anzahl von Spulen (40) vorgesehen ist, wobei jeweils zwei Spulen (40) in Reihe geschaltet und mit einer Signalverschiebungsschaltung (70, 72) verbunden sind.8. The device according to claim 7, characterized in that an even number of coils (40) is provided, with two coils (40) connected in series and connected to a signal shift circuit (70, 72).
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (40) gewickelte Spulen sind.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the coils (40) are wound coils.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (40) Flachspulen sind.10. The device according to claim 9, characterized in that the coils (40) are flat coils.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (40) aus einem dünnen Flachdraht hochkant gewickelt sind.11. The device according to claim 9 or 10, characterized in that the coils (40) are wound upright from a thin flat wire.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (40) aus einem dünnen, mit einem Isolationsmaterial beschichteten Draht, insbesondere einem Backlackdraht, gewickelt sind, wobei das Isolationsmaterial an den Wicklungsenden zum Anschließen der Spulen (40) entfernt ist.12. The apparatus according to claim 9, 10 or 11, characterized in that the coils (40) are wound from a thin wire coated with an insulation material, in particular a baked enamel wire, the insulation material at the winding ends for connecting the coils (40) is removed.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (40) wenigstens 150 Windungen aufweisen.13. Device according to one of claims 9 to 12, characterized in that the coils (40) have at least 150 turns.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (40) auf einen Spulenkörper gewickelt sind.14. Device according to one of claims 9 to 13, characterized in that the coils (40) are wound on a bobbin.
15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Spulen (40) ein magnetisches Rückschlußelement (42) zugeordnet ist.15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the coils (40) is associated with a magnetic yoke element (42).
16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägervorrichtung (38) eine starre und/oder flexible Leiterplatte aufweist.16. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier device (38) has a rigid and / or flexible printed circuit board.
17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetelemente (64, 66) in Form eines Magnetringes (36) realisiert sind, der wechselnd polarisierte Abschnitte aufweist.17. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic elements (64, 66) are realized in the form of a magnetic ring (36) which has alternately polarized sections.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetring (36) vier bis zwölf, insbesondere sechs wechselnd polarisierte Abschnitte (64, 66) aufweist. 18. The apparatus according to claim 17, characterized in that the magnetic ring (36) has four to twelve, in particular six alternately polarized sections (64, 66).
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (40) in Form von Flachspulen realisiert sind, deren Umfangskontur an die Gestalt der Magnetringabschnitte (64, 66) angepaßt ist.19. The apparatus of claim 17 or 18, characterized in that the coils (40) are realized in the form of flat coils, the circumferential contour of which is adapted to the shape of the magnetic ring sections (64, 66).
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (40) jeweils zwei radiale Abschnitte aufweisen, die sich radial zu der Welle (16) erstrecken, sowie zwei Umfangsabschnitte, welche die radialen Abschnitte an ihren inneren und äußeren Enden verbinden.20. The apparatus according to claim 19, characterized in that the coils (40) each have two radial sections which extend radially to the shaft (16) and two peripheral sections which connect the radial sections at their inner and outer ends.
21. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (40) auf einer Oberfläche der Trägervorrichtung (38) angebracht sind, die den Magnetelementen zugewandt ist.21. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the coils (40) are attached to a surface of the carrier device (38) which faces the magnetic elements.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß auf der den Spulen (40) gegenüberliegenden Seite der Trägervorrichtung (38) jeweils ein den Spulen (40) zugeordnetes Eisenrückschlußelement (42) vorgesehen ist.22. The apparatus according to claim 21, characterized in that on the coils (40) opposite side of the carrier device (38) each one of the coils (40) associated iron yoke element (42) is provided.
23. Vorrichtung nach Anspruch 7 und einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Auswerte- und Steuereinrichtung (78) zur Auswertung der drehzahlabhängigen Signale.23. The device according to claim 7 and one of the preceding claims, characterized by an evaluation and control device (78) for evaluating the speed-dependent signals.
24. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehlagesensor vorgesehen ist, der die Drehlage einer Rotorwelle (16) erfaßt, und die Auswerte- und Steuereinrichtung (78) abhängig von der erfaßten Drehlage entscheidet, welche Halbwelle des drehzahlabhängigen Signals welcher Spule (40) zur Drehzahlbestimmung ausgeweitet wird.24. The device according to claim 24, characterized in that a rotational position sensor is provided which detects the rotational position of a rotor shaft (16), and the evaluation and control device (78) decides depending on the detected rotational position, which half-wave of the speed-dependent signal of which coil ( 40) is expanded to determine the speed.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehlagesensor ein optischer, induktiver oder magnetischer Sensor ist.25. The device according to claim 24, characterized in that the rotational position sensor is an optical, inductive or magnetic sensor.
26. Verfahren zur Erzeugung eines drehzahlabhängigen Signals in einem Elektromotor (10), der eine Mehrzahl von Magnetelementen (64, 66) wechselnder Polarität aufweist, die um den Umfang einer Rotorwelle (16) verteilt angeordnet sind, sowie wenigstens eine achsparallele Spule (40), die auf einer Trägervorrichtung (38) mit axialem Abstand zu den Magnetelementen (64, 66) angeordnet ist, wobei die Magnetelemente (64, 66) und die Spule (40) einander räumlich zugeordnet und mit der Drehung der Welle (16) relativ zueinander verdrehbar sind, bei dem: durch die Drehung der Rotorwelle (16) in der Spule (40) ein drehzahlabhängiges Signal induziert wird, und dem drehzahlabhängigen Signal eine Gleichspannung (1/2 Vcc) überlagert wird, um ein spannungsverschobenes Signal zu erzeugen.26. A method for generating a speed-dependent signal in an electric motor (10), which has a plurality of magnetic elements (64, 66) of alternating polarity, which are distributed around the circumference of a rotor shaft (16), and at least one axially parallel coil (40) which is arranged on a carrier device (38) at an axial distance from the magnetic elements (64, 66), the magnetic elements (64, 66) and the coil (40) being spatially assigned to one another and with the rotation of the shaft (16) relative to one another are rotatable, in which: a speed-dependent signal is generated by the rotation of the rotor shaft (16) in the coil (40) is induced, and a DC voltage (1/2 V cc ) is superimposed on the speed-dependent signal in order to generate a voltage-shifted signal.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das drehzahlabhängige Signal eine regelmäßige Wechselspannung ist.27. The method according to claim 26, characterized in that the speed-dependent signal is a regular AC voltage.
28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung positiv ist.28. The method according to claim 26 or 27, characterized in that the DC voltage is positive.
29. Verfahren nach Anspruch 26,27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des verschobenen Signals ausgewertet wird, um die Drehzahl der Rotorwelle (16) zu bestimmen.29. The method according to claim 26, 27 or 28, characterized in that the amplitude of the shifted signal is evaluated in order to determine the speed of the rotor shaft (16).
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehlage der Rotorwelle erfaßt wird und abhängig von der erfaßten Drehlage die Amplitude des drehzahlabhängigen Signals ausgewertet wird.30. The method according to claim 29, characterized in that the rotational position of the rotor shaft is detected and depending on the detected rotational position, the amplitude of the speed-dependent signal is evaluated.
31. Elektronisch kommutierter Gleichstrommotor mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25. 31. Electronically commutated DC motor with a device according to one of claims 1 to 25.
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