WO2010130488A1 - Elektrische maschine mit einer bürstenanordnung - Google Patents

Elektrische maschine mit einer bürstenanordnung Download PDF

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WO2010130488A1
WO2010130488A1 PCT/EP2010/053589 EP2010053589W WO2010130488A1 WO 2010130488 A1 WO2010130488 A1 WO 2010130488A1 EP 2010053589 W EP2010053589 W EP 2010053589W WO 2010130488 A1 WO2010130488 A1 WO 2010130488A1
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electrical machine
brushes
particular less
angle
less
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PCT/EP2010/053589
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerald Roos
Pierre Bernard
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K13/00—Structural associations of current collectors with motors or generators, e.g. brush mounting plates or connections to windings; Disposition of current collectors in motors or generators; Arrangements for improving commutation
    • H02K13/10—Arrangements of brushes or commutators specially adapted for improving commutation
    • 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
    • H02K23/32—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the armature windings having wave or undulating windings

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine, in particular an electric motor, wherein the electric machine has a first number of commutator and brushes, wherein the commutator are arranged in the circumferential direction uniformly distributed on a circumference of a disk carrier.
  • DE 695 13 655 T2 describes two windscreen wiper motors for two speeds each.
  • One of the two motors has two poles and three brushes, wherein a high-speed brush with respect to a common grounding brush is offset by a circumferential angle of, for example, 120 °.
  • the circumferential angle is selected depending on a desired ratio between high and low rotational speeds of the motor.
  • the other motor has four poles and six brushes, the high-speed brush being offset from the associated grounding brush by a circumferential angle of, for example, 60 °, again choosing the circumferential angle as a function of the desired high and low rotational speed ratio of the motor.
  • the invention has for its object to reduce power losses in upstream electronics, voltage fluctuations in the electrical system and electromagnetic interference. This task is consistent with the characteristics of the independent approved claim. Advantageous embodiments of the invention are indicated in the dependent claims.
  • the invention is based on a generic electric machine, in particular an electric motor, in that the brushes are arranged such that, in order to reduce a current ripple when using a wave winding and a number of brushes, which is smaller than a pole number of the electric machine, commutation possible evenly distributed.
  • a first absolute value of a first difference from the first circumferential angle minus a first product of half a fin pitch of the electric machine having a first odd natural number is less than a tolerance angle, the first odd natural number being equal to one plus Two times an integer rounded third product of a second odd natural number multiplied by a quotient of a pole pitch angle of the electric machine divided by the fin pitch angle, wherein a second absolute amount of a second difference from the first circumferential angle minus a second product of the pole pitch angle of the electric Machine multiplied by the second odd natural number greater than the tolerance angle, wherein the tolerance angle is less than 8 °, in particular less than 4 °, in particular less than 2 °, in particular less than 1 °.
  • a preferred embodiment provides that a half of the second odd natural number rounded up to an integer is less than or equal to a quarter of the pole number rounded to an integer.
  • the first difference is positive or negative.
  • An equally preferred embodiment provides that twice the first quotient is not a natural number.
  • a preferred embodiment provides that the number of poles is less than 11, in particular less than 9, in particular less than 7.
  • the number of commutator lamellae is less than 27, in particular less than 25, in particular less than 23, in particular less than 21, in particular less than 19, in particular less than 17, in particular less than 15.
  • the electric machine can be configured such that the second odd natural number is less than 10, in particular less than 8, in particular less than 6, in particular less than 4, in particular less than 2.
  • a further embodiment provides that the first odd natural number is equal to five and the second odd natural number is equal to one, in particular wherein the first product is equal to 64.3 ° or equal to 34.6 °.
  • an electrical machine in which a rotor and / or a stator of the electric machine has a wave winding, in particular a single-turn wave winding.
  • the electric machine may be a servomotor or a wiper motor
  • Fig. 1a to 1 c is a schematic diagram of a brush assembly according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2a to 2c is a schematic diagram of a brush assembly according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows a schematic picture of an undesired irregularly distributed current profile as a function of a rotor position and a desired uniformly distributed current profile as a function of the rotor position;
  • 4a to 4c are schematic illustrations of three possible arrangements of angular tolerance ranges of a brush arrangement according to the invention in relation to a conventional brush arrangement.
  • a brush number smaller than the number of poles 2p can be selected without additional measures, whereby the characteristic of the electric machine changes only slightly.
  • a first circumferential angle oci is between a first radial axis 20 of the first brush 16 and a second Radial axis 22 of the second brush 18 about 64.3 °.
  • the second brush 18 is symmetrically positioned to two commutator bars 10, 12 (see FIG. 1 c) when the rotor 24 has a rotor position 26 (see FIG.
  • FIG. 4c a first circumferential angle oci between a first one is shown in FIG Radial axis 20 of the first brush 16 to a second radial axis 22 of the second brush 18 about 34.6 °.
  • the second brush 18 is symmetrically positioned to two commutator bars 10, 12 (see FIG. 4c) when the rotor 24 has a rotor position 26 (see FIG. 3) in which the first brush 16 is centrally positioned on a third commutator fin 14 (FIG. see Fig. 4b).
  • Table 1 contains an overview of features of the embodiments shown in FIGS. 1 and 2, where the column “No” is the ordinal number of the embodiment, the column “k” is the commutator blade number k, the column “2p” is the pole number 2p, the column “ U2 "the second odd natural number U2, the column” ⁇ ⁇ / 2 "the half ⁇ ⁇ / 2 fin pitch angle ⁇ ⁇ , the column” Q1 "the first quotient Q1, the column” U1 "the first odd natural number U1 and Column “ocson” contains the Bürstensollabstandswinkel ⁇ S0 n.
  • the half ⁇ ⁇ / 2 fin pitch angle ⁇ ⁇ is equal to the full angle 360 ° divided by twice 2k of the lamella number k.
  • the first odd natural number U1 is equal to one plus twice 2 [P3] of a third product P3 rounded off to an integer [P3] from the odd natural number U2 multiplied by the quotient Q1.
  • FIG. 3 shows a current profile 36 via the rotor position 26, as can be measured on the supply lines on a conventional electric machine.
  • the current profile 36 is periodic, but has different high amplitudes 38, 40.
  • the amplitudes 38, 40 and in particular also their fluctuations 41 are a measure of a current ripple.
  • the high current ripple of the conventional electric machine may be caused by an uneven distribution 50 of the commutation positions 42 and 42, respectively.
  • the current curve 44 of an electric machine according to the invention does not have such great fluctuations 41 of the amplitude 46. That is, the current ripple is significantly lower than in the conventional electric machine.
  • the technical reason for this is the more uniform distribution 52 of the brushes 16, 18, 28, 30 with respect to the fin pitch of the commutator.
  • the current ripple is reduced by the fact that the commutation positions 48 and / or points 48 are distributed uniformly (or at least more uniformly) than in conventional electrical machines.
  • the brushes 16, 18 of a pair of brushes 16, 18 are optimally arranged with respect to the current ripple when the two brushes 16, 18 commute alternately in time symmetry. This condition is fulfilled when the two brushes 16, 18 are arranged alternately symmetrically with respect to each other in relation to the lamellar arrangement. This is the case when an adjacent pair 10, 12 of two lamellae 10, 12 is arranged centrally below the radial axis 22 of the second brush 18, when a third lamella 14 is arranged centrally below the radial axis 20 of the first brush 16.
  • the brush arrangement according to the invention is based on the approach of assigning to a Bürstensollabstandswinkel ocsoii an odd natural number U1 of half oc ⁇ / 2 lamellar divide angles ⁇ ⁇ .
  • the brush target pitch angle ⁇ S0 n is equal to a current turn step plus or minus half an oc ⁇ / 2 fin pitch angle ⁇ ⁇ .
  • the conventional brush target pitch angle oc k0n v is thus equal to a second product of the pole pitch angle ocp of the electric machine multiplied by the second odd natural number U2.
  • the conventional brush arrangement is based on the idea of assigning an integer number of pole pitches oc P to a current reversing step.
  • FIG. 4a shows a first angle tolerance range 54 for a brush arrangement according to the invention which does not overlap with a second angle tolerance range 56 of a corresponding conventional brush arrangement.
  • all of the brush assemblies, OC 12 , OC 1 3, within the first angle tolerance range 54 represent a new brush assembly, ai 2 , ai 3.
  • FIG. 4 b shows a second angle tolerance range 56 for a conventional brush assembly that forms part of the first angular tolerance range 54 overlaps, but not the brush target pitch angle ⁇ S0 n.
  • only those brush assemblies, a i2, set a new brush assembly, ai 2 both lie within the first angle tolerance range 54 and outside the second angular tolerance range 56.
  • a second angle tolerance range 56 for a conventional brush arrangement which overlaps a portion of the first angle tolerance range 54 and the possibility even Bürstensollab- still angle ⁇ SO ⁇ . Also in this case, only those brush assemblies form on a new brush assembly which are both within the first angular tolerance range 54 and outside the second angular tolerance range 56.
  • a first absolute value B1 of a first difference D1 is from the first circumferential angle oci minus the Brush target pitch angle ⁇ S0 n smaller than a tolerance angle oc ⁇ .
  • a second absolute amount B2 of a second difference D2 from the first circumferential angle oci minus a second product oc k o n sus to the pole pitch angle ocp of the electric machine multiplied by the second odd natural number U2 is larger than the tolerance angle oc ⁇ .
  • the tolerance angle oc ⁇ may be less than 8 °, in particular less than 4 °, in particular less than 2 °, in particular less than 1 °.
  • the person skilled in the art can calculate a table which for each of a plurality of tuples from a given tolerance angle oc ⁇ , number of slots k, number of poles 2p, second odd natural number U2 and pole pitch angle ocp each have an angular tolerance range for the first circumferential angle oci indicates.
  • the load on the electric machine can be mechanical while the drive is electric (motor operation). Alternatively or additionally, the electric machine can be driven mechanically while the load of the electric machine is electric (generator operation).

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Abstract

Eine elektrische Maschine, insbesondere ein elektrischer Motor, weist eine erste Anzahl (k) von Kommutatorlamellen (10, 12, 14) sowie Bürsten(16, 18) auf, wobei die Kommutatorlamellen (10, 12, 14) in Umfangsrichtung gleichverteilt auf einem Umfang eines Lamellenträgers (24) angeordnet sind. Die Bürsten(16, 18) sind derart angeordnet, dass zur Reduzierung einer Stromwelligkeit bei Verwendung einer Wellenwicklung und einer Anzahl von Bürsten(16, 18), die kleiner als eine Polzahl (2p)der elektrischen Maschine ist, Kommutierungszeitpunkte möglichst gleichmäßig verteilt sind.

Description

Beschreibung
Titel
Bürstenanordnung für elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen elektrischen Motor, wobei die elektrische Maschine eine erste Anzahl von Kommutatorlamellen sowie Bürsten aufweist, wobei die Kommutatorlamellen in Umfangsrichtung gleichverteilt auf einem Umfang eines Lamellenträgers angeordnet sind.
Die DE 695 13 655 T2 beschreibt zwei Scheibenwischermotoren für jeweils zwei Geschwindigkeiten. Einer der beiden Motoren weist zwei Pole und drei Bürsten auf, wobei eine Hochgeschwindigkeitsbürste gegenüber einer gemeinsamen Erdungsbürste um einen Umfangswinkel von beispielsweise 120° versetzt angeordnet ist. Hier wird der Umfangswinkel in Abhängigkeit von einem gewünschten Verhältnis zwischen hoher und niedriger Drehgeschwindigkeit des Motors gewählt. Der andere Motor weist vier Pole und sechs Bürsten auf, wobei die Hochgeschwindigkeitsbürste gegenüber der zugehörigen Erdungsbürste um einen Umfangswinkel von beispielsweise 60° versetzt angeordnet ist, wobei auch hier der Umfangswinkel in Abhängigkeit von dem gewünschten Verhältnis zwischen hoher und niedriger Drehgeschwindigkeit des Motors gewählt wird. Es wurde beobachtet, dass der Betrieb solcher konventioneller Motoren zu hohen Verlustleistungen in vorgeschalteten Elektroniken, zu Spannungsschwankungen auf einem Bordnetz sowie zu elektromagnetischen Störungen (EMV-Problemen) führen kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn eine Wellenwicklung verwendet wird und die Anzahl der Bürsten kleiner als die Polzahl ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verlustleistungen in vorgeschalteten Elektroniken, Spannungsschwankungen im Bordnetz sowie elektromagnetische Störungen zu verringern. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhän- gigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung baut auf einer gattungsgemäßen elektrischen Maschine, insbesondere einem elektrischen Motor dadurch auf, dass die Bürsten derart angeordnet sind, dass zur Reduzierung einer Stromwelligkeit bei Verwendung einer Wellenwicklung und einer Anzahl von Bürsten, die kleiner als eine Polzahl der elektrischen Maschine ist, Kommutierungszeitpunkte möglichst gleichmäßig verteilt sind.
Eine Ausführungsform der elektrischen Maschine sieht vor, dass die Bürsten ein erstes Bürstenpaar umfassen, wobei zwischen einer ersten Radialachse einer ersten der Bürsten des ersten Bürstenpaares und einer zweiten Radialachse einer zweiten der Bürsten des ersten Bürstenpaares ein erster Umfangswinkel oci besteht, dessen Absolutbetrag abs (oci) von einem Bürstensollabstandswinkel ocsoii = (36072k) (2 floor (U2 (k/2p)) + 1 ) um nicht mehr als einen Toleranzwinkel ocτ abweicht, wobei U2 eine ungerade natürliche Zahl ist, abs () eine Absolutbetragsfunktion ist, floor () eine Ganzzahlabrundungsfunktion ist und ocτ ein Toleranzwinkel ist, der kleiner ist als 8°, insbesondere kleiner ist als 4°, insbesondere kleiner ist als 2°, insbesondere kleiner ist als 1 °.
In einer Weiterbildung der elektrischen Maschine ist abs (abs (oci) - αP U2) > ατ, wobei αP ein Polteilungswinkel der elektrischen Maschine ist
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Maschine ist ein erster Absolutbetrag einer ersten Differenz aus dem ersten Umfangswinkel abzüglich eines ersten Produkts eines halben Lamellenteilungswinkels der elektrischen Maschine mit einer ersten ungeraden natürlichen Zahl kleiner als ein Toleranzwinkel, wobei die erste ungerade natürliche Zahl gleich Eins plus dem Zweifachen eines auf eine Ganzzahl abgerundeten dritten Produkts aus einer zweiten ungeraden natürlichen Zahl multipliziert mit einem Quotienten aus einem Polteilungswinkel der elektrischen Maschine geteilt durch den Lamellenteilungswinkel ist, wobei ein zweiter Absolutbetrag einer zweiten Differenz aus dem ersten Umfangswinkel abzüglich eines zweiten Produkts aus dem Polteilungswinkel der elektrischen Maschine multipliziert mit der zweiten ungeraden natürlichen Zahl größer ist als der Toleranzwinkel, wobei der Toleranzwinkel kleiner ist als 8°, insbesondere kleiner ist als 4°, insbesondere kleiner ist als 2°, insbesondere kleiner ist als 1 °.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass eine auf eine Ganzzahl aufgerundete Hälfte der zweiten ungeraden natürlichen Zahl kleiner oder gleich einem auf eine Ganzzahl gerundeten Viertel der Polzahl ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Differenz positiv oder negativ.
Eine ebenso bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das Zweifache des ersten Quotienten keine natürliche Zahl ist.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Polzahl kleiner als 11 , insbesondere kleiner als 9, insbesondere kleiner als 7 ist.
Vorzugsweise ist die Kommutatorlamellenanzahl kleiner als 27, insbesondere kleiner als 25, insbesondere kleiner als 23, insbesondere kleiner als 21 , insbesondere kleiner als 19, insbesondere kleiner als 17, insbesondere kleiner als 15 ist.
Die elektrische Maschine kann so ausgestaltet sein, dass die zweite ungerade natürliche Zahl kleiner als 10, insbesondere kleiner als 8, insbesondere kleiner als 6, insbesondere kleiner als 4, insbesondere kleiner als 2 ist.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die erste ungerade natürliche Zahl gleich fünf und die zweite ungerade natürliche Zahl gleich eins ist, insbesondere wobei das erste Produkt gleich 64,3° oder gleich 34,6° ist.
Außerdem ist eine elektrische Maschine bevorzugt, in der ein Läufer und/oder ein Ständer der elektrischen Maschine eine Wellenwicklung, insbesondere eine eingängige Wellenwicklung, aufweist.
Die elektrische Maschine kann ein Servomotor oder ein Wischermotor sein
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Figuren anhand beson- ders bevorzugter Ausführungsformen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1a bis 1 c ein schematisches Bild einer Bürstenanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2a bis 2c ein schematisches Bild einer Bürstenanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 ein schematisches Bild eines unerwünschten ungleichmäßig verteilten Stromverlaufs in Abhängigkeit einer Rotorposition und eines erwünschten gleichmäßig verteilten Stromverlaufs in Abhängigkeit der Rotorposition; und
Fig. 4a bis 4c schematische Bilder von drei möglichen Anordnungen von Winkeltoleranzbereichen einer erfindungsgemäßen Bürstenanordnung im Verhältnis zu einer konventionellen Bürstenanordnung.
Bei Verwendung einer Wellenwicklung kann ohne zusätzliche Maßnahmen eine Bürstenanzahl kleiner als die Polzahl 2p gewählt werden, wodurch sich die Kennlinie der elektrischen Maschine nur geringfügig ändert. In der in Fig. 1 a gezeigten Bürstenanordnung für eine gekreuzte eingängige Wellenwicklung eines 6-poligen Motor mit 14 Kommutatorlamellen 10, 12, 14 und zwei Bürsten 16, 18 beträgt ein erster Umfangswinkel oci zwischen einer ersten Radialachse 20 der ersten Bürste 16 und einer zweiten Radialachse 22 der zweiten Bürste 18 ca. 64,3°. Die zweite Bürste 18 ist zu zwei Kommutatorlamellen 10, 12 symmetrisch positioniert (siehe Fig. 1 c), wenn der Rotor 24 eine Rotorposition 26 (siehe Fig. 3) innehat, in der die erste Bürste 16 auf einer dritten Kommutatorlamelle 14 mittig positioniert ist (siehe Fig. 1 b). Im Folgenden wird anstelle "Kommutatorlamelle" auch die Bezeichnung "Lamelle" verwendet. Häufig ist es zweckmäßig, zwei Bürsten 16, 18 in möglichst kleinem Winkel oci zueinander anzuordnen, um Platz zu sparen.
In der in Fig. 2 gezeigten Bürstenanordnung für eine gekreuzte eingängige Wellenwicklung eines 10-poligen Motor mit 26 Kommutatorlamellen 10, 12, 14 und zwei Bürsten 16, 18 beträgt ein erster Umfangswinkel oci zwischen einer ersten Radialachse 20 der ersten Bürste 16 zu einer zweiten Radialachse 22 der zweiten Bürste 18 ca. 34,6°. Die zweite Bürste 18 ist zu zwei Kommutatorlamellen 10, 12 symmetrisch positioniert (siehe Fig. 4c), wenn der Rotor 24 eine Rotorposition 26 (siehe Fig. 3) innehat, in der die erste Bürste 16 auf einer dritten Kommutatorlamelle 14 mittig positioniert ist (siehe Fig. 4b).
Die Tabelle 1 enthält eine Übersicht über Merkmale der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen, wobei die Spalte "No" die Ordnungsnummer der Ausführungsform, die Spalte "k" die Kommutatorlamellenanzahl k, die Spalte "2p" die Polzahl 2p, die Spalte "U2" die zweite ungerade natürliche Zahl U2, die Spalte "ακ/2" den halben ακ/2 Lamellenteilungswinkel ακ, die Spalte "Q1 " den ersten Quotienten Q1 , die Spalte "U1 " die erste ungerade natürliche Zahl U1 und die Spalte "ocson" den Bürstensollabstandswinkel αS0n enthält.
Tabelle 1
Figure imgf000006_0001
Der Bürstensollabstandswinkel αS0n für weitere Ausführungsformen, d.h. für andere Tripel von Lamellenanzahl k, Polzahl 2p und zweiter ungerader natürlicher Zahl U2 kann wie folgt ermittelt werden: αSOιι = U1 * ocκ/2 mit U1 := 2 [U2 * Q1] + 1 = 1 + 2 * P3 mit P3 := [U2 * Q1], wobei die eckige Klammer die Gaußklammerfunktion (d.h. Abrundungs- oder Integerfunktion) darstellt. Der halbe ακ/2 Lamellenteilungswinkel ακ ist gleich dem Vollwinkel 360° geteilt durch das Zweifache 2k der Lamellenanzahl k. Der Quotient Q1 ist gleich einem Polteilungswinkel αP = 36072p der elektrischen Maschine geteilt durch den Lamellenteilungswinkel ocκ = 3607k und ist auch gleich der Lamellenanzahl k geteilt durch die Polzahl 2p. Die erste ungerade natürliche Zahl U1 ist gleich Eins plus dem Zweifachen 2[P3] eines auf eine Ganzzahl [P3] abgerundeten dritten Produkts P3 aus der ungeraden natürlichen Zahl U2 multipliziert mit dem Quotienten Q1. Im Folgenden wird erläutert, warum die erfindungsgemäße elektrische Maschine Verlustleistungen in vorgeschalteten Elektroniken, Spannungsschwankungen im Bordnetz sowie elektromagnetische Störungen verringert. Fig. 3 zeigt einen Stromverlauf 36 über die Rotorposition 26, wie er an einer konventionellen elektrischen Maschine auf den Zuleitungen gemessen werden kann. Der Stromverlauf 36 ist periodisch, weist aber unterschiedlich hohe Amplituden 38, 40 auf. Die Amplituden 38, 40 und insbesondere auch deren Schwankungen 41 sind ein Maß für eine Stromwelligkeit. Je höher die Stromwelligkeit ist, desto höher sind Verlustleistungen in vorgeschalteten Elektroniken, Spannungsschwankungen im Bordnetz sowie elektromagnetische Störungen. Die hohe Stromwelligkeit der konventionellen elektrischen Maschine kann durch eine ungleichmäßige Verteilung 50 der Kommutierungspositionen 42 bzw. -Zeitpunkte 42 verursacht werden. Demgegenüber weist der Stromverlauf 44 einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine nicht so starke Schwankungen 41 der Amplitude 46 auf. D.h. die Stromwelligkeit ist deutlich geringer als bei der konventionellen elektrischen Maschine. Der technische Grund dafür ist die gleichmäßigere Verteilung 52 der Bürsten 16, 18, 28, 30 in Bezug auf die Lamellenteilung des Kommutators. Also wird erfindungsgemäß die Stromwelligkeit dadurch verringert, dass die Kommutierungspositionen 48 bzw. -Zeitpunkte 48 gleichmäßig (oder zumindest gleichmäßiger) verteilt sind als in konventionellen elektrischen Maschinen. Die Bürsten 16, 18 eines Bürstenpaares 16, 18 sind hinsichtlich der Stromwelligkeit dann optimal angeordnet, wenn die beiden Bürsten 16, 18 zueinander zeitsymmetrisch abwechselnd kommutieren. Diese Bedingung ist dann erfüllt, wenn die beiden Bürsten 16, 18 in Bezug auf die Lamellenanordnung zueinander geometrisch symmetrisch abwechselnd angeordnet sind. Dies ist dann der Fall, wenn ein benachbartes Paar 10, 12 von zwei Lamellen 10, 12 mittig unter der Radialachse 22 der zweiten Bürste 18 angeordnet ist, wenn eine dritte Lamelle 14 mittig unter der Radialachse 20 der ersten Bürste 16 angeordnet ist. Der erfindungsgemäßen Bürstenanordnung liegt der Ansatz zugrunde, einem Bürstensollabstandswinkel ocsoii eine ungerade natürliche Zahl U1 von hälftigen ocκ/2 Lamellenteilungswinkeln ακ zuzuordnen. Damit ist der Bürstensollabstandswinkel αS0n gleich einem Stromwendeschritt zuzüglich oder abzüglich eines halben ocκ/2 Lamellenteilungswinkel ακ.
Es gibt konventionelle Bürstenanordnungen, die aus anderen Gründen diese Di- mensionierungsregel genau oder näherungsweise erfüllen. Solche konventionelle Bürstenanordnungen sind aus dem Gegenstand der erfindungsgemäßen Bürstenanordnung ausgenommen, womit die beanspruchten Bürstenanordnungen neu gegen solche konventionelle Bürstenanordnungen sind. Die Tabelle 2 enthält eine Übersicht über Merkmale zwei konventioneller Ausführungsformen, die der ersten und zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform entsprechen, wobei die Spalte "No" die Ordnungsnummer der Ausführungsform, die Spalte "2p" die Polzahl 2p, die Spalte " αP" den Polteilungswinkel αP, die Spalte "U2" die zweite ungerade natürliche Zahl U2 und die Spalte "ockonv" einen konventionellen Bürsten- sollabstandswinkel αkOnv enthält.
Tabelle 2
Figure imgf000008_0001
Der konventionelle Bürstensollabstandswinkel ockonv für weitere entsprechende Ausführungsformen, d.h. für andere 2-Tupel von Polzahl 2p und zweiter ungerader natürlicher Zahl U2 lässt sich wie folgt berechnen: ockonv = U2 * ocp. Der konventionelle Bürstensollabstandswinkel ock0nv ist also gleich einem zweiten Produkt aus dem Polteilungswinkel ocp der elektrischen Maschine multipliziert mit der zweiten ungeraden natürlichen Zahl U2. Der konventionellen Bürstenanordnung liegt die Überlegung zugrunde, einem Stromwendeschritt eine ganzzahlige Anzahl von Polteilungen ocP zuzuordnen.
Fig. 4a zeigt einen ersten Winkeltoleranzbereich 54 für eine erfindungsgemäße Bürstenanordnung, der nichtüberlappend zu einem zweiten Winkeltoleranzbereich 56 einer entsprechenden konventionellen Bürstenanordnung liegt. In diesem Fall stellen alle Bürstenanordnungen an, OC12, OC13 innerhalb des ersten Winkeltoleranzbereichs 54 eine neue Bürstenanordnung an, ai2, ai3 dar. Fig. 4b zeigt einen zweiten Winkeltoleranzbereich 56 für eine konventionelle Bürstenanordnung, der einen Teil des ersten Winkeltoleranzbereichs 54 überlappt, jedoch nicht den Bürstensollabstandswinkel αS0n. In diesem Fall stellen nur diejenigen Bürstenanordnungen an, ai2 eine neue Bürstenanordnung an, ai2, die sowohl innerhalb des ersten Winkeltoleranzbereichs 54 liegen als auch außerhalb des zweiten Winkeltoleranzbereichs 56. Fig. 4c zeigt einen zweiten Winkeltoleranzbereich 56 für eine konventionelle Bürstenanordnung, der einen Teil des ersten Winkeltoleranzbereichs 54 überlappt und dabei auch sogar den Bürstensollab- standswinkel αSOιι. Auch in diesem Fall bilden nur diejenigen Bürstenanordnungen an eine neue Bürstenanordnung an, die sowohl innerhalb des ersten Winkeltoleranzbereichs 54 liegen als auch außerhalb des zweiten Winkeltoleranzbereichs 56. In der erfindungsgemäßen Bürstenanordnung ist ein erster Absolutbetrag B1 einer ersten Differenz D1 aus dem ersten Umfangswinkel oci abzüglich des Bürs- tensollabstandswinkels αS0n kleiner als ein Toleranzwinkel ocτ. Gleichzeitig ist ein zweiter Absolutbetrag B2 einer zweiten Differenz D2 aus dem ersten Umfangswinkel oci abzüglich eines zweiten Produkts ockonv sus dem Polteilungswinkel ocp der elektrischen Maschine multipliziert mit der zweiten ungeraden natürlichen Zahl U2 größer ist als der Toleranzwinkel ocτ. Der Toleranzwinkel ocτ kann kleiner als 8°, insbesondere kleiner als 4°, insbesondere kleiner als 2°, insbesondere kleiner als 1 ° sein.
Mittels obiger Dimensionierungsregeln kann der Fachmann, beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Tabellenkalkulationsprogramms, eine Tabelle berechnen, die für eine Vielzahl von Tupeln aus vorgegebenem Toleranzwinkel ocτ, Lamellenanzahl k, Polzahl 2p, zweiter ungerader natürlicher Zahl U2 und Polteilungswinkel ocp jeweils einen Winkeltoleranzbereich für den ersten Umfangswinkel oci angibt. Um aus ökonomischen Gründen auf Beifügung einer umfangreichen tabellarischen Übersicht zu verzichten, wird Folgendes angemerkt: Insbesondere für den Fall einer sogenannten "zufälligen Vorwegnahme" sollen alle mittels obiger Dimensionierungsregeln berechenbaren Winkeltoleranzbereiche nicht nur in ihrer Gesamtheit als offenbart gelten, sondern jeder einzelne der so berechenbaren Winkeltoleranzbereiche (zumindest implizit) auch für sich genommen als offenbart gelten.
Die Last an der elektrischen Maschine kann mechanisch sein, während der Antrieb elektrisch ist (Motorbetrieb). Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Maschine mechanisch angetrieben werden, während die Last der elektrischen Maschine elektrisch ist (Generatorbetrieb).

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine, insbesondere elektrischer Motor, wobei die elektrische Maschine eine erste Anzahl (k) von Kommutatorlamellen (10, 12, 14) sowie Bürsten (16, 18) aufweist, wobei die Kommutatorlamellen (10, 12, 14) in Umfangsrichtung gleichverteilt auf einem Umfang eines Lamellenträgers (24) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürsten (16, 18) derart angeordnet sind, dass zur Reduzierung einer Stromwelligkeit bei Verwendung einer Wellenwicklung und einer Anzahl von Bürsten (16, 18), die kleiner als eine Polzahl (2p) der elektrischen Maschine ist, Kommutierungszeitpunkte möglichst gleichmäßig verteilt sind.
2. Elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 , insbesondere elektrischer Motor, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürsten (16, 18) ein erstes Bürstenpaar (16, 18) umfassen, wobei zwischen einer ersten Radialachse (20) einer ersten (16) der Bürsten (16, 18) des ersten Bürstenpaares (16, 18) und einer zweiten Radialachse (22) einer zweiten (18) der Bürsten (16, 18) des ersten Bürstenpaares (16, 18) ein erster Umfangswinkel oci besteht, dessen Absolutbetrag abs (α-i) von einem Bürstensollab- standswinkel
ocsoii = (36072k) (2 floor (U2 (k/2p)) + 1 )
um nicht mehr als einen Toleranzwinkel ατ abweicht, wobei U2 eine ungerade natürliche Zahl ist, abs () eine Absolutbetragsfunktion ist, floor () eine Ganzzahlabrundungsfunktion ist und ατ ein Toleranzwinkel ist, der kleiner ist als 8°, insbesondere kleiner ist als 4°, insbesondere kleiner ist als 2°, insbesondere kleiner ist als 1 °.
3. Elektrische Maschine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
Figure imgf000011_0001
ist, wobei αp ein Polteilungswinkel der elektrischen Maschine ist.
4. Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, insbesondere elektrischer Motor, wobei die elektrische Maschine eine erste Anzahl (k) von Kommutatorlamellen (10, 12, 14) sowie ein Bürstenpaar (16, 18) aufweist, wobei die Kommutatorlamellen (10, 12, 14) in Umfangsrichtung gleichverteilt auf einem Umfang eines Lamellenträgers (24) angeordnet sind, wobei eine erste Radialachse (20) einer ersten (16) der Bürsten (16, 18) und eine zweite Radialachse (22) einer zweiten (18) der Bürsten (16, 18) einen ersten Umfangswinkel (od) zwischen sich einschließen, dadurch gekennzeichnet, dass
einer erster Absolutbetrag (B1 ) einer ersten Differenz (D1 ) aus dem ersten Umfangswinkel (od) abzüglich eines ersten Produkts (αS0n) eines halben (ocκ/2) Lamellenteilungswinkels (ocκ) der elektrischen Maschine mit einer ersten ungeraden natürlichen Zahl (U1 ) kleiner ist als ein Toleranzwinkel (ocτ), wobei die erste ungerade natürliche Zahl (U1 ) gleich Eins plus dem Zweifachen (2[P3]) eines auf eine Ganzzahl ([P3]) abgerundeten dritten Produkts (P3) aus einer zweiten ungeraden natürlichen Zahl (U2) multipliziert mit einem Quotienten (Q1 ) aus einem Polteilungswinkel (αP) der elektrischen Maschine geteilt durch den Lamellenteilungswinkel (ocκ) ist,
wobei ein zweiter Absolutbetrag (B2) einer zweiten Differenz (D2) aus dem ersten Umfangswinkel (od) abzüglich eines zweiten Produkts (αkOnv) aus dem Polteilungswinkel (αp) der elektrischen Maschine multipliziert mit der zweiten ungeraden natürlichen Zahl (U2) größer ist als der Toleranzwinkel (OCT),
wobei der Toleranzwinkel (ocτ) kleiner ist als 8°, insbesondere kleiner ist als 4°, insbesondere kleiner ist als 2°, insbesondere kleiner ist als 1 °.
5. Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf eine Ganzzahl ([(U2/2)+ (1/2)]) aufgerundete Hälfte (U2/2) der zweiten ungeraden natürlichen Zahl (U2) kleiner oder gleich einem auf eine Ganzzahl ([(p/2) + (1/2)]) aufgerundeten Viertel (p/2) der Polzahl (2p) ist.
6. Elektrische Maschine gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Differenz (D1 ) positiv oder negativ ist.
7. Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zweifache (2Q1 ) des ersten Quotienten (Q1 ) keine natürliche Zahl ist.
8. Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polzahl (2p) kleiner als 11 , insbesondere kleiner als 9, insbesondere kleiner als 7 ist.
9. Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutatorlamellenanzahl (k) kleiner als 27, insbesondere kleiner als 25, insbesondere kleiner als 23, insbesondere kleiner als 21 , insbesondere kleiner als 19, insbesondere kleiner als 17, insbesondere kleiner als 15 ist.
10. Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite ungerade natürliche Zahl (U2) kleiner als 10, insbesondere kleiner als 8, insbesondere kleiner als 6, insbesondere kleiner als 4, insbesondere kleiner als 2 ist.
1 1. Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste ungerade natürliche Zahl (U1 ) gleich fünf und die zweite ungerade natürliche Zahl (U2) gleich Eins ist, insbesondere wobei das erste Produkt (αS0n) gleich 64,3° oder gleich 34,6° ist.
12. Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Läufer (24) und/oder ein Ständer der elektrischen Maschine eine Wellenwicklung, insbesondere eine eingängige Wellenwicklung, aufweist.
13. Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine ein Servomotor oder ein Wischermotor ist.
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