EP2255432A1 - Elektrische maschine mit einem rotor, sowie verfahren zum betreiben der elektrischen maschine - Google Patents

Elektrische maschine mit einem rotor, sowie verfahren zum betreiben der elektrischen maschine

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Publication number
EP2255432A1
EP2255432A1 EP09719683A EP09719683A EP2255432A1 EP 2255432 A1 EP2255432 A1 EP 2255432A1 EP 09719683 A EP09719683 A EP 09719683A EP 09719683 A EP09719683 A EP 09719683A EP 2255432 A1 EP2255432 A1 EP 2255432A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
electrical machine
radius
conductor loops
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09719683A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Faber
Gerald Roos
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2255432A1 publication Critical patent/EP2255432A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/66—Structural association with auxiliary electric devices influencing the characteristic of, or controlling, the machine, e.g. with impedances or switches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/40—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the arrangement of the magnet circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/26—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the armature windings
    • H02K23/30—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the armature windings having lap or loop windings

Definitions

  • Electric machine with a rotor and method for operating the electric machine
  • the invention relates to an electric machine with a rotor, and a method for operating the electric machine according to the preamble of the independent claims.
  • EP 0 917 755 B1 discloses a commutation device of a direct-current motor in which brushes rest against a contact surface of lamellae of a commutator.
  • an electronic circuit detects the frequency of the ripple of the motor current in order to determine a measure of the rotational speed of the electric motor.
  • the edges of the commutator blades on a certain angle to the longitudinal axis of the commutator, or to the edges of the brushes are very expensive to produce and offers no possibility to produce a frequency of the ripple, which is smaller than the groove frequency.
  • the alternating component of the current signal for speed detection is evaluated.
  • the ripple of this signal is generated by several causes. A big part of the ripple has the
  • the current signal indicates the number of slots and their multiples.
  • the order of the smallest common multiple of number of slots and number of magnet poles usually dominates.
  • This ripple is caused in the lower speed range (lower speeds) and under heavy load by the variation of the armature resistance about the commutation. Near the idle speed and low current, the ripple is generated by the variation of the induced voltage caused by the coil windings in the magnetic field.
  • the ripple in the time course of the current signal is caused by both effects. Both effects can be out of phase with each other and eliminate each other at different operating points, so that the groove order and their multiples in the course of the current on the motor characteristic vary significantly and can disappear.
  • a method for operating such a machine with the features of the independent claims have the advantage that a predetermined torque ripple can be selectively generated by the formation of a variable radius over the circumference of the rotor.
  • This torque ripple generated by the variation of the rotor diameter can be made to be in phase with a torque ripple caused by the configuration of the coils of the rotor winding.
  • the modulation of the radius can be generated by varying the radial length of the rotor webs.
  • two adjacent - rotor bars in the range of 0.05 to 0.2 mm is particularly advantageous.
  • the rotor is made of individual magnetically conductive laminations, which are connected to each other axially.
  • the lamellar plates, in particular with the rotor blades of different lengths, can be inexpensively formed as stamped parts.
  • the electric machine is formed with a two- or four-pole stator, wherein the rotor has, for example, 8, 10, 14 or 18 rotor bars with the same number of rotor grooves located therebetween.
  • a commutator On the rotor, a commutator is arranged, which is connected to the individual coils of the electrical winding. At the commutator are two or more
  • the number of individual conductor loops of the various coils is preferably sinusoidally varied via the commutation circulation. In combination with the preferably sinusoidal variation of the rotor radius over its circumference, the torque ripple can be minimized.
  • the modulation of the rotor radius is advantageously formed in phase with the variation of the number of individual conductor loops of the coils.
  • the method according to the invention for operating the electric machine is preferably used for the formation of an anti-jamming function in which it is intended to prevent jamming of obstacles between a part to be adjusted and a fixed stop.
  • at least one parameter characteristic of the anti-trap system is determined from the variable motor current signal, which is used to detect a
  • Pinching event is compared with a limit value.
  • Figure 1 a first embodiment of a rotor according to the invention with a schematic representation of the change of the rotor radius
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of an electrical machine together with a schematic number of conductor loops.
  • FIG. 1 shows a rotor 18 of an electric machine 12, which is designed, for example, as a DC motor 14.
  • the rotor 18 has a rotor shaft 16 on which an armature 19 is rotatably mounted, which is formed for example as a disk pack 26, which consists of individual axially joined lamellae 27 consists.
  • the rotor 18 has a radius 62 extending from an axis 17 of the rotor shaft 16 to an outer peripheral surface 64 of the rotor 18.
  • FIG. 1 shows, in the alternative, a peripheral circle 66 which has a radius 67 which corresponds to a maximum radius 68 of the rotor 18.
  • the radius 62 is over the circumference of the
  • Rotor 18 is not constant, but varies over the circumference, so that there is a variable length difference 70 of the radius 62.
  • the variation of this length difference 70 is preferably sinusoidal or cosinusoidal over the circumference of the rotor 18.
  • a maximum 72 of the radius 62 results at 0 ° and 180 ° and a minimum 73 of the radius 62 at 90 ° and 270 °.
  • Such a variation of the radius 62 with two maxima 72 is preferred for an electric machine 12 used with two magnetic poles 32 of a stator 34.
  • the rotor 18 has radially extending rotor webs 76, between which grooves 24 for winding coils 30 are arranged.
  • the rotor webs 76 have, for example, at their radially outer end pole pieces 78, the radially outer surface 79 of the peripheral surface 64 of the rotor 18 form.
  • the rotor webs 76 have a different radial length 77 whose difference corresponds to the length difference 70 of the modulation of the radius 62.
  • the third rotor bar 81 has the same length 77 as the fourth rotor bar 82, both of which are arranged symmetrically to the minimum 73 of the radius modulation at 90 °.
  • the variation of the radius 62 over the circumference of the rotor 18 may be continuous, or in discrete steps corresponding to the number of rotor bars 76.
  • the rotor 18 is shown in a coordinate system, resulting in, for example, a radius 62 of 14 mm (0.014 m).
  • the total variation of the radius 62 is preferably between 0.05 and 0.2 mm, wherein the magnitude of the length difference 70 of two adjacent rotor bars 76 in the illustrated ten rotor bars 76 in Figure 1 is about 0.05 mm.
  • the magnitude of the length difference 70 of two adjacent rotor bars 76 in the illustrated ten rotor bars 76 in Figure 1 is about 0.05 mm.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment, in which the electric machine 12 has a stator 34 with a magnetic ring 46 which has four magnetic poles 32 with a pole pitch angle 50 of approximately 90 °.
  • the magnetic ring 46 is formed for example as a closed circumferential ring, so that the individual magnetic poles 32 seamlessly merge into one another.
  • the rotor 18 is arranged with a gap 35 to the stator 34, which is for example 0.3 to 0.6 mm.
  • a commutator 20 is arranged, on which according to the number of magnetic poles 32 as many brush 28 (for example, four) abut.
  • the sinusoidal change in the number of conductor loops in the order of the successively commutated coils 30 is shown schematically in the lower half of the figure.
  • the number of conductor loops 36 per coil 30 varies between 10 and 13, with each successively commutated coil 30 being changed by only one conductor loop 36.
  • a commutation phase extends over seven commutation states, which together form one period of the sine curve 60.
  • the sequence of successively commutated coils 30 according to the sinusoid 60 in this case is not coincident with the sequence of coils 30 with respect to the circumference of the rotor 18.
  • the coils 30 are each formed in this embodiment as two symmetrical coil sections 29 which mirror each other geometrically parallel to each other are arranged to an imaginary plane through the rotor axis 17.
  • the two coil sections 29 are also electrically connected in parallel and connected to the same commutator bars 22, so that the two coil sections 29 together with respect to the magnetic poles 32 of the stator 34 as a single coil 30 act.
  • a concrete coil 53 in which the first sub-coil 29 is wound between the first and fourth groove 24 in a clockwise direction, and the second sub-coil 29 is wound between the eighth and the eleventh groove 24.
  • This consists of two partial coils 29
  • existing coil 53 has thirteen conductor loops 36 each.
  • the clockwise successive coils 30 of the rotor 18 each consist of 11, 10, 12, 12, 10, 11 conductor loops 36.
  • the commutator 20 has fourteen commutator bars 22 which are connected to the seven coils 30 - consisting of fourteen partial coils
  • the radius 62 of the rotor 18 also has four maxima 72 (0 °, 90 °, 180 °, 270 °) and four minima 73 (45 °, 135 °, 225 °).
  • the modulation of the radius 62 is in turn approximately sinusoidal, such that it acts in phase reversal to the approximately sinusoidal change in the number of conductor loops of the coils 30 in Kommutatorab shadow.
  • the differences in length 70 of the individual rotor webs 76 essentially correlate to the illustrated sinusoid 60 of the change in the number of conductor loops 36.
  • the rotor webs 76 with the pole shoes 78 are shaped in such a way that the coils 30 can be wound directly onto the grooves 24 of the rotor 18.
  • the motor current signal flowing through the brushes 28 and the commutator 20 is evaluated with respect to its ripple, and from this a signal is obtained, which determines the rotational speed or
  • Period duration of the rotor rotation represents.
  • the motor current signal is supplied to an electronic unit 40, which has an anti-pinch function 44.
  • this is the speed representing
  • the measured values which are preferably read in at the frequency of the current ripple according to the invention, are compared with one another in order to detect a drop in rotational speed.
  • the speed representing the speed Signal or its change compared with a predetermined value, so that a certain threshold for a closing force or a spring rate can be adjusted.
  • the rotor 18 can be composed of individual stamped sheets or made in one piece, wherein the radius 62 can be changed over the circumference continuously or in discrete steps.
  • Formation of the magnetic poles 32, the rotor webs 76 and the grooves 24 can be adapted to the particular application, in particular the respective power requirement.
  • the electric machine 12 may also be designed as an external rotor.
  • the winding method of the coils 30 can be varied, for example, single-tooth windings are used, the number of conductor loops is modulated according to the invention. Accordingly, then the modulation of the radius 62 is adjusted over the circumference to compensate for the torque ripple.
  • the electric machine 12 is preferably used for actuators in the motor vehicle, for example for the adjustment of seat parts, windows and covers of openings- is not limited to such applications.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)
  • Dc Machiner (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrische Maschine (12), insbesondere zum motorischen Verstellen eines beweglichen Teils im Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zum betreiben einer solchen Maschine, mit einem Stator (34) und einem einen Radius (62) aufweisendem Rotor (18), wobei der Radius (62) über den Umfang des Rotors (18) variiert.

Description

Beschreibung
Titel
Elektrische Maschine mit einem Rotor, sowie Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine mit einem Rotor, sowie einem Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Mit der EP 0 917 755 Bl ist eine Kommutierungsvorrichtung eines Gleichstrommotors bekannt geworden, bei der Bürsten an einer Kontaktfläche von Lamellen eines Kommutators anliegen. Dabei erfasst eine elektronische Schaltung die Frequenz der Welligkeit des Motorstroms, um daraus ein Maß für die Drehzahl des Elektromotors zu bestimmen. Zur Gewinnung von einer zuverlässigen Drehzahlinformation weisen die Kanten der Kommutatorlamellen einen bestimmten Winkel zur Längsachse des Kommutators, bzw. zu den Kanten der Bürsten auf. Ein solcher Kommutator ist sehr aufwändig herzustellen und bietet keine Möglichkeit, eine Frequenz der Welligkeit zu erzeugen, die kleiner ist als die Nutfrequenz.
Bei solchen Elektromotoren wird der Wechselanteil des Stromsignals zur Drehzahlerkennung ausgewertet. Die Welligkeit dieses Signals wird durch verschiedene Ursachen erzeugt. Ein großer Anteil an der Welligkeit hat die
Anzahl der Nuten des Kommutators. Im Stromsignal lässt sich die Nutzahl und deren Vielfachen erkennen. Dabei tritt die Ordnung des kleinsten gemeinsamen Vielfachen aus Nutzahl und Magnet-Polzahl meist dominierend auf. Hervorgerufen wird diese Welligkeit im unteren Drehzahlbereich (kleinere Drehzahlen) und unter großer Last durch die Variation des Ankerwiderstandes über die Kommutierung. Nahe der Leerlaufdrehzahl und bei geringem Strom wird die Welligkeit durch die Variation der induzierten Spannung, hervorgerufen durch die Spulenwicklungen im Magnetfeld, erzeugt. Bei mittlerer Motorlast wird die Welligkeit im zeitlichen Verlauf des Stromsignals durch beide Effekte verursacht. Beide Effekte können zueinander phasenverschoben sein und sich in verschiedenen Arbeitspunkten eliminieren, so das die Nutordnung und deren Vielfachen im Stromverlauf über die Motorkennlinie deutlich variieren und auch verschwinden können.
Wird zur Generierung eines auswertbaren Strom- Rippel-Signals die Anzahl der einzelnen Leiterschleifen der Rotorspulen variiert, erfährt der Rotor gleichzeitig eine Drehmomentenwelligkeit, die für bestimmte Anwendungen unerwünscht ist. Eine solche Drehmomentwelligkeit führt ebenfalls zu einer störenden Geräuschbildung der elektrischen Maschine.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine, sowie das erfindungsgemäße
Verfahren zum Betreiben einer solchen Maschine, mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Ausbildung eines sich über den Umfang des Rotors veränderlichen Radius gezielt eine vorgebbare Drehmomentenwelligkeit generiert werden kann. Diese durch die Variation des Rotordurchmessers erzeugte Drehmomentwelligkeit kann so ausgebildet werden, dass diese phasenverkehrt zu einer Drehmomentwelligkeit wirkt, die durch die Ausgestaltung der Spulen der Rotorwicklung verursacht wird.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen möglich. Besonders von Vorteil ist es, den Radius des Rotors derart zu variieren, dass der Radius eine von einer kreisrunden Form des Rotors abweichende Modulation beschreibt. Diese Modulationskurve weist über den Umfang des Rotors eine bestimmte Anzahl von Maxima und Minima auf, die vorzugsweise mit der Anzahl der Magnetpole des Stators identisch ist. Dadurch kann insbesondere eine durch die Variation der Anzahl der Leiterschleifen der Rotorspule erzeugte Drehmomentenwelligkeit bestmöglich kompensiert werden.
Günstig ist es, wenn die Amplitude der Radiusmodulation in etwa eine Sinusfunktion abbildet. Dadurch kann beispielsweise zusammen mit einer sinusförmigen Variation der Leiterschleifen-Anzahl ein optimales Stromwelligkeitssignal erzeugt werden, wobei gleichzeitig die
Drehmomentenwelligkeit des Rotors minimiert wird.
Weist der Rotor radiale Rotorstege mit dazwischen liegenden Nuten für die Wicklungsspulen auf, kann die Modulation des Radius dadurch erzeugt werden, dass die radiale Länge der Rotorstege variiert wird. In Abhängigkeit der Anzahl der Rotorstege und der Magnetpole ist ein Längenunterschied- beispielsweise zweier benachbarter - Rotorstege im Bereich von 0,05 bis 0,2 mm besonders vorteilhaft.
Bevorzugt wird der Rotor aus einzelnen magnetisch leitenden Lamellenblechen hergestellt, die axial miteinander verbunden werden. Dabei können die Lamellenbleche, insbesondere mit den unterschiedlich langen Rotorstegen, kostengünstig als Stanzteile ausgebildet werden.
Vorteilhaft ist die elektrische Maschine mit einem zwei- oder vierpoligen Stator ausgebildet, wobei der Rotor beispielsweise 8, 10, 14 oder 18 Rotorstege mit der gleichen Anzahl dazwischen liegender Rotornuten aufweist.
Am Rotor ist ein Kommutator angeordnet, der mit den einzelnen Spulen der elektrischen Wicklung verbunden ist. Am Kommutator liegen zwei oder mehr
Kohlebürsten an, deren Motorstromsignal erfasst wird, um dessen Welligkeit zu ermitteln. Aus der Welligkeit des Motorstromsignals kann dann elektronisch die Drehzahlinformation bestimmt werden. Zur Erzielung eines eindeutigen Motorstrom- Rippeis wird die Anzahl der einzelnen Leiterschleifen der verschiedenen Spulen über den Kommutierungsumlauf vorzugsweise sinusförmig variiert. In Kombination mit der vorzugsweise sinusförmigen Variation des Rotorradius über dessen Umfang kann dabei die Momentenwelligkeit minimiert werden.
Dabei ist die Modulation des Rotorradius vorteilhaft phasenverkehrt zur Variation der Anzahl der einzelnen Leiterschleifen der Spulen ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine wird bevorzugt für die Ausbildung einer Einklemmschutzfunktion verwendet, bei der ein Einklemmen von Hindernissen zwischen einem zu verstellenden Teil und einem festen Anschlag verhindert werden soll. Hierzu wird aus dem veränderlichen Motorstromsignal mindestens ein für das Einklemmschutz- System charakteristischer Parameter bestimmt, der zur Detektion eines
Einklemmereignisses mit einem Grenzwert verglichen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors mit einer schematischen Darstellung der Änderung des Rotorradius, und
Figur 2: ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine nebst schematischer Leiterschleifenanzahländerung.
In Figur 1 ist ein Rotor 18 einer elektrischen Maschine 12 dargestellt, die beispielsweise als ein Gleichstrommotor 14 ausgebildet ist. Der Rotor 18 weist eine Rotorwelle 16 auf, auf der drehfest ein Anker 19 angeordnet ist, der beispielsweise als ein Lamellenpaket 26 ausgebildet ist, das sich aus einzelnen axial zusammengefügten Lamellen 27 besteht. Der Rotor 18 weist einen Radius 62 auf, der sich von einer Achse 17 der Rotorwelle 16 bis zu einer äußeren Umfangsfläche 64 des Rotors 18 erstreckt. In Figur 1 ist hilfsweise ein Umfangskreis 66 abgebildet, der einen Radius 67 aufweist, der einem maximalen Radius 68 des Rotors 18 entspricht. Der Radius 62 ist über den Umfang des
Rotors 18 nicht konstant, sondern variiert über den Umfang, sodass sich eine veränderliche Längendifferenz 70 des Radius 62 ergibt. Die Variation dieser Längendifferenz 70 ist vorzugsweise über den Umfang des Rotors 18 sinus- bzw. kosinusförmig ausgebildet. Im dargestellten Beispiel ergibt sich somit bei 0° und 180° jeweils ein Maximum 72 des Radius 62 und bei 90° und 270° ein Minima 73 des Radius 62. Eine solche Variation des Radius 62 mit zwei Maxima 72 wird vorzugsweise für eine elektrische Maschine 12 mit zwei Magnetpolen 32 eines Stators 34 verwendet. Im Ausführungsbeispiel weist der Rotor 18 radial verlaufende Rotorstege 76 auf, zwischen denen Nuten 24 zum Wickeln von Spulen 30 angeordnet sind. Die Rotorstege 76 weisen beispielsweise an ihrem radial äußeren Ende Polschuhe 78 auf, deren radial äußere Fläche 79 die Umfangsfläche 64 des Rotors 18 bilden. Die Rotorstege 76 weisen eine unterschiedliche radiale Länge 77 auf, deren Differenz der Längendifferenz 70 der Modulation des Radius 62 entspricht. Im Ausführungsbeispiel weist ein erster Rotorsteg 80 bei 0° zu beiden benachbarten Rotorstegen 88 eine
Längendifferenz 70 auf. Der dritte Rotorsteg 81 weist hingegen die gleiche Länge 77 auf, wie der vierte Rotorsteg 82, die beide symmetrisch zum Minimum 73 der Radiusmodulation bei 90° angeordnet sind. Die Variation des Radius 62 über den Umfang des Rotors 18 kann kontinuierlich, oder in diskreten Schritten entsprechend der Anzahl der Rotorstege 76 erfolgen. In Figur 1 ist der Rotor 18 in einem Koordinatensystem dargestellt, woraus sich beispielsweise ein Radius 62 von 14 mm (0,014 m) ergibt. Die gesamte Variation des Radius 62 beträgt vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,2 mm, wobei die Größenordnung der Längendifferenz 70 zweier benachbarter Rotorstege 76 bei den dargestellten zehn Rotorstegen 76 in Figur 1 etwa 0,05 mm beträgt. In einer alternativen
Ausführung kann der Anker 19 beispielsweise auch einstückig hergestellt werden, wobei sich bevorzugt der Radius 62 über die äußere Umfangsfläche 64 kontinuierlich ändert. In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei der die elektrische Maschine 12 einen Stator 34 mit einem Magnetring 46 aufweist, der vier Magnetpole 32 mit einem Polteilungswinkel 50 von etwa 90° hat. Der Magnetring 46 ist beispielsweise als geschlossener umlaufender Ring ausgebildet, so dass die einzelnen Magnetpole 32 nahtlos ineinander übergehen. Der Rotor 18 ist mit einem Spaltmaß 35 zum Stator 34 angeordnet, das beispielsweise 0,3 bis 0,6 mm beträgt. Auf der Rotorwelle 16 ist ein Kommutator 20 angeordnet, an dem entsprechend der Anzahl der Magnetpole 32 ebenso viele Bürsten 28 (beispielsweise vier) anliegen. In der unteren Bildhälfte ist schematisch die sinusförmige Änderung der Leiterschleifenanzahl in der Reihenfolge der nacheinander kommutierten Spulen 30 dargestellt. Die Anzahl von Leiterschleifen 36 pro Spule 30 variiert beispielsweise zwischen 10 und 13, wobei pro nacheinander kommutierter Spule 30 diese nur um eine einzige Leiterschleife 36 geändert wird. Eine Kommutierungsphase erstreckt sich hierbei über sieben Kommutierungszustände, die zusammen eine Periode der Sinuskurve 60 bilden.
Dadurch ergibt sich eine besonders glatte Sinuskurve 60 für die Änderung der Leiterschleifenanzahl. In diesem Ausführungsbeispiel der vier-poligen elektrischen Maschine 12 ergibt sich dadurch die vierfache Rotordrehfrequenz für die mittels der Leiterschleifenvariation generierten Frequenz der zusätzlichen Stromwelligkeit. Hierbei wird eine Schwingung mit der Magnetpolordnung auf den
Motorstromverlauf eingeprägt. Eine solche Stromwelligkeits- Frequenz ist dabei deutlich niedriger als die entsprechende Nutfrequenz des Motorstromsignals. Die Abfolge der nacheinander kommutierten Spulen 30 gemäß der Sinuskurve 60 ist in diesem Fall nicht Deckungsgleich mit der Abfolge der Spulen 30 bezüglich des Umfangs des Rotors 18. Die Spulen 30 sind in diesem Ausführungsbeispiel jeweils als zwei symmetrische Teilspulen 29 ausgebildet, die geometrisch parallel zueinander spiegelbildlich zu einer gedachten Ebene durch die Rotorachse 17 angeordnet sind. Die beiden Teilspulen 29 sind dabei elektrisch ebenfalls parallel geschaltet und mit jeweils gleichen Kommutatorlamellen 22 verbunden, so dass die beiden Teilspulen 29 zusammen bezüglich der Magnetpole 32 des Stators 34 wie eine einzige Spule 30 wirken. Dies ist beispielhaft an einer konkreten Spule 53 dargestellt, bei der die erste Teilspule 29 zwischen der ersten und der vierten Nut 24 im Uhrzeigersinn gewickelt ist, und die zweite Teilspule 29 zwischen der achten und der elften Nut 24 gewickelt ist. Diese aus zwei Teilspulen 29 bestehende Spule 53 weist beispielsweise jeweils dreizehn Leiterschleifen 36 auf. Die im Uhrzeigersinn aufeinanderfolgenden Spulen 30 des Rotors 18 bestehen jeweils aus 11, 10, 12, 12, 10, 11 Leiterschleifen 36. In dem Ausführungsbeispiel weist der Kommutator 20 vierzehn Kommutatorlamellen 22 auf, die mit den sieben Spulen 30 - bestehend aus insgesamt vierzehn Teilspulen
29 - verbunden sind. Dabei wird nach der Kommutierung von sieben aufeinanderfolgenden Spulen 30 wieder die gleiche Phasenlage der Kommutierung, wie bei der Ausgangsposition erreicht, so dass sich bei vierzehn Rotorstegen 76, vierzehn Kommutatorlamellen 22 und vier Bürsten 28 vier Perioden 38 über eine Rotorumdrehung ergeben.
Entsprechend den vier Magnetpolen 32 des Stators 34 weist auch der Radius 62 des Rotors 18 vier Maxima 72 (0°, 90°, 180°, 270°) und vier Minima 73 (45°, 135°, 225°) auf. Die Modulation des Radius 62 ist wiederum näherungsweise sinusförmig ausgebildet, derart, dass diese phasenverkehrt zur näherungsweise sinusförmigen Änderung der Leiterschleifenanzahl der Spulen 30 in Kommutatorabfolge wirkt. Die Längendifferenzen 70 der einzelnen Rotorstege 76 korrelieren dabei im Wesentlichen der dargestellten Sinuskurve 60 der Änderung der Anzahl der Leiterschleifen 36. Die Rotorstege 76 mit den Polschuhen 78 sind derart ausgeformt, dass die Spulen 30 direkt auf die Nuten 24 des Rotors 18 aufgewickelt werden können.
Zur Bestimmung von Drehzahlinformationen wird das durch die Bürsten 28 und den Kommutator 20 fließende Motorstromsignal bezüglich seiner Welligkeit ausgewertet, und daraus ein Signal gewonnen, das die Drehzahl bzw.
Periodendauer der Rotorumdrehung repräsentiert. Hierzu wird das Motorstromsignal einer Elektronikeinheit 40 zugeführt, die eine Einklemmschutzfunktion 44 aufweist. Um festzustellen, ob beispielsweise eine bestimmte Schließkraft für ein mittels der elektrischen Maschine 12 zu verstellendes Teil überschritten wird, wird das die Drehzahl repräsentierende
Signal auf seine Änderung untersucht. Dazu werden die vorzugsweise mit der Frequenz der erfindungsgemäßen Stromwelligkeit eingelesenen Messwerte miteinander verglichen, um ein Drehzahlabfall zu erkennen. Um die Schließkraftbegrenzung auszulösen, wird das die Drehzahl repräsentierenden Signals oder dessen Änderung mit einem vorgebbaren Wert verglichen, so dass eine bestimmte Schwelle für eine Schließkraft oder eine Federrate eingestellt werden kann.
Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise der Rotor 18 aus einzelnen Stanzblechen zusammengesetzt werden oder einstückig gefertigt werden, wobei der Radius 62 über den Umfang kontinuierlich oder in diskreten Schritten geändert werden kann. Die Anzahl, Anordnung und
Ausbildung der Magnetpole 32, der Rotorstege 76 sowie der Nuten 24 können der jeweiligen Anwendung, insbesondere der jeweiligen Leistungsanforderung angepasst werden. So kann die elektrische Maschine 12 beispielsweise auch als Außenläufer ausgebildet sein. Ebenso kann das Wickelverfahren der Spulen 30 variiert werden, beispielsweise auch Einzelzahnwicklungen verwendet werden, deren Leiterschleifenanzahl erfindungsgemäß moduliert wird. Entsprechend wird dann die Modulation des Radius 62 über den Umfang angepasst, um die Momentenwelligkeit zu kompensieren. Die elektrische Maschine 12 findet vorzugsweise Anwendung für Stellantriebe im Kraftfahrzeug, beispielsweise zur Verstellung von Sitzteilen, Fensterscheiben und Abdeckungen von Öffnungen- ist jedoch nicht auf solche Anwendungen beschränkt.

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine (12), insbesondere zum motorischen Verstellen eines beweglichen Teils im Kraftfahrzeug, mit einem Stator( 34) und einem einen Radius (62) aufweisendem Rotor (18), dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (62) über den Umfang des Rotors (18) variiert.
2. Elektrische Maschine (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Maxima (72) - und entsprechend der Minima (73) - der Modulation des Radius (62) über den gesamten Umfang des Rotors (18) der Anzahl von Magnetpolen (32) des Stators (34) entspricht.
3. Elektrische Maschine (12) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation des Radius (62) über den Umfang des Rotors (18) näherungsweise einer Sinusfunktion entspricht.
4. Elektrische Maschine (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (18) Rotorstege (76) mit dazwischen liegenden Nuten (24) aufweist, wobei die - insbesondere nebeneinander liegende - Rotorstege (76) unterschiedliche radiale Längen (77) aufweisen, wobei der Längenunterschied (70) vorzugsweise 0,05 bis 0,2 mm beträgt.
5. Elektrische Maschine (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (18) mehrere axial aufeinandergestapelte Lamellenbleche (27) aufweist, die insbesondere als identische Stanzteile gefertigt sind.
6. Elektrische Maschine (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (34) zwei oder vier Magnetpole (32) aufweist und der Rotor (18) acht, zehn, vierzehn oder achtzehn Rotorstege (76) aufweist.
7. Elektrische Maschine (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Nuten (24) einzelne Leiterschleifen
(36) von elektrischen Spulen (30) angeordnet sind, die mit Kommutatorlamellen (22) eines Kommutators (20) kontaktiert sind, und eine Auswerteeinheit (40) aus der Welligkeit eines Motorstromsignals Drehzahlinformationen ermittelt.
8. Elektrische Maschine (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anzahl der einzelnen Leiterschleifen (36) der Spulen (30) über einen Kommutierungsumlauf derart gewählt ist, dass die Änderung der Anzahl der Leiterschleifen (36) über den Kommutierungsumlauf näherungsweise eine Sinusfunktion (60) darstellt, wobei sich die Anzahl der Leiterschleifen (36) zweier nacheinander kommutierten Spulen (30) insbesondere um genau eine Leiterschleife (36) oder zwei oder drei Leiterschleifen (36) unterscheidet.
9. Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Maschine (12) - insbesondere
Stellantriebe im Kraftfahrzeug - nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Anzahl der einzelnen Leiterschleifen (36) über einen Kommutierungsumlauf derart gewählt ist, dass eine detektierbare Frequenz der Welligkeit generiert wird, wobei die dabei generierte Drehmomentenwelligkeit durch eine phasenverkehrte
Anordnung der Variation des Radius (62) des Rotors (18) zumindest teilweise kompensiert wird.
10. Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Maschine (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als
Drehzahlinformation ein eine Drehzahl oder die Periodendauer der Rotorumdrehung repräsentierendes Signal der Auswerteeinheit (40) zugeführt wird, die aufgrund einer zeitlichen Änderung dieses Signals das Einklemmen des beweglichen Teils erkennt, und die elektrische Maschine (12) reversiert und/oder stoppt, wobei das Signal oder die Änderung des Signals mit einem abgespeicherten Grenzwert verglichen wird, um beim Über- oder Unterschreiten des Grenzwertes die Einklemmschutzfunktion (44) auszulösen.
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