WO2010060525A1 - Antriebseinheit für einen fahrzeugsitz - Google Patents

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WO2010060525A1
WO2010060525A1 PCT/EP2009/007850 EP2009007850W WO2010060525A1 WO 2010060525 A1 WO2010060525 A1 WO 2010060525A1 EP 2009007850 W EP2009007850 W EP 2009007850W WO 2010060525 A1 WO2010060525 A1 WO 2010060525A1
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WO
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drive unit
unit according
stator
commutation
rotor
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PCT/EP2009/007850
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rolf Schüler
Christoph Schuhn
Original Assignee
Keiper Gmbh & Co. Kg
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Priority to EP09751804A priority patent/EP2351196A1/de
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Priority to JP2011536755A priority patent/JP2012510246A/ja
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    • 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
    • H02K23/02—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting
    • H02K23/04—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting having permanent magnet excitation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators

Definitions

  • the invention relates to a drive unit for a vehicle seat with the features of the preamble of claim 1.
  • Such drive units are used for motor-adjustable vehicle seats in order to achieve an optimum seat position for the occupant by setting individual components relative to each other. Both brush-commutated and electronically commutated motors are known. By means of a gear stage, the speed is reduced and at the same time increases the output torque.
  • the invention is based on the object to improve a drive unit of the type mentioned. This object is achieved by a drive unit with the features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • the modular commutation concept solves the described conflict and thus provides a technical solution for a gradual, phased introduction of microprocessor-based, intelligent, brushless motor technology.
  • the rotor carries at least one permanent magnet
  • the commutation module energizes at least one coil of the stator.
  • the drive unit according to the invention preferably drives an adjuster in a vehicle seat.
  • the drive unit is preferably in a load integrated transmission integrated.
  • the thus formed adjuster has the advantage that separate transmission elements between the drive unit and the load-bearing transmission, for example, a worm gear having poor efficiency or the like, as well as separate bearing elements for the rotor are dispensable.
  • the running noise is greatly reduced.
  • a preferred adjuster is designed as a versatile rotary adjuster, in particular as a self-locking Exzenterumlaufgetriebe exhibiting geared fitting with a first fitting part and a second fitting part, which rotate through one of the drive unit - preferably by means of a driver - driven eccentric relative to each other.
  • the fittings can each have a molded collar or an attached sleeve, by means of which they store the eccentric and / or at least part of the drive unit, preferably the entire drive unit including commutation, record.
  • the eccentric which is preferably mounted on one of the collar pulls or sleeve, is preferably formed by two curved wedge segments, between the narrow sides of a driver segment of the driver plays at play, and one between the facing broad sides of the wedge segments and grasping them in the circumferential direction apart pressing spring game exemption.
  • FIG. 2 shows an end view of a structural unit of stator and commutation module
  • FIG. 3 is a perspective view of the assembly of FIG. 2, 4 shows a perspective view of a structural unit of stator, commutation module and electrical connection,
  • FIG. 5 is a view of the assembly of FIG. 4 from another perspective
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the commutation of FIG. 6 with sliding contacts
  • FIG. 10 is a schematic diagram of the commutation of FIG. 9 with sliding contacts
  • FIG. 11 is a schematic diagram of the commutation with sliding contacts and electronic switches in a bipolar motor
  • FIG. 13 is a schematic diagram of a microprocessor-controlled, brushless commutation in a bipolar motor.
  • a drive unit 10 has an engine 12 and a gear stage 14 provided on the output side of the engine 12.
  • the motor 12 has, within a housing 15, a stator 16, a rotor 18 rotatably mounted in the housing 15 about an axis A, a commutation module 20 and an electrical connection 22 for a two-pole DC supply voltage.
  • the positive pole of the supply voltage is indicated by + Ub, the negative pole of the supply voltage by -Ub.
  • the motor 12 is constructed in all embodiments so that the rotor 18 carries permanent magnets and the stator 16 has coils 24 which are alternately energized by the commutation module 20.
  • a coil 24 should also be understood a series connection of two coils, as it is realized in the present embodiments.
  • the stator 16, in which all the coils 24 are preferably connected together at exactly one common star point, can be selected from a set of two possible embodiments, namely a unipolar design (star point led out and connected) and a bipolar design (star point isolated or star point not connected) ).
  • the commutation module 20 is selectable from a set of brush-commutating and brushless commutation modules 20 with otherwise identical construction of the motor 12.
  • the coils 24 are energized via switches in the broadest sense, in particular sliding contacts 26, or by means of an electronic commutation.
  • Stator 16, commutation module 20 and preferably electrical connection 22 may be structurally combined into an excitation unit of which, due to the two embodiments of the stator 16 and the set of commutation modules 20, correspondingly many variants exist.
  • the construction of the gear stage 14 is preferably carried out in several stages of different, known per se transmission types, such as an eccentric epicyclic gear (its basic principle, for example in the DE 10 2006 023 535 Al is disclosed, the disclosure of which is expressly incorporated) and a planetary gear (as disclosed, for example, in DE 20 2006 014 817 U1, the disclosure of which is expressly incorporated herein). It is also possible to use differential gears as disclosed in DE 10 2004 019 471 A1, the disclosure content of which is expressly incorporated herein becomes.
  • the coupling of the output 30 takes place, for example, by means of a circular thrust transmission (surface pressure transmission), as disclosed, for example, in US Pat. No. 4,228,698 A, or alternatively an Oldham clutch (cross-crank transmission), as described, for example, in EP 0 450 324 B1.
  • the drive unit 10 shown in Fig. 1 shows within the housing 15 from the right side the output 30, the two-stage gear stage 14 and the parts of the brushless commutated motor 12, namely the fixed stator 16 of individual coils 24, the rolling bearing, individual permanent magnets bearing rotor 18, and the commutation module 20, which consists in the variant shown here of a printed circuit board with electronic components, Hall sensors and rotor-fixed control magnet.
  • FIGS. 2 and 3 show further views of a structural unit made up of stator 16 and commutation module 20.
  • FIGS. 4 and 5 show a preferred embodiment in which stator 16, commutation module 20 and electrical connection 22 are homogeneous, interchangeable with other variants Exciter unit are summarized.
  • the stator 16 is presently bipolar and three-phase, wherein each phase at least one coil 24 (in the present case two series-connected individual coils) is assigned.
  • the coils 24 are connected to one another on one side and each have one of three terminals U, V, W on the other side.
  • the commutation module 20 with its sliding contacts 26 or other switches connects the three terminals U, V, W alternately to the positive pole + Ub or the negative pole -Ub of the supply voltage, whereby at least two coils 24 are energized.
  • connection W is connected to + Ub and the connection U is connected to -Ub, so that the current flows in the direction just required through the coils 24 connected between W and U.
  • the circuit shown is usually only the explanation of the operating principle, since with real micro-switches, at least at significant speeds, the required short switching times are not feasible.
  • various semiconductor switching elements are usually used today, whose control is generally effected by upstream circuits which define the timing and the combination logic.
  • the resulting further demands on the overall electronics such as polarity reversal protection, interference suppression, overvoltage protection, etc., however, lead to the proportion of total electronic effort required for commutation being less than 40%.
  • the advantages of intelligent fully electronic commutation (such as lifetime, control options, low noise) are not absolutely necessary, the question arises of technical solutions that take advantage of the mechanical structure of this motor design, without bringing the economic disadvantages.
  • the function of the switch shown in Fig. 6 is taken over brush commutation of mechanical contact elements, namely the sliding contacts 26, which can endure the required switching times and current loads.
  • the mechanisms used today in classic, brush-commutated motors made of spring-loaded contact brushes and made of ladders, with the rotor connected collectors are quite capable, but must be adapted in the implementation of the other geometric conditions of a motor 12 with fixed coils 24.
  • the basic function is clear from Fig. 7.
  • the sliding contacts 26 are realized by concentric slip rings 26 a, which produce the respective contact to the supply voltage, and two web-overlapping brush elements 26 b, which are fixed to the rotor, so are fixedly connected to the rotor 18.
  • FIG. 8 shows an exploded view of the individual parts of the sliding contact 26, ie a carrier with a slip ring 26a (along the axis A from top to bottom) connected to the positive pole + Ub, a series of slip ring segments.
  • Menten 26c which are to be alternately connected to U, V, W, and connected to the negative pole -Ub slip ring 26a.
  • a rotor-resistant brush holder carries two brush elements 26b, which are formed in the alternative embodiment below in Fig. 8 as a single brush on leaf springs.
  • the brush elements 26b are axially offset so that each brush element 26b cooperates with exactly two tracks, ie only with exactly one slip ring 26a and with the slip ring segments 26c.
  • the fixed slip rings 26a and rotor-fixed brush elements 26b are in view of the choice between several commutation 20 more advantageous over a commutation with rotor fixed slip rings 26a, which is already known from DE 699 20 974 T2.
  • a radial brush arrangement is described in DE 24 23 162 C2, but with stored, rotating rollers instead of spring-loaded, radially guided brushes.
  • FIG. 10 shows a schematic representation with a slip ring 26a and three slip ring segments 26c which are to be connected to the three terminals (each associated with a coil 24) U, V, W.
  • a principle disadvantage of the above-described solutions of the direct switching of the currents through the coils 24 by means of brush elements 26b is the friction resulting from the comparatively high, required contact contact forces and the concomitant development of noise and wear.
  • this disadvantage can be remedied by a brush-based generation of the required electrical connections in the desired order and orientation, but only at the lowest current level, and additionally downstream electronic switches 32, in particular semiconductor switching elements, are used for the high currents.
  • FIG. 11 symbolically shows such a solution in which the electronic switches 32 can be designed as MOSFETs.
  • This circuit shown in FIG. 12 by way of example for a unipolar motor 12 in the commutation module 20 comprises, in addition to a unit processing the supply voltage and the differentiation contained therein, for the required direction of rotation from, for example, three mutually identical components, each consisting of a sensor 34 (preferably a Hall sensor). , a power semiconductor 36 as an electronic switch 32 and a coil 24 exist.
  • the next technical advancement is a brushless motor 12, the commutation is done by microprocessor or software-based control of the individual phase currents of the coil 24 by a triple half-bridge of power semiconductors 36 for generating a plurality of different phase and amplitude currents in the classical manner is used by the coils 24.
  • the power semiconductors 36 are driven by a microprocessor 38, which interrogates the phase position of the rotor 18, for example, by means of sensors 34.
  • FIG. 13 shows, roughly schematically, the essential functional elements of such a control system. Despite almost identical construction, a large number of details and effects of different commutation forms is possible.
  • the circuit shown in FIG. 13 represents the high-end module with its stated options of software control.
  • stator 16 and commutation 20 there are eight variants of the combination of stator 16 and commutation 20. If this combination of stator 16 and commutation module 20 (and preferably electrical connection 22) forms the structurally combined excitation unit, the excitation unit from a set of eight variants selectable, each cooperating with the same rotor 18.
  • Commutation module electrical connection

Abstract

Bei einer Antriebseinheit (10) für einen Einsteller in einem Fahrzeug, insbesondere für einen Fahrzeugsitz, mit wenigstens einem Motor (12), welcher einen Stator (16) mit wenigstens einer Spule (24), wenigstens einen mit dem Stator (16) magnetisch wechselwirkenden, um eine Achse (A) rotierenden, Permanentmagnete tragenden Rotor (18), ein Kommutierungsmodul (20) zum Bestromen der Spule (24) in Abhängigkeit der Rotation des Rotors (18) und einen elektrischen Anschluss (22) für eine wenigstens zweipolige Versorgungsspannung (+Ub, -Ub) aufweist, ist das Kommutierungsmodul (20) aus einem Satz von bürstenkommutierenden und bürstenlosen Kommutierungsmodulen (20) bei ansonsten gleichem Aufbau des Motors (12) ausgewählt.

Description

Antriebseinheit für einen Fahrzeugsitz
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für einen Fahrzeugsitz mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
Derartige Antriebseinheiten, wie sie beispielsweise aus der DE 102004 019471 Al bekannt sind, werden für motorisch einstellbare Fahrzeugsitze eingesetzt, um durch Einstellen einzelner Komponenten relativ zueinander eine für den Insassen optimale Sitzposition zu erreichen. Es sind dabei sowohl bürstenkommutierte als auch elektronisch kommutierte Motoren bekannt. Mittels einer Getriebestufe wird die Drehzahl herabgesetzt und zugleich das abgegebene Drehmoment erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Antriebseinheit der eingangs genannten Art zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vor dem Hintergrund umweltschonenden Energieeinsatzes in mobilen Fahrzeugen hat der Aspekt der Effizienz von Antriebssystemen, egal ob Fahrzeughauptantrieb oder Nebenaggregate wie die vorliegenden Antriebseinheiten, zunehmende Bedeutung. Neben dem reinen Wirkungsgrad der Wandlung elektrischer in mechanische Energie spielt in mobilen Anwendungen natürlich auch die Masse der Antriebseinheiten eine zunehmend wichtige Rolle. Beide Aspekte sprechen eindeutig für den Einsatz intelligenter, leichter, effizienter, bürstenloser Motoren und die schon lange und sicherlich auch künftig anhaltende, kontinuierliche Reduzierung der Kosten für elektronische Bauteile lässt diese Motortechnologie auch aus wirtschaftlicher Sicht in immer positiverem Licht erscheinen.
Auch wenn bei sehr komfortablen, elektrisch verstellbaren Sitzen mit Memoryfunktion, etc. durch die Verlagerung der Steuerintelligenz von einer separaten Steuerelektronik in die einzelnen Antriebe hinein die Mehrkosten für bürstenlose Motoren schon heute gegen Null tendieren, ergibt sich über alle elektrischen Einsteller betrachtet - also unter Einbeziehung der Einfachstlösungen - aktuell ein Kostennachteil bei kompletter Umstellung aller Antriebe auf die modernere Technologie. Der wesentliche Kostenanteil entfällt hierbei auf die Ansteuerung der Motoren, also letztlich auf den Prozess der zeitlichen und räumlichen Zuordnung elektrischer Energie auf die Motorspulen, der Kommutierung selbst. Da der Gesamtaufbau einer Antriebseinheit wesentlich durch die geometrische Ausführung des Motorteils mitbestimmt wird, und bürstenkommutierte Motore üblicherweise invers zu bürstenlosen Motoren aufgebaut sind, ist für den Aufbau eines kosten- und leistungsmäßig skalierbaren Produktbaukastens neuer Antriebe eine Lösung erforderlich, die bei gleichem prinzipiellen Aufbau der Antriebseinheiten den unterschiedlichen Kosten- und Leistungsanforderungen Rechnung trägt.
Das modulare Kommutierungskonzept löst den beschriebenen Konflikt und stellt somit eine technische Lösung für eine schrittweise, gestaffelte Einführung der mikroprozessorbasierten, intelligenten, bürstenlosen Motortechnologie zur Verfügung.
Gemäß der Intention, trotz unterschiedlicher Kosten- und Leistungseigenschaften ein modulares Antriebsgesamtsystem zu schaffen, sollen wesentliche Merkmale und Ausführungen der Antriebseinheiten bis hinunter in die Bauteilebene untereinander gleich und somit immer wiederverwendbar sein. Unabhängig von der Kommutierung trägt der Rotor wenigstens einen Permanentmagneten, und das Kommutierungsmodul bestromt wenigstens eine Spule des Stators.
Die erfindungsgemäße Antriebseinheit treibt in einem Fahrzeugsitz vorzugsweise einen Einsteller an. Dabei ist die Antriebseinheit vorzugsweise in ein lastauf- nehmendes Getriebe integriert. Der so ausgebildete Einsteller hat den Vorteil, dass gesonderte Übertragungselemente zwischen der Antriebseinheit und dem lastaufnehmenden Getriebe, beispielsweise einen schlechten Wirkungsgrad aufweisende Schneckengetriebe oder dergleichen, sowie gesonderte Lagerelemente für den Rotor entbehrlich sind. Wenn zudem eine durchgehend spielfreie Lagerung des Rotors über die Getriebestufe bis zu dem lastaufnehmenden Getriebe erfolgt, werden die Laufgeräusche stark reduziert.
Ein bevorzugter Einsteller ist als ein vielseitig einsetzbarer Dreheinsteller ausgebildet, insbesondere als ein ein selbsthemmendes Exzenterumlaufgetriebe aufweisender Getriebebeschlag mit einem ersten Beschlagteil und einem zweiten Beschlagteil, welche sich durch einen von der Antriebseinheit - vorzugsweise mittels eines Mitnehmers - angetriebenen Exzenter relativ zueinander drehen. Die Beschlagteile können je einen angeformten Kragenzug oder eine angebrachte Hülse aufweisen, mittels dessen bzw. deren sie den Exzenter lagern und/oder wenigstens einen Teil der Antriebseinheit, vorzugsweise die gesamte Antriebseinheit einschließlich Kommutierungsmodul, aufnehmen. Der Exzenter, der vorzugsweise auf einem der Kragenzüge oder Hülse gelagert ist, wird vorzugsweise gebildet durch zwei gebogene Keilsegmente, zwischen deren Schmalseiten ein Mitnehmersegment des Mitnehmers mit Spiel fasst, und eine zwischen die einander zugekehrten Breitseiten der Keilsegmente fassende und diese in Umfangsrichtung auseinanderdrückende Feder zur Spielfreistellung.
Im folgenden ist die Erfindung anhand verschiedener Ausführungen mit Abwandlungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Antriebseinheit,
Fig. 2 eine Stirnansicht einer Baueinheit von Stator und Kommutierungsmodul,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Baueinheit von Fig. 2, Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Baueinheit von Stator, Kommutierungsmodul und elektrischem Anschluss,
Fig. 5 eine Ansicht der Baueinheit von Fig. 4 aus einer anderen Perspektive,
Fig. 6 eine Darstellung der Funktionsweise der Kommutierung bei einem bipolaren Motor,
Fig. 7 eine Prinzipdarstellung der Kommutierung von Fig. 6 mit Schleifkontakten,
Fig. 8 eine Explosionsdarstellung der Einzelteile des Schleifkontaktes sowie eine alternative Ausführung eines Bürstenträgers,
Fig. 9 eine Darstellung der Funktionsweise der Kommutierung bei einem unipolaren Motor,
Fig. 10 eine Prinzipdarstellung der Kommutierung von Fig. 9 mit Schleifkontakten,
Fig. 11 eine Prinzipdarstellung der Kommutierung mit Schleifkontakten und elektronischen Schaltern bei einem bipolaren Motor,
Fig. 12 eine Prinzipdarstellung einer elektronischen, bürstenlosen Kommutierung mit elektronischen Schaltern, und
Fig. 13 eine Prinzipdarstellung einer mikroprozessorgesteuerten, bürstenlosen Kommutierung bei einem bipolaren Motor.
Eine Antriebseinheit 10 weist einen Motor 12 und eine abtriebsseitig vom Motor 12 vorgesehene Getriebestufe 14 auf. Der Motor 12 weist innerhalb eines Gehäuses 15 einen Stator 16, einen um eine Achse A drehbar im Gehäuse 15 gelagerten Rotor 18, ein Kommutierungsmodul 20 und einen elektrischen Anschluss 22 für eine zweipolige Gleichstrom- Versorgungsspannung auf. Der Pluspol der Versorgungsspannung sei mit +Ub, der Minuspol der Versorgungsspannung mit -Ub bezeichnet.
Der Motor 12 ist in allen Ausführungen so aufgebaut, dass der Rotor 18 Permanentmagnete trägt und der Stator 16 Spulen 24 aufweist, die vom Kommutierungsmodul 20 abwechselnd bestromt werden. Als Spule 24 soll auch eine Serienschaltung von zwei Spulen verstanden werden, wie sie in den vorliegenden Ausführungen realisiert ist. Der Stator 16, bei dem alle Spulen 24 vorzugsweise an genau einem gemeinsamen Sternpunkt zusammengeschlossen sind, ist aus einem Satz von zwei möglichen Ausführungen auswählbar, nämlich einer unipolaren Ausführung (Sternpunkt herausgeführt und angeschlossen) und einer bipolaren Ausführung (Sternpunkt isoliert oder herausgeführter Sternpunkt nicht angeschlossen). Das Kommutierungsmodul 20 ist aus einem Satz von bürstenkommutierenden und bürstenlosen Kommutierungsmodulen 20 bei ansonsten gleichem Aufbau des Motors 12 auswählbar. Entsprechend werden die Spulen 24 über Schalter im weitesten Sinne, insbesondere Schleifkontakte 26, oder mittels einer elektronischen Kommutierung bestromt. Stator 16, Kommutierungsmodul 20 und vorzugsweise elektrischer Anschluss 22 können baulich zu einer Erregereinheit kombiniert sein, von der aufgrund der zwei Ausführungen des Stators 16 und dem Satz von Kommutierungsmodulen 20 entsprechend viele Varianten existieren.
Die dem Motor 12 nachgeschaltete Getriebestufe 14 untersetzt die Drehung des Rotors 18 in eine langsamere Drehung eines Abtriebs 30 der Antriebseinheit 10. Der Aufbau der Getriebestufe 14 erfolgt vorzugsweise mehrstufig aus verschiedenen, für sich bekannten Getriebetypen, beispielsweise aus einem Exzenterumlaufgetriebe (dessen Grundprinzip beispielsweise in der DE 10 2006 023 535 Al offenbart ist, deren diesbezüglicher Offenbarungsgehalt ausdrücklich einbezogen wird) und einem Planetengetriebe (wie es beispielsweise in der DE 20 2006 014 817 U1 offenbart ist, deren diesbezüglicher Offenbarungsgehalt ausdrücklich einbezogen wird). Es sind auch Diffentialgetriebe einsetzbar, wie sie in der DE 10 2004 019 471 Al offenbart sind, deren diesbezüglicher Offenbarungsgehalt ausdrücklich einbezogen wird. Die Ankopplung des Abtriebs 30 erfolgt beispielsweise mittels eines Kreisschubgetriebes (Flächendruckgetriebe), wie es beispielsweise in der US 4,228,698 A offenbart ist, oder alternativ einer Oldham-Kupplung (Kreuzkurbelgetriebe), wie sie beispielsweise in der EP 0 450 324 Bl beschrieben ist.
Die in Fig. 1 dargestellte Antriebseinheit 10 zeigt innerhalb des Gehäuses 15 von rechts her den Abtrieb 30, die zweistufige Getriebestufe 14 und die Teile des bürstenlos kommutierten Motors 12, nämlich den feststehenden Stator 16 aus einzelnen Spulen 24, den wälzgelagerten, einzelne Permanentmagnete tragenden Rotor 18, und das Kommutierungsmodul 20, welches in der hier dargestellten Variante aus einer Leiterplatte mit Elektronikbauteilen, aus Hallsensoren und aus rotorfesten Ansteuermagneten besteht.
Fig. 2 und Fig. 3 zeigen weitere Ansichten einer Baueinheit aus Stator 16 und Kommutierungsmodul 20. Fig. 4 und Fig. 5 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform, bei der Stator 16, Kommutierungsmodul 20 und elektrischer Anschluss 22 zu einer homogenen, gegen andere Varianten austauschbaren Erregereinheit zusammen- gefasst sind.
Für den Motor 12 ist die grundsätzliche Funktionsweise der Kommutierung, also der nacheinander erfolgenden Verbindung der Enden der Spulen 24 mit dem Pluspol +Ub oder dem Minuspol -Ub der Versorgungsspannung in Fig. 6 symbolisch dargestellt. Der Stator 16 ist vorliegend bipolar und dreiphasig ausgebildet, wobei jeder Phase wenigstens eine Spule 24 (vorliegend zwei in Serie geschaltete Einzelspulen) zugeordnet ist. Die Spulen 24 sind auf einer Seite miteinander verbunden und weisen auf der anderen Seite je einen von drei Anschlüssen U, V, W auf. Das Kommutierungsmodul 20 mit seinen Schleifkontakten 26 oder sonstigen Schaltern verbindet die drei Anschlüsse U, V, W abwechselnd mit dem Pluspol +Ub oder dem Minuspol -Ub der Versorgungsspannung, wodurch jeweils wenigstens zwei Spulen 24 bestromt werden. Im dargestellten Fall ist der Anschluss W mit +Ub und der Anschluss U mit -Ub verbunden, so dass der Strom in der gerade erforderlichen Richtung durch die zwischen W und U angeschlossenen Spulen 24 fließt. Die dargestellte Schaltung dient üblicherweise nur der Erläuterung des Wirkprinzipes, da mit realen Mikroschaltern, zumindest bei nennenswerten Drehzahlen, die erforderlichen, kurzen Schaltzeiten nicht realisierbar sind. In der realen Umsetzung dieser Prinzipschaltung finden deshalb heute üblicherweise diverse Halbleiterschaltelemente Anwendung, deren Ansteuerung in aller Regel durch vorgeschaltete, das Timing und die Kombinationslogik definierende Schaltungen erfolgt. Je nach Einsatzgebiet und Verwendungszweck führen die sich daraus ergebenden weiteren Anforderungen an die Gesamtelektronik, wie Verpolschutz, Entstörung, Überspannungsschutz etc., jedoch dazu, dass der elementar für die Kommutierung erforderliche Anteil am elektronischen Gesamtaufwand unter 40% liegt. Wenn gleichzeitig die Vorteile einer intelligenten vollelektronischen Kommutierung (wie Lebensdauer, Regelungsmöglichkeiten, geringes Geräusch) nicht zwingend erforderlich sind, ergibt sich die Frage nach technischen Lösungen, die die Vorteile des mechanischen Aufbaus dieser Motorbauform nutzen, ohne die wirtschaftlichen Nachteile mit sich zu bringen.
Die Funktion der in Fig. 6 dargestellten Schalter wird bei Bürstenkommutierung von mechanischen Kontaktelementen übernommen, nämlich von den Schleifkontakten 26, die die erforderlichen Schaltzeiten und Strombelastungen ertragen können. Die heute bei klassischen, bürstenkommutierten Motoren eingesetzten Mechanismen aus federbelasteten Kontaktbürsten und aus Leitern hergestellten, mit dem Rotor verbundenen Kollektoren sind hierzu durchaus in der Lage, müssen jedoch in der Umsetzung an die anderen geometrischen Verhältnisse eines Motors 12 mit feststehenden Spulen 24 angepasst werden. Die prinzipielle Funktion wird aus Fig. 7 deutlich. Die Schleifkontakte 26 werden realisiert durch konzentrische Schleifringe 26a, welche den jeweiligen Kontakt zur Versorgungsspannung herstellen, und zwei Bahnen übergreifende Bürstenelemente 26b, welche rotorfest sind, also fest mit dem Rotor 18 verbunden sind. Fig. 8 zeigt explosionsartig die Einzelteile des Schleifkontaktes 26, also einen Träger mit (entlang der Achse A von oben nach unten) einem mit dem Pluspol +Ub verbundenen Schleifring 26a, eine Reihe von Schleifringseg- menten 26c, die abwechselnd mit U, V, W zu verbinden sind, und einem mit dem Minuspol -Ub verbundenen Schleifring 26a. Ein rotorfester Bürstenträger trägt zwei Bürstenelemente 26b, die in der alternativen Ausführung unten in Fig. 8 als Einzelbürsten auf Blattfedern ausgebildet sind. Die Bürstenelemente 26b sind axial so versetzt, dass jedes Bürstenelement 26b mit genau zwei Bahnen, d.h. nur mit genau einem Schleifring 26a und mit den Schleifringsegmenten 26c, zusammenwirkt. Die feststehenden Schleifringe 26a und rotorfesten Bürstenelemente 26b sind in Hinblick auf die Auswahlmöglichkeit zwischen mehreren Kommutierungsmodulen 20 vorteilhafter gegenüber einer Kommutierungseinrichtung mit rotorfesten Schleifringen 26a, die bereits aus der DE 699 20 974 T2 bekannt ist. Eine radiale Bürstenanordnung ist in der DE 24 23 162 C2 beschrieben, jedoch mit gelagerten, rotierenden Walzen anstelle federbelasteter, radial geführter Bürsten.
Eine konsequente Weiterführung des Reduktionsgedankens auf den minimal erforderlichen Aufwand führt zu einer unipolaren Variante des Motors 12, bei der im Gegensatz zu den bisher dargestellten Ausführungen des Motors 12 alle Spulen 24 einseitig fest mit einem Pol der Versorgungsspannung, vorliegend dem Pluspol +Ub, verbunden sind und nur in der richtigen Reihenfolge eingeschaltet werden. Fig. 9 zeigt ein Grundschaltbild, Fig. 10 eine Prinzipdarstellung mit einem Schleifring 26a und drei Schleifringsegmenten 26c, die mit den drei (jeweils einer Spule 24 zugeordneten) Anschlüssen U, V, W zu verbinden sind.
Wie in Fig. 10 zu erkennen, wird für die einfachste Ausführung eines solchen unipolaren Motors 12 nur ein einziges Bürstenelement 26b benötigt, das geometrisch in gleicher Weise wie in Fig. 8 dargestellt realisiert werden kann. Dass ein solcher Motor 12 akustisch und hinsichtlich seines Bauraum-Leistungsverhältnisses weniger vorteilhaft ist als die bipolaren Lösungen, wird unter bestimmten Randbedingungen durch seine geringen Herstellkosten kompensiert. Da die Ausführung des Stators 16 bis auf den zusätzlichen Anschluss identisch ist, ergibt sich bei dieser Variante ein Kommutierungsmodul 20 auf unterem technischen Level, das jedoch wirtschaftlich als durchaus sinnvolle Ergänzung zu betrachten ist. Prinzipiell nachteilig an den vorstehend beschriebenen Lösungen des direkten Schaltens der Ströme durch die Spulen 24 mittels Bürstenelementen 26b ist die aufgrund der vergleichsweise hohen, erforderlichen Kontaktanpresskräfte entstehende Reibung und die damit einhergehende Geräusch- und Verschleißentwicklung. Diesem Nachteil jedoch kann abgeholfen werden, indem eine bürstenbasierte Generierung der erforderlichen elektrischen Verbindungen in der gewünschten Reihenfolge und Orientierung erfolgt, jedoch lediglich auf geringstem Stromlevel, und zusätzlich nachgeschaltete elektronische Schalter 32, insbesondere Halbleiterschaltelemente, für die hohen Ströme verwendet werden. Fig. 11 zeigt symbolisch eine solche Lösung, bei welcher die elektronische Schalter 32 als MOS-FETs ausgebildet sein können.
Eine weitere denkbare und sinnvolle Weiterbildung besteht aus dem Übergang von der mechanischen zur ersten rein elektronischen, kontaktlosen Kommutierung, die im einfachsten Fall aus mehreren, untereinander identischen Baueinheiten zusammengesetzt wird. Diese in Fig. 12 beispielhaft für einen unipolaren Motor 12 dargestellte Schaltung im Kommutierungsmodul 20 besteht neben einer die Versorgungsspannung aufbereitenden Einheit und der darin enthaltenen Differenzierung für die erforderliche Drehrichtung aus beispielsweise drei untereinander identischen Baugruppen, die aus jeweils einem Sensor 34 (vorzugsweise einem Hallsensor), einem Leistungshalbleiter 36 als elektronischem Schalter 32 und einer Spule 24 bestehen.
Die nächste technische Weiterentwicklung ist ein bürstenloser Motor 12, dessen Kommutierung durch mikroprozessor- bzw. softwarebasierte Steuer- bzw. Regelung der einzelnen Phasenströme der Spulen 24 erfolgt, indem nach klassischer Weise eine dreifache Halbbrücke aus Leistungshalbleitern 36 zur Erzeugung mehrerer in Phasenlage und Amplitude unterschiedlicher Ströme durch die Spulen 24 benutzt wird. Die Leistungshalbleiter 36 werden von einem Mikroprozessor 38 angesteuert, der beispielsweise mittels Sensoren 34 die Phasenlage des Rotors 18 abfragt. Fig. 13 zeigt grob schematisch die wesentlichen Funktionselemente einer solchen Steue- rung, die trotz nahezu identischem Aufbau eine Vielzahl in Detail und Wirkung unterschiedlicher Kommutierungsformen ermöglicht.
Angefangen von einfacher Blockkommutierung über Trapez- Sinus- und Sinusbasierten Signalformen mit Übermodulierung bis hin zur feldorientierten Regelung kann eine große Vielzahl von an sich bekannten Algorithmen und Verfahren verwendet werden, die die Drehzahl und bzw. oder das Drehmoment eines solchen Motors 12 gezielt beeinflussen. Ebenso können an sich bekannte Steuer- und Regelverfahren, die gegebenenfalls unter Berücksichtigung weiterer physikalischer Größen aus dem Umfeld des Antriebs und gegebenenfalls unter Verwendung von busbasiertem Informationsaustausch zwischen mehreren intelligenten Einheiten, den Antrieb exakt an die jeweilige Anforderung seines Einsatzes anpassen.
Besonderer Bedeutung kommt in fast allen Fällen des Einsatzes solcher Motoren 12 die Phasenlage zwischen elektrisch erzeugtem Drehfeld und von den Permanentmagneten des Rotors 18 erzeugtem Rotormagnetfeld zu, weshalb zur Erfassung bzw. Steuerung dieser Felder diverse Verfahren, von der einfachen Rotorlageerfassung mittels Hallsensoren über die Erfassung der Gegen-EMK der einzelnen Spulen 24 bis hin zum mitlaufenden mathematischen Motormodell auf Basis einer Messung des Gesamtstromes in der Antriebstechnik zum Einsatz kommen.
Aus der Gruppe der auswählbaren Kommutierungsmodule 20 stellt die in Fig. 13 dargestellte Schaltung mit Ihren dargelegten Möglichkeiten der Softwaresteuerung das High-End-Modul dar.
Mit den beschriebenen vier Kommutierungsmöglichkeiten
- mit Bürsten und direkt, wie in Fig. 7 und 10,
- mit Bürsten und elektronischen Schaltern, wie in Fig. 11,
- bürstenlos mit Sensoren und Leistungshalbleitern, wie in Fig. 12, und
- bürstenlos mit Mikroprozessor und Leistungshalbleitern, wie in Fig. 13, und den zwei Ausführungen des Stators
- unipolar, wie in Fig. 10 und 12, und - bipolar, wie in Fig. 7, 11 und 13 ergeben sich acht Varianten der Kombination aus Stator 16 und Kommutierungsmodul 20. Sofern diese Kombination aus Stator 16 und Kommutierungsmodul 20 (und vorzugsweise elektrischem Anschluss 22) die baulich kombinierte Erregereinheit bildet, ist die Erregereinheit aus einem Satz von acht Varianten auswählbar, die jeweils mit dem gleichen Rotor 18 zusammenwirken.
Bezugszeichenliste
Antriebseinheit
Motor
Getriebestufe
Gehäuse
Stator
Rotor
Kommutierungsmodul elektrischer Anschluss
Spule
Schleifkontakt a Schleifring b Bürstenelement c Schleifringsegment
Abtrieb elektronischer Schalter
Sensor
Leistungshalbleiter
Mikroprozessor
Achse

Claims

Patentansprüche
1. Antriebseinheit (10) für einen Einsteller in einem Fahrzeug, insbesondere für einen Fahrzeugsitz, mit wenigstens einem Motor (12), welcher einen Stator (16) mit wenigstens einer Spule (24), wenigstens einen mit dem Stator (16) magnetisch wechselwirkenden, um eine Achse (A) rotierenden, Permanentmagnete tragenden Rotor (18), ein Kommutierungsmodul (20) zum Bestromen der Spule (24) in Abhängigkeit der Rotation des Rotors (18) und einen elektrischen Anschluss (22) für eine wenigstens zweipolige Versorgungsspannung (+Ub, -Ub) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommutierungsmodul (20) aus einem Satz von bürstenkommutierenden und bürstenlosen Kommutierungsmodulen (20) bei ansonsten gleichem Aufbau des Motors (12) ausgewählt ist.
2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (16) und das Kommutierungsmodul (16) und vorzugsweise der elektrische Anschluss (22) baulich zu einer Erregereinheit kombiniert sind.
3. Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (16) unipolar oder bipolar ausgeführt ist.
4. Antriebseinheit nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommutierungsmodul (20) die Spulen (24) des Stators (16) auf einer Seite mittels eines einzigen Bürstenelementes (26b) in Abhängigkeit der Rotation des Rotors (18) abwechselnd mit dem einen Pol der Versorgungsspannung (+Ub, -Ub) verbindet.
5. Antriebseinheit nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (24) des Stators (24) auf wenigstens einer Seite mittels je eines elektronischen Schalters (32) des Kommutierungsmoduls (20) mit einem der beiden Pole der Versorgungsspannung (+Ub, -Ub) verbunden sind, und dass das Kommutierungsmodul (20) seine elektronischen Schalter (32) in Abhängigkeit der Rotation des Rotors (18) abwechselnd öffnet und schließt.
6. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommutierungsmodul (20) einen Mikroprozsssor (38) und/oder Sensoren (34) zu Steuerung von Leistungshalbleitern (36) aufweist.
7. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommutierungsmodul (20) zum Bestromen der Spulen (24) wenigstens einen Schleifkontakt (26) aufweist.
8. Antriebseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleifkontakt (26) einen feststehenden Schleifring (26a) oder Schleifringsegmente (26c) und wenigstens ein Bürstenelement (26b) aufweist.
9. Antriebseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Achse (A) wenigstens zwei Schleifringe (26a) oder Schleifringsegmente (26c) angeordnet sind, wobei jedem Schleifring (26a) genau ein Bürstenelement (26b) zugeordnet ist.
10. Antriebseinheit nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Spulen (24) des Stators (16) einen Anschluss (U, V, W) aufweist, welcher mit genau einem der Schleifringsegmente (26c) verbunden ist und welcher mittels des Bürstenelementes (26b) in Abhängigkeit der Rotation des Rotors (18) mit dem Schleifring (26a) verbindbar ist.
11. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgesehenen Bürstenelemente (26b) auf einem mit dem Rotor (18) fest verbundenen Bürstenträger sitzen.
12. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abtriebsseitig vom Motor (12) wenigstens eine Getriebestufe (14) vorgesehen ist.
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