JP5306346B2 - 溝内に配置されている導体環を備えている電気機器、並びに電気機器の作動方法 - Google Patents

Description

先行技術
本発明は、独立請求項の上位概念に記載されている、溝内に配置されている導体環を備えている電気機器、並びに当該電気機器の作動方法から出発する。

ＥＰ０９１７７５５Ｂ１号によって、直流モーターの整流装置が開示されている。ここでは整流器の整流子片のコンタクト面にブラシが当接している。ここで電子回路はモーター電流の波形（Welligkeit）の周波数を検出し、ここから、電気モーターの回転数に対する尺度を定める。確実な回転数情報を得るために、整流子片のエッジは、整流器の長手軸ないしはブラシのエッジに対して特定の角度を有している。このような整流子には非常に高い製造コストがかかり、溝周期よりも低い波形周波数を生成するのは不可能である。

このような電気モーターでは、電流信号の交流成分が、回転数識別のために評価される。この信号の波形は、種々異なる原因によって形成される。この波形の主な部分は、整流器の溝の数を有している。電流信号において、溝の数およびその倍数が識別される。ここでは、溝数と磁石の極数との最小公約数のオーダ（Ordnung）が主に生じる。下方の回転数領域（低い回転数）において、および大きい負荷の下で、整流を介したアンカー抵抗の変化によってこの波形が生じる。無負荷回転数近傍および電流が低い場合には、この波形は、誘導された電圧（これは磁界におけるコイル巻線によって生起される）の変化によって生成される。平均的なモーター負荷では、電流信号の時間的な経過特性における波形は、これら２つの作用によって生じる。これら２つの作用の位相は相互にずれており、種々の動作点で除去され、溝オーダおよびその倍数が、モーター特性曲線を介した電流経過特性において明確に変化し、さらにはなくなることもある。

さらに、電流経過特性において、溝のオーダよりも小さいオーダを有する電流リップルが生じる。これらは主に、磁極の倍数である。電流リップルのこのようなオーダは、磁石の位置公差または工場公差等の磁気ループの対称性における不所望な公差によって生じる。時間的な電流経過特性におけるこのようなオーダは、自身の不規則性によって、モーター回転数を特定するための確実な評価を阻止する。電流リップルの溝オーダを評価するためにさらに、この波形は、ある程度の振幅レベルを超えなければならず、これによって信号評価が可能になる。さらに、このオーダの振幅は種々の作動点を介して変化する。これは評価をさらに困難にする。より多くの溝数を有するモーターでは、電流リップルの電流経過特性における支配的なオーダは、溝および磁極の数が多いことによって高く、モーター回転数を定めるための高い走査周波数を有する評価電子回路が必要になってしまう。これは、多くの手間およびより高いコストを意味する。なぜならマイクロコントローラが迅速かつより高性能でなければならないからである。

発明の概要
発明の利点
これに対して、独立請求項の特徴部分に記載された構成を有する本発明の電気機器、並びにこの電気機器を作動させる本発明の方法は、次のような利点を有する。すなわち、回転子の溝内の導体環の数が変化し、連続した整流コイルの導体環の数が、一次近似で、正弦波曲線を出力する、という利点を有している。整流の時間シーケンスにわたった導体環数のこのような正弦波状の変化は、モーター電流信号の付加的な波形を生じさせ、その周波数は、極の数、整流フェーズあたりの正弦関数の周期数および電気機器の回転周波数の積に相応する。これによって、電流経過特性の付加的な波形が生成され、これは、整流子片の数によって生成される溝周期よりも小さい周期にある。付加的に形成されたこの電流ピークは、電気機器の作動点および負荷電流の値に依存せずに、近似的に、一定の振幅を有している。従ってこの重畳された電流リップル信号は非常に低コストに評価可能であり、ローター回転の回転数ないし周期持続時間に関する情報が求められる。整流回転にわたった導体数のこの正弦波状変化によって、付加的な電流リップル信号の高いオーダのノイズが実質的に除去される。これによって、電流波形によって生じる電気機器のノイズ励起が著しく低減され、このようにして、モーメント波形にもかかわらず、快適な駆動のための比較的静かな走行が実現される。

従属請求項に記載された措置によって、独立請求項に記載され実施形態を有利に発展させる、および改善することが可能である。順次連続した整流導体環の数がちょうど１つだけ変えられるが特に有利であることが判明している。これによって、導体環変化のできるだけ平滑な正弦波曲線が実現され、これによって、妨害となるノイズ励起が最適に抑圧される。ここでオプショナルで、順次連続する２つのコイルが、同じ数の導体環を有していてもよい。

有利な実施形態では、電気直流モーターは、１４個の溝を備えた回転子を有しており、この溝の中に同じように合計で１４個のコイルが挿入される。この実施形態は例えば４つの磁極を有しており、これらの磁極は、取り囲んでいる磁石リングによって形成されている。この磁石リングは、有利には９０°の一様の磁極リング分布を有している。この実施形態では、整流回転にわたった導体環数の正弦状変化によって、容易に検出可能な波形信号が形成される。これは、整流回転毎に例えば４つの電流リップルを有している。特に有利には、有利には回転子の溝数に相応する整流子片の数が、磁極の数によって割ることはできない。これによって電気機器の残回転モーメントが低減され、電気機器の平行特性（Gleichlaufeingenschaften）が改善される。特に有利には、整流フェーズにわたる正弦関数のちょうど１つの周期が、コイル毎の導体環変化によって形成される。これによって、検出されるべき電流リプルの振幅が最大になり、評価装置が簡易化される。

ここで、回転子円周に関して相互に隣り合って位置している溝の導体環数が継続的に正弦波状に変化しない場合、これは意味をなさない。重要であるのは、連続する整流コイルのシーケンスに関して導体環の数が、正弦関数に相応して変化することであり、これは使用されている捲回スキームによって、回転子上の溝配置と相違することがある。

有利な実施形態では、電気機器はコイルを有しており、このコイルは８個から１５個の間の個別導体環を有している。コイルあたりの導体環数が例えば１０〜１３個の間で変化する場合には、１４個の溝を有している機器では、導体環変化の比較的平滑な正弦関数が形成される。これは近似的に、順次連続する整流コイル各々が、ちょうど１つの導体環だけ変化することによって実現される。

本発明で行われる、コイルあたりの導体環数変化は、ローター軸に対して点対称に捲回されているコイルにも使用可能である。これは２つの対称な部分コイルとして構成されている。ここでは、この２つの部分コイルの導体環数は、次に位置する部分コイルに関して、同じように変化する。従って、付加的な半径方向の力は形成されない。

電気機器−有利には直流モーターを作動させる本発明の方法は、次の利点を有している。すなわち、本発明と相応に、個々のコイルの導体環数を変えることによって、相対的に一定の振幅を有する、変化しない電流リプルが形成されるという利点を有している。この電流リプルは、電気機器の種々の動作領域を介して僅かにしか変化しない。この付加的に形成された電流リプルの格段に低い周波数によって、回転数評価ユニットの走査速度が低減され、これによって、評価装置の要求、ひいてはコストが低減される。本発明によって生成された、モーター電流の波形信号は特に有利には、モーター調整部分の挟み込み（Einklemm）防御機能の実現に使用される。ここで回転数をあらわす信号は、評価ユニットによって、時間的な変化上で探される。このために、個々の電流リプルの間の時間間隔が求められる。

本発明の実施例は図示されていて、次の記載により詳細に説明する。

体環数の変化を概略的にあらわす、本発明に相応する回転子の第１の実施例 概略的な導体環数変化を伴う、電気機器の別の実施例

図１では、電気機器１２が示されている。これは例えば直流モーター１４として構成されている。電気機器１２は、回転子軸１６上に支承されている回転子１８を有している。回転子は、電気コイル３０を収容するために複数の溝２４を有している。溝２４は例えば、整流子片パケット２６内に構成されている。この整流子片パケットは個々の、軸方向に相互に積層されている整流子片領域２７から成る。ローター１８は図１において例えば、８つの溝２４を有している。この溝内には全部で８つのコイル３０が配置されている。これらのコイル３０は例えば直径捲回（Durchmesserwicklung）によって回転子軸１７に対して点対称に捲回されている。従って各溝２４内には、異なるコイル３０の２つのハーフコイルが配置されている。コイル３０は電気的に、整流器２０の整流子片２２と接続されている。この整流器には、詳細に図示されていない電気的なブラシ２８によって電流が印加されている。各コイル３０は、個個別導体環３６から成る。個別導体環の数は、溝２４内に示されている数によって表されている。従って、例えば具体的なコイル３１は１１個の導体環３６を有しており、これらは対向する溝２４によって捲かれている。同じ溝対内には、１１個の導体環３６を備えた第２のコイル３３が配置されている。これは実施例では同時にコイル３１によって整流される。回転子１８の円周方向において隣接するコイル対６１、６３はそれぞれ１２個の導体環３６を有している。回転子１８上では、それぞれ１０個の導体環３６を有する４つのコイル３０がその後に続いている。この導体環にはその後、再び、それぞれ１１個の導体環３６を有するコイル対３１、３３が続く。図の右半分には、整流器２０の捲回された整流子片２２が示されている。ここで数のシーケンスはそれぞれ、連続する整流コイル３０の導体環３６の数を示している。ここで、順次連続した整流コイル３０の順番が示されている。ここでこのコイルはそれぞれ異なる数の導体環３６を有している。従って、整流フェーズにおいて順次連続するコイル３０はそれぞれ１０個、１１個、１２個、１０個の導体環３６を有している。従って、導体環数の変化は近似的に、概略的に示された正弦関数６０を示している。ここで、８個のコイル３０のうちの２つが常に同時に整流される。ここでこれは常に同じ数の導体環３６を有している。同じ整流状態が再び得られるまでの整流フェーズはここでは順次連続する４つの整流状態である。これらは周期的に繰り返される。ブラシ２８の数に依存して、ないしは、これに一致する磁極３２の数に依存して、１つの整流回転にわたる導体環数変化の正弦波曲線６０は、１つまたは複数の周期３８を有する。図１には、２つの周期３８が示されている。これらはミラー面４０によって分断されている。

図２には、別の実施例が示されている。ここでは電気機器１２は固定子３４を有している。この固定子は、磁石リング４６を有しており、これは例えば４つの磁極３２を有しており、磁極は約９０°の極分配角度５０を有している。磁石リング４６は、閉成された、取り囲んでいるリングとして構成されている。従って、個々の磁極３２はシームレスに相互に移行する。回転子軸１６上には整流器２０が配置されている。整流器には磁極３２の数に相応して、同じ数のブラシ２８（例えば４つ）が当接している。図の下半分には再び概略的に、連続する整流コイル３０の順番での、導体環数の正弦波状変化が示されている。コイル３０毎の導体環３６の数はここでは例えば１０〜１３の間で変化する。ここで、この変化は、連続して整流されるコイル３０あたり１つだけである。整流フェーズはここでは７個の整流状態にわたって延在している。これは共同して、正弦曲線６０の周期を形成する。これによって、特に平滑な正弦曲線６０が、導体環数の変化に対して得られる。４つの極を有する機械１２のこの実施例では、これによって、４倍の回転子回転周期が、導体環変化によって生成された、付加的な電流リプルの周波数に対して得られる。この場合には、モーター電流経過特性上の磁極オーダによって振動が特徴付けされる。ここでこのような電流波形周波数は、モーター電流信号の相応する溝周よりも格段に低い。正弦曲線６０と相応する、連続して整流されるコイル３０のシーケンスはこの場合には、回転子１８の円周に関して、コイル３０のシーケンスと合同でない。これらのコイル３０は、この実施例ではそれぞれ、対称の２つの部分コイル２９として構成されている。これは幾何学形状的に、相互に平行に、回転子軸１７を通る仮想面に対して鏡対称に配置されている。２つの部分コイル２９はここで電気的に同じように並列に接続されており、それぞれ同じ整流子片２２と接続されている。従って、２つの部分コイル２９は共に、固定子３４の磁極２９に関して、１つのコイル３０と同じように作用する。これはたとえば、具体的なコイル５３で示されている。ここではこの第１の部分コイル２９は、１番目の溝と４番目の溝２４との間で、時計まわりで捲回されており、８番目の溝と１１番目の溝２４との間に第２の部分コイル２９が捲回されている。これらの２つの部分コイル２９から成るコイル５３は例えばそれぞれ１３個の導体環３６を有している。時計まわりでこれに続いている、回転子１８のコイル３０はそれぞれ１１個、１０個、１２個、１２個、１０個、１１個の導体環３６から成る。この実施例では整流器２０は１４個の整流子片２２を有している。これらは、全体で１４個の部分コイル２９から成る７個のコイル３０と接続されている。ここでは、順次連続する７個のコイル３０の整流後に再び、出発位置と同じ整流位相位置が得られる。従って、１４個の整流子片２２と４個のブラシ２８の場合には、４つの周期３８が１つの回転子回転にわたって得られる。

回転数情報を特定するために、ブラシ２８および整流器２０を通って流れるモーター電流信号は、自身の波形に関して評価され、ここから１つの信号が得られ、回転子回転の回転数ないしは周期持続時間をあらわす。このために、電子ユニット４０にモーター電流信号が供給される。これは挟み込み防止機能４４を有している。例えば、電気機器１２によって調整されるべき部分に対する特定の閉鎖力を越えているか否かを確認するために、回転数をあらわす信号の変化がサーチされる。このために有利には、本発明の電流波形の周波数によって読み込まれる測定値が相互に比較され、これによって回転数降下が識別される。閉鎖力制限をトリガするために、例えば、回転数をあらわす信号の変化値が、予め設定可能な値と比較され、これによって閉鎖力に対する特定の閾値またはばね定数が調整設定される。

図面および明細書に示された実施例に関して、個々の特徴が相互に多様に組み合わせ可能であることに留意されたい。従って例えば、磁極３２および整流子片２２の数が変化する。これによって、生成された電流波形信号が、回転数評価の要求に合わせられ、ここで電流波形信号は有利には、溝周期よりも低い周波数を有している。磁極３２、コイル３０並びに溝２４の数、配置および構成は、各用途、殊に各性能要求に合わせ等れる。従って電気機器１２は例えば、外部の回転子としても構成される。同じようにコイル３０の捲回方法が変化し得る。例えば、単歯捲回も使用可能であり、その導体環数は本発明に相応して変えられる。電気機器１２は有利には、自動車内のアクチュエータに用いられ、例えば、座席部分、ウィンドウガラスおよびカバー部の位置調整に用いられるが、このような用途に制限されるものではない。

Claims (12)

1. 電気機器（１２）であって、
   固定子（３４）と回転子（１８）とを有しており、
   ここで当該回転子（１８）上に溝（２４）が構成されており、
   当該溝内には、電気コイル（３０）の個別導体環（３６）が配置されており、
   当該コイルは整流器（２０）の整流子片（２２）と接触しており、
   さらに評価ユニット（４０）を有しており、当該評価ユニットはモーター電流信号の波形から回転数情報を求める形式のものにおいて、
   前記コイル（３０）の個別導体環（３６）の数は、前記導体環（３６）の数のシーケンスが、自身の整流の順番において、近似的に正弦関数（６０）を表すように選択されており、
   一連の整流にわたった前記個別導体環（３６）の数の変化は、モーター電流信号の波形の検出可能な周波数が生成されるように選択されており、当該周波数は、前記整流子片（２２）間の溝（２４）に基づいた、振幅変化の溝周期よりも低く、磁極（３２）の数に相応し、
   これによって、４つの極を有する電気機器（１２）では４倍の回転子回転周期が、導体環変化によって生成された、付加的な電流リプルの周波数に対して得られる、
   ことを特徴とする電気機器。
2. 電気機器（１２）であって、
   固定子（３４）と回転子（１８）とを有しており、
   ここで当該回転子（１８）上に溝（２４）が構成されており、
   当該溝内には、電気コイル（３０）の個別導体環（３６）が配置されており、
   当該コイルは整流器（２０）の整流子片（２２）と接触しており、
   さらに評価ユニット（４０）を有しており、当該評価ユニットはモーター電流信号の波形から回転数情報を求める形式のものにおいて、
   前記コイル（３０）の個別導体環（３６）の数は、前記導体環（３６）の数のシーケンスが、自身の整流の順番において、近似的に正弦関数（６０）を表すように選択されており、
   前記コイル（３０）は、前記回転子（１８）の回転軸（１７）に関して点対称の部分コイル（２９）として構成されており、当該点対称の部分コイル（２９）は常に、同じ数の導体環（３６）を有しており、
   前記点対称の部分コイル（２９）は電気的に並列接続されて、それぞれ同じ前記整流子片（２２）と接続されており、当該２つの部分コイル（２９）は共働して、前記固定子（３４）の磁極（３２）に関して、１つのコイル（３０）と同じように作用する、
   ことを特徴とする電気機器。
3. 連続して整流される２つコイル（３０）の前記導体環（３６）の数は、導体環（３６）１つぶんだけ異なる、請求項１または２記載の電気機器（１２）。
4. 前記回転子（１８）は１４個の溝（２４）を有しており、前記固定子（３４）は４つの磁極（３２）を有しており、当該磁極は閉成された、一体形成された磁石リング（４６）上に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の電気機器（１２）。
5. 前記整流器（２０）は多数の整流子片（２２）を有しており、当該整流子片の数は、前記磁極（３２）の数の倍数でない、請求項１から４までのいずれか１項記載の電気機器（１２）。
6. 前記整流器（２０）には、固定子（３４）に配置されている磁極（３２）の数と同じ数のブラシ（２８）が当接している、請求項１から５までいずれか１項記載の電気機器（１２）。
7. １つの整流フェーズにわたる前記導体環（３６）の数のシーケンスによって、最小および最大を有する１つの周期（３８）がモデリングされる、請求項１から６までのいずれか１項記載の電気機器（１２）。
8. 前記コイル（３０）の配置の順番は、一連の整流に関して、前記回転子（１８）の円周にわたった、前記コイル（３０）の空間的な配置のシーケンスと異なる、請求項１から７までのいずれか１項記載の電気機器（１２）。
9. コイル（３０）あたりの前記個別導体環（３６）の数は、１０〜１３の間である、請求項１から８までのいずれか１項記載の電気機器（１２）。
10. 請求項１から９までのいずれか１項に記載されている電気機器（１２）の作動方法であって、
    一連の整流にわたった前記個別導体環（３６）の数の変化を次のように選択する、
    すなわち、モーター電流信号の波形の検出可能な周波数が生成されるように選択し、当該周波数は、整流子片（２２）間の溝（２４）に基づいた、振幅変化の溝周期よりも低く、磁極（３２）の数に相応する、
    ことを特徴とする、電気機器（１２）の作動方法。
11. 回転数情報として、回転子回転の回転数または周期持続時間をあらわす信号を評価ユニット（４０）に供給し、当該評価ユニットは、当該信号の時間的な変化に基づいて、前記可動部分の挟み込みを識別し、電気機器を反転させる、および／または停止させる、請求項１０記載の電気機器（１２）の作動方法。
12. 前記信号の変化を、記憶されている閾値と比較し、当該閾値を上回っているまたは下回っている場合には、挟み込み防止機能（４４）をトリガする、請求項１０または１１記載の電気機器（１２）の作動方法。

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