WO2003091737A1 - Verfahren und einrichtung zur bestimmung der drehzahl und/oder drehrichtung und/oder der position der welle eines elektromotors - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the speed and / or direction of rotation and / or the position of the shaft of an electric motor.
  • Such methods and devices are known in a variety of ways from the prior art. For example, it is known to arrange a signal transmitter on the shaft, which emits a signal to a signal sensor arranged on the housing side with each revolution of the shaft. The number or frequency of the signals received can be used to draw conclusions about the speed or direction of rotation or the position of the shaft.
  • the present invention is therefore based on the object of proposing a method and a device for determining the speed and / or direction of rotation and / or the position of the shaft of an electric motor which does not provide any components on the shaft of the electric motor.
  • This object is achieved with a method according to the invention in that at least one magnetic field generator is flowed through by the current supplying the electric motor, that the magnetic field generated by the magnetic field generator is detected by a sensor, and that by means of a signal evaluation from the detected change in the magnetic flux density of the magnetic field the speed and / or direction of rotation and / or the change in position or the speed and / or direction of rotation and / or the position of the shaft is determined.
  • the magnetic field generator is advantageously a coil.
  • a coil can also be arranged far from the shaft, for example on a printed circuit board or a brush support plate.
  • a particularly preferred embodiment of the invention provides that the magnetic field generator is a suppression choke.
  • a suppression choke is provided in electric motors, for example on a brush support plate, and is used for radio interference suppression.
  • the provision of the interference choke as a magnetic field generator has the advantage that no additional components have to be provided. Since electric motors generally have suppression chokes anyway, such a suppression choke is advantageously used as a magnetic field generator.
  • the magnetic field generator can also be formed by the armature winding of the electric motor. Since the electric motor has an armature winding anyway, no additional components are required to implement the magnetic field generator in this embodiment.
  • the senor detects the magnetic flux density in an analog and linear manner. Such detection can be done with inexpensive, known components.
  • the signal detected by the sensor is advantageously filtered with a low-pass filter and / or converted into a square-wave signal with a Schmitt trigger in particular. Due to such filtering or conversion, data can be evaluated in an advantageous manner.
  • the filtered or converted signals are amplified. This also contributes to a more favorable signal evaluation.
  • the stated object is also achieved by a device for determining the speed and / or direction of rotation and / or the position of the shaft of an electric motor, which is suitable for carrying out the method according to the invention.
  • Such a device comprises a magnetic field generator, in particular in the form of a coil, a suppression choke or an armature winding, a sensor assigned to the magnetic field generator and a control unit for signal evaluation that is electrically coupled to the sensor.
  • a magnetic field generator in particular in the form of a coil, a suppression choke or an armature winding
  • a sensor assigned to the magnetic field generator and a control unit for signal evaluation that is electrically coupled to the sensor.
  • a control unit for signal evaluation that is electrically coupled to the sensor.
  • Such a device has the advantage that to determine the speed and / or direction of rotation and / or the position of the shaft of the electric motor, no components are to be provided on the shaft or to detect the shaft.
  • the magnetic field generator is a suppression choke which is present anyway and is detected by the sensor.
  • a plurality of sensors can also be provided, possibly also on a number of interference suppression chokes.
  • the interference suppressor has a metallic core, in particular a ferrite core, in the axial extension of which the sensor is arranged. With such an arrangement, the magnetic flux density of the magnetic field of the suppression choke can be detected favorably.
  • the senor is a magnetic field sensor, a Hall sensor or a magnetoresistive sensor.
  • corresponding sensors possibly also several sensors, can be used.
  • a device 10 according to the invention is shown schematically in the figure.
  • the device 10 comprises an electric motor M, which is supplied with current via two electrical lines 12 and 14.
  • a magnetic field generator 16 in the form of a Suppressor choke shown.
  • the suppressor chokes 16 each have a ferrite core 18.
  • a sensor 20, in particular a Hall sensor, is arranged in the axial extension of the ferrite cores 18.
  • the sensors 20 are each mounted on a printed circuit board 22.
  • the printed circuit boards 22 are connected to a control device 26 via electrical lines 24.
  • the passage of the current change by the magnetic field generator 16 This changes the magnetic flux density of the magnetic field, not shown.
  • This change in the flux density of the magnetic field is detected by the sensors 20, which are arranged at a close distance from the ferrite cores 18.
  • the acquisition is analog and linear.
  • the analog signal is fed to the control unit for signal evaluation via lines 24.
  • the offset value of the signal at different currents can be compensated for by differentiating the flux density.
  • the signal is then filtered using a low-pass filter, for example 4th order Butterworth 2000 Hz, and converted into a square-wave signal using a Schmitt trigger.
  • This signal can be amplified and used for speed or Position determination can be used.
  • the relationship between the signal obtained and the speed or direction of rotation or the position of the shaft can be determined, for example, experimentally or on the basis of known physical conditions.
  • the device 10 described has the advantage that the detection of the rotational speed and the position of the motor shaft can take place without the provision of components on or in the region of the motor shaft. This simplifies the construction and assembly process of the engine; the motor can also be made more compact.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Drehzahl und/oder Drehrichtung und/oder der Position der Welle eines Elektromotors. Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass ein Magnetfelderzeuger von dem den Elektromotor versorgenden Strom durchflossen wird, dass das von dem Magnetfelderzeuger erzeugte Magnetfeld mittels eines Sensors erfasst wird, und dass mittels einer Signalauswertung aus der erfassten Änderung der magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes die Drehzahl- und/oder Drehrichtung- und/oder die Positionänderung bzw. die Drehzahl und/oder Drehrichtung und/oder die Position der Welle bestimmt wird.

Description

Titel: Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Drehzahl und/oder Drehrichtung und/oder der Position der Welle eines Elektromotors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung der Drehzahl und/oder Drehrichtung und/oder der Position der Welle eines Elektromotors. Derartige Verfahren und Einrichtungen sind aus dem Stand der Technik in vielfältiger Art und Weise bekannt. Beispielsweise ist bekannt, an der Welle einen Signalgeber anzuordnen, der bei jeder Umdrehung der Welle ein Signal an einen gehäuseseitig angeordneten Signalaufnehmer abgibt. Aufgrund der Anzahl bzw. der Frequenz der empfangenen Signale kann auf die Drehzahl bzw. Drehrichtung bzw. die Position der Welle rückgeschlossen werden.
Derart bekannte Verfahren haben den Nachteil, dass Signalgeber unmittelbar an den sich drehenden Teilen anzuordnen sind. Hierfür ist entsprechend Bauraum vorzusehen. Außerdem ist die Montage derartiger Einrichtungen mit zusätzlichem Aufwand verbunden.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung der Drehzahl und/oder Drehrichtung und/oder der Position der Welle eines Elektromotors vorzuschlagen, das bzw. die keine Bauteile an der Welle des Elektromotors vorsieht. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigstens ein Magnetfelderzeuger von dem den Elektromotor versorgenden Strom durchflössen wird, dass das von dem Magnetfelderzeuger erzeugte Magnetfeld mittels eines Sensors erfasst wird, und dass mittels einer Signalauswertung aus der erfassten Änderung der magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes die Drehzahl- und/oder Drehrichtung- und/oder die Positionsänderung bzw. die Drehzahl und/oder Drehrichtung und/oder die Position der Welle bestimmt wird.
Dadurch wird eine Bestimmung der Drehzahl bzw. Drehrichtung bzw. der Position der Welle möglich, ohne dass Bauteile an der Welle anzuordnen sind. Vielmehr kann die Drehzahl bzw. Drehrichtung bzw. die Position der Welle örtlich fern von der Welle bestimmt werden. Aufgrund der bekannten mathematischen bzw. physikalischen Beziehung zwischen Magnetfeld bzw. Flussdichte und Richtung des Magnetfeldes und der vom Elektromotor benötigten Stromstärke kann auf die Drehzahl bzw. Drehrichtung bzw. Position der Welle rückgeschlossen werden. Die Drehrichtung kann insbesondere über die Ausrichtung des Magnetfeldes bestimmt werden.
Vorteilhafterweise ist der Magnetfelderzeuger eine Spule. Eine Spule kann hierbei auch fern von der Welle angeordnet sein, beispielsweise auf einer Leiterplatine oder einer Bürstentrageplatte .
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Magnetfelderzeuger eine Entstördrossel ist. Eine derartige Entstördrossel ist bei Elektromotoren beispielsweise auf einer Bürstentrageplatte vorgesehen, und dient zur Funkentstörung. Das Vorsehen der Stördrossel als Magnetfelderzeuger hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Bauteile vorzusehen sind. Da Elektromotoren in der.Regel sowieso Entstördrosseln aufweisen, wird vorteilhafterweise eine solche Entstördrossel als Magnetfelderzeuger herangezogen. Bei einer weiteren, anderen Ausführungsform der Erfindung, kann der Magnetfelderzeuger auch von der Ankerwicklung des Elektromotors gebildet werden. Da der Elektromotor sowieso eine Ankerwicklung aufweist, sind auch bei dieser Ausführungsform keine zusätzlichen Bauteile zur Realisierung des Magnetfelderzeugers erforderlich.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Sensor die magnetische Flussdichte analog und linear erfasst. Eine solche Erfassung kann mit kostengünstigen, bekannten Bauteilen erfolgen.
Vorteilhafterweise wird das von dem Sensor erfasste Signal mit einem Tiefpassfilter gefiltert und/oder mit insbesondere einem Schmitt-Trigger in ein Rechtecksignal umgewandelt. Aufgrund einer solchen Filterung bzw. Umwandlung kann eine Datenauswertung auf vorteilhafte Weise erfolgen.
Bevor die Auswertung jedoch erfolgt, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die gefilterten bzw. umgewandelten Signale verstärkt werden. Auch dies trägt zu einer günstigeren Signalauswertung bei.
Die genannte Aufgabe wird ferner durch eine Einrichtung zur Bestimmung der Drehzahl und/oder Drehrichtung und/oder der Position der Welle eines Elektromotors gelöst, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Eine solche Einrichtung umfasst einen Magnetfelderzeuger, insbesondere in Form einer Spule, einer Entstördrossel oder einer Ankerwicklung, einen dem Magnetfelderzeuger zugeordneten Sensor und ein mit dem Sensor elektrisch gekoppeltes Steuergerät zur Signalauswertung. Eine derartige Einrichtung hat den Vorteil, dass zur Bestimmung der Drehzahl und/oder Drehrichtung und/oder der Position der Welle des Elektromotors keine Bauteile an der Welle bzw. zur Erfassung der Welle vorzusehen sind. Besonders vorteilhaft ist, wenn der Magnetfelderzeuger eine sowieso vorhandene Entstördrossel ist, die von dem Sensor erfasst wird. Dabei können auch mehrere Sensoren, ggf. auch an mehreren Entstördrosseln, vorgesehen sein.
Dabei kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Entstördrossel einen metallischen Kern, insbesondere einen Ferritkern, aufweist, in dessen axialer Verlängerung der Sensor angeordnet ist. Mit einer derartigen Anordnung kann die magnetische Flussdichte des Magnetfeldes der Entstördrossel günstig erfasst werden.
Vorteilhaft ist, wenn der Sensor den Magnetfelderzeuger berührungslos erfasst. Dabei kann beispielsweise zwischen dem metallischen Kern der Entstördrossel und dem Sensor ein Spalt vorgesehen sein. Dies hat den Vorteil, dass der Elektromotor bzw. die Entstördrossel in seiner bzw. ihrer Funktion durch den Sensor nicht beeinträchtigt wird. Die Bestimmung der Drehzahl bzw. Drehrichtung bzw. der Position der Welle erfolgt dabei ohne Einfluss auf den Elektromotor oder die Entstördrossel.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn der Sensor ein Magnetfeldsensor, ein Hallsensor oder ein magneto-resestiver Sensor ist. Je nach Größe der Veränderungen der magnetischen Flussdichte können entsprechende Sensoren, ggf. auch mehrere Sensoren, Verwendung finden.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert ist.
In der Figur ist eine erfindungsgemäße Einrichtung 10 schematisch dargestellt. Die Einrichtung 10 umfasst einen Elektromotor M, der über zwei elektrische Leitungen 12 und 14 mit Strom versorgt wird. In den beiden Leitungen 12 und 14 ist jeweils ein Magnetfelderzeuger 16 in Form einer Entstördrossel dargestellt. Die Entstördrosseln 16 weisen jeweils einen Ferritkern 18 auf. In axialer Verlängerung der Ferritkerne 18 ist jeweils ein Sensor 20, insbesondere ein Hallsensor, angeordnet. Die Sensoren 20 sind jeweils auf einer Leiterplatine 22 angebracht. Die Leiterplatinen 22 sind über elektrische Leitungen 24 mit einem Steuergerät 26 verbunden.
Bei einer Drehzahländerung der nicht* dargestellten Welle des Motors M ändert sich der Durchfluss des Stromes durch die Magnetfelderzeuger 16. Dadurch ändert sich die magnetische Flussdichte des nicht dargestellten Magnetfeldes. Diese Änderung der Flussdichte des Magnetfeldes wird von den Sensoren 20, die im dichten Abstand zu den Ferritkernen 18 angeordnet sind, erfasst. Die Erfassung erfolgt analog und linear. Über die Leitungen 24 wird das analoge Signal dem Steuergerät zur Signalauswertung zugeführt. Der Offsetwert des Signals bei unterschiedlichen Stromstärken kann durch Differenzieren der Flussdichte kompensiert werden. Anschließend wird das Signal mit einem Tiefpassfilter, beispielsweise Butterworth 4. Ordnung 2000 Hz, gefiltert, und mit einem Schmitt-Trigger in ein Rechtecksignal umgewandelt. Dieses Signal kann verstärkt und zur Drehzahlbzw. Positionsbestimmung eingesetzt werden. Die Beziehung zwischen dem gewonnen Signal und der Drehzahl bzw. Drehrichtung bzw. der Position der Welle beispielsweise experimentell oder aufgrund von bekannten physikalischen Verhältnissen bestimmt werden.
Die beschriebene Einrichtung 10 hat den Vorteil, dass die Erfassung der Drehzahl und der Position der Motorwelle ohne das Vorsehen von Bauteilen an oder im Bereich der Motorwelle erfolgen kann. Dadurch wird der Aufbau und der Montageprozess des Motors vereinfacht; der Motor kann ferner kompakter bauen.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln, als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl und/oder Drehrichtung und/oder der Position der Welle eines Elektromotors (M) , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Magnetfelderzeuger (16) von dem den Elektromotor (M) versorgenden Strom durchflössen wird, dass das von dem Magnetfelderzeuger (16) erzeugte Magnetfeld mittels eines Sensors (20) erfasst wird, und dass mittels einer Signalauswertung aus der erfassten Änderung der magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes die Drehzahl- und/oder Drehrichtung- und/oder die Positionänderung bzw. die Drehzahl und/oder Drehrichtung und/oder die Position der Welle bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfelderzeuger eine Spule ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfelderzeuger eine Entstördrossel (16) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfelderzeuger von der Ankerwicklung des Elektromotors gebildet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor die magnetische Flussdichte analog und linear erfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Sensor (20) erfasste Signal mit einem Tiefpassfilter gefiltert und/oder mit insbesondere einem Schmitt-Trigger in ein Rechtecksignal umgewandelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das gefilterte und/oder umgewandelte Signal vor der Auswertung verstärkt wird.
8. Einrichtung (10) zur Bestimmung der Drehzahl und/oder Drehrichtung und/oder der Position der Welle eines Elektromotors .(M) , dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist.
9. Einrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einen Magnetfelderzeuger (16) umfasst, insbesondere in Form einer Spule, einer Entstördrossel oder einer Ankerwicklung, einen dem Magnetfelderzeuger (16) zugeordneten Sensor (20) und ein mit dem Sensor (20) elektrisch verbundenes Steuergerät (26) zur Signalauswertung .
10. Einrichtung (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule oder die Entstördrossel
(16) einen metallischen Kern, insbesondere einen Ferritkern, aufweist, in dessen axialer Verlängerung der Sensor (20) angeordnet ist.
11. Einrichtung (10) nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) den Magnetfelderzeuger (16) berührungslos erfasst.
12. Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) ein Magnetfeldsensor, ein Hall-Sensor oder ein magnetoresistiver Sensor ist.
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