DE102008021071A1

DE102008021071A1 - Bürstenanordnung bei einem Elektromotor

Info

Publication number: DE102008021071A1
Application number: DE102008021071A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Strobel
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2008-04-26
Filing date: 2008-04-26
Publication date: 2009-11-05

Abstract

Es wird ein effektiver bürstenkommutierter Elektromotor (1) angegeben, der ein besonders auswertungsfreundliches Rippelverhalten aufweist. Der Elektromotor (1) umfasst einen Bürstenkommutator (5) mit zwei Bürsten (15) und einer Anzahl (l) von Kommutatorlamellen (13), wobei diese Lamellenanzahl (l) von jedem Vielfachen (n) der Motorpolzahl (p) abweicht und wobei die Bürsten (15) zueinander um einen Bürstenversatzwinkel (alpha) versetzt angeordnet sind, der etwa einem Vielfachen des Lamellenteilungswinkels (phil) entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Bürstenkommutator. Solche Elektromotoren werden unter anderem als Stellantriebe in der Kraftfahrzeugtechnik, insbesondere zur motorischen Verstellung von Sitzen und Sitzteilen verwendet.
Bei einem bürstenkommutierten Elektromotor ist in der Regel der Läufer mit einer Erregerspule bewickelt, die über den Kommutator mit einem Erregerstrom versorgt wird. Zur Aufnahme der Erregerwicklung umfasst der Läufer eines solchen Elektromotors üblicherweise einen in Querschnitt etwa stern- oder speichenradförmigen Läuferkern mit einer Anzahl von Zähnen und zwischen diesen Zähnen gebildeten Nuten, in die die Erregerwicklung eingelegt ist.
Der Kommutator umfasst üblicherweise einen drehfest mit dem Läufer gekoppelten Lamellenkranz. Der Lamellenkranz umfasst wiederum eine Anzahl von als Lamellen bezeichneten elektrischen Kontaktfeldern, die über den Umfang des Lamellenkranzes gleichmäßig verteilt angeordnet und elektrisch mit der Erregerwicklung verbunden sind. Die Anzahl der Lamellen entspricht dabei in der Regel der Anzahl der Zähne bzw. Nuten des Läufers.
Der Kommutator umfasst weiterhin eine Anzahl von – üblicherweise zwei – Bürsten aus leitfähigem Material, insbesondere Graphit (Hammerkohle), über die die Versorgungsspannung an den Lamellenkranz angelegt wird. Die Bürsten sind ortsfest mit dem Ständer des Motors montiert, so dass bei Läuferdrehung der Lamellenkranz unter den fest stehenden Bürsten abrollt. Bei den in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzten Stellmotoren handelt es sich meist um Gleichstrommotoren. Der Kommutator ist hierbei eingangsseitig direkt oder indirekt mit der Versorgungsspannung, insbesondere der Kraftfahrzeugbatterie verbunden.
Bei der Kommutierung des Motors, d. h. bei der in Folge der Läuferdrehung wechselnden Kontaktierung der Kommutatorlamellen durch die Bürsten, kommt es zu charakteristischen Fluktuationen des Motorstroms, die als Stromrippel bezeichnet werden. Für die meisten Anwendungsfälle eines Elektromotors stellen diese Stromrippel ein unerwünschtes Störsignal dar. Es wird deshalb in der Regel versucht, die Stromrippel nach Möglichkeit zu unterdrücken. Für bestimmte Anwendungen, insbesondere in der Kraftfahrzeugstelltechnik, werden die Stromrippel dagegen gezielt ausgenutzt, um – durch Zählung der Stromrippel – bestimmte Motorgrößen wie die Läuferstellung, Drehzahl und/oder Beschleunigung des Motors zu ermitteln.
Um diese Motorgrößen zuverlässig aus dem zeitlichen Verlauf des Motorstroms bestimmen zu können, ist ein ausgeprägtes, gleichmäßiges und glattes Rippelmuster von Vorteil. Die herkömmlicherweise in der Kraftfahrzeugstelltechnik eingesetzten Elektromotoren erfüllen diese Anforderung oft nur schlecht, worunter die Zuverlässigkeit der Rippelauswertung leidet. Dieses Problem tritt in besonderem Maße bei Elektromotoren auf, deren Nuten- bzw. Lamellenanzahl kein ganzes Vielfaches der Motorpolzahl bildet. Motoren der letztgenannten Art werden aber andererseits aus Gründen der guten Laufeigenschaften, insbesondere der geringen Geräuschentwicklung in der Kraftfahrzeugstelltechnik bevorzugt eingesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen effektiven bürstenkommutierten Elektromotor anzugeben, der ein besonders auswertungsfreundliches Rippelverhalten aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach sind bei einem bürstenkommutierten Elektromotor, dessen Lamellenanzahl kein ganzes Vielfaches der Motorpolzahl ist, dessen Lamellenanzahl also von jedem Vielfachen der Motorpolzahl abweicht, die mindestens zwei Bürsten des Kommutators zueinander um einen Bürstenversatzwinkel versetzt angeordnet, der etwa einem Vielfachen des Lamellenteilungswinkels entspricht.
Als Bürstenversatzwinkel ist hierbei konkret der zwischen den Mittelachsen zweiter zueinander benachbarter Bürsten gebildete Winkel bezeichnet. Der Lamellenteilungswinkel entspricht dagegen dem durch die Lamellenanzahl dividierten Vollkreiswinkel.
Bei der vorstehend beschriebenen Bürstenanordnung wird gezielt von dem herkömmlichen Kommutatordesign abgewichen, gemäß dem der Bürstenversatzwinkel stets derart gewählt wird, dass er dem durch die Motorpolzahl dividierten Vollkreiswinkel – nachfolgend als Polteilungswinkel bezeichnet – entspricht. Bei einem zweipoligen Motor wird also herkömmlicherweise stets ein einem Halbkreis entsprechender Bürstenversatzwinkel von 180° vorgesehen, bei einem vierpoligen Motor entsprechend ein einem Viertelkreis entsprechender Bürstenversatzwinkel von 90°, etc.
Durch die erfindungsgemäße Bürstenanordnung wird erreicht, dass bezüglich der Bürsten des Kommutators in jeder Läuferstellung stets dieselbe Kommutierungssituation vorliegt. Je nach Läuferstellung steht nämlich entweder jede Bürste in Kontakt mit lediglich einer einzigen zugeordneten Lamelle oder jede Bürste überlappt zwei angrenzende Lamellen in gleicher Weise. Insbesondere finden also die den einzelnen Bürsten zugeordneten Kommutierungsvorgänge stets gleichzeitig statt. Die Bürsten des Kommutators wechseln mit anderen Worten stets gleichzeitig von einer Lamelle auf die in Läuferdrehrichtung nachfolgende Lamelle. Dies führt zu einer wesentlichen Glättung des Rippelmusters insofern, als Zwischenrippel unterdrückt werden und erleichtert somit signifikant die Auswertung der Stromrippel.
Um das Bürstenfeuer bei der Kommutierung des Elektromotors möglichst gering zu halten bzw. um möglichst nahe an der neutralen Zone zu kommutieren, ist der Bürstenversatzwinkel – unter Einhaltung der obigen Bedingung, dass der Bürstenversatzwinkel etwa einem Vielfachen des Lamellenteilungswinkels entspricht – möglichst nahe an dem Polteilungswinkel gewählt. Als Bürstenversatzwinkel wird also dasjenige Vielfache des Lamellenteilungswinkels gewählt, dessen Differenzwinkel zu dem Polteilungswinkel minimal ist.
Falls zwei Vielfache des Lamellenteilungswinkels in dem gleichen oder einem zumindest vergleichbaren Differenzwinkel zu dem Polteilungswinkel stehen, falls also der Polteilungswinkel etwa mittig zwischen zwei Vielfachen des Lamellenteilungswinkels liegt, kann als Bürstenversatzwinkel im Sinne der Erfindung grundsätzlich jedes dieser benachbarten Vielfachen des Lamellenteilungswinkels gewählt werden. Zur Erzielung einer besonders großen Motoreffizienz bei gleichzeitig gutem Rippelverhalten hat es sich aber als besonders vorteilhaft erwiesen, den Bürstenversatzwinkel geringfügig größer zu wählen als den Polteilungswinkel. Von zwei Vielfachen des Lamellenteilungswinkels, die in etwa gleichem Abstand zu dem Polteilungswinkel stehen, wird daher vorzugsweise der dem größeren Vielfachen entsprechende Winkel als Bürstenversatzwinkel herangezogen.
Als besonders vorteilhaft im Hinblick auf die erreichbare Leistung (insbesondere auf das erreichbare Füllvolumen des Läufers), den Bauraumbedarf, die Laufeigenschaften (insbesondere die Geräuschentwicklung) sowie die Herstellungskosten des Motors hat sich eine 4-polige Ausführung des Motor mit zehn Nuten des Läuferkerns, und entsprechend zehn Kommutatorlamellen erwiesen. In der besonders bevorzugten Ausführungsform des Elektromotors hat also die Motorpolzahl den Wert 4 und die Lamellenanzahl den Wert 10. In diesem Fall beträgt der Bürstenversatzwinkel vorteilhafterweise etwa 108°. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile lassen sich aber natürlich in eingeschränktem Umfang auch mit einem geringfügig von 108° abweichenden Bürstenversatzwinkel, insbesondere mit einem Bürstenversatzwinkel im Bereich zwischen 98° und 118° erzielen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen, bürstenkommutierten Elektromotor mit Polzahl 4, Lamellenanzahl 10 und einem Bürstenversatzwinkel von 108°,
2 in einem schematischen Diagramm gegen die Zeit die Motorspannung und den Motorstrom bei dem Elektromotor gemäß 1,
3 zum Vergleich in 1 entsprechender Darstellung einen herkömmlichen Elektromotor mit Motorpolzahl 4 und Lamellenanzahl 10, bei dem der Bürstenversatzwinkel 90° beträgt, sowie
4 in Darstellung gemäß 2 die Motorspannung und den Motorstrom für den in 3 dargestellten Motor.
Der in 1 dargestellte (Elektro-)Motor 1 umfasst einen Läufer 2, der um eine Motorachse 3 drehbar in einem Ständer 4 gelagert ist. Der Elektromotor 1 umfasst weiterhin einen (Bürsten-)Kommutator 5.
Der Läufer 2 umfasst einen im Querschnitt etwa stern- oder speichenradförmigen Läuferkern 6 mit zehn etwa nach Art von Speichen radial nach außen abstehenden (Läufer-)Zähnen 7, wobei zwischen je zwei benachbarten Zähnen 7 eine (Läufer-)Nut 8 gebildet ist. Entsprechend der Anzahl von Zähnen 7 ist der Läufer 2 auch mit zehn Nuten 8 versehen. Die Zähne 7 sind mit einer (nicht dargestellten) Erregerwicklung bewickelt. Die zur Motorachse 3 parallelen Leitungsabschnitte der Erregerwicklung liegen dabei jeweils in den Nuten 8 ein.
Der Ständer 4 umfasst einen hohlzylindrischen Magnetring 9, der insbesondere aus einem mit Magnetpulver gefüllten Kunststoff gebildet ist. Das Magnetpulver ist hierbei derart ausgerichtet, dass um den Umfang des Magnetrings 9 gleich verteilt vier Magnetpole 10a bis 10d gebildet sind, die zueinander jeweils alternierend gegensinnig gepolt sind.
Der Kommutator 5 umfasst einen Lamellenkranz 11, der über eine (in 1 durch eine gepunktete Linie schematisch angedeutete) Motorwelle 12 drehfest mit dem Läufer 2 gekoppelt ist. Um den Umfang des Lamellenkranzes 11 sind zehn als Lamellen 13 bezeichnete elektrische Kontaktfelder gleich verteilt angeordnet. Die Lamellen 13 sind (in nicht näher dargestellter Weise) mit der auf den Läufer 2 aufgewickelten Erregerwicklung leitend verbunden. Zwischen je zwei benachbarten Lamellen 13 ist eine Lücke 14 gebildet, die diese Lamellen 13 gegeneinander isoliert. Der Kommutator 5 umfasst weiterhin zwei (Kohlenstoff-)Bürsten 15, die federbelastet gegen, d. h. in Richtung auf den Umfang des Lamellenkranzes 11 vorgespannt sind und somit mit ihrer radial inneren Seite die jeweils angrenzenden Lamellen 13 des Lamellenkranzes 11 kontaktieren.
Die Bürsten 15 sind motorintern mit den zum Anlegen der Motorspannung vorgesehenen Motoranschlüssen verschaltet. In Betrieb des Motors 1 wird über diese Motoranschlüsse eine Batteriespannung an die Bürsten 15 angelegt und über die jeweils mit den Bürsten 15 kontaktierenden Lamellen 13 auf die Erregerwicklung gegeben.
Der vorstehend beschriebene Motor 1 ist charakterisiert durch

– eine der Anzahl der Magnetpole 10a bis 10d des Ständers 4 entsprechende Motorpolzahl p = 4, sowie
– eine der Anzahl der auf dem Lamellenkranz 11 angeordneten Lamellen 13 entsprechende Lamellenanzahl l = 10.

Bedingt durch die Gleichverteilung der Lamellen 13 über den Umfang des Lamellenkranzes 11 ist zwischen dem Schwer- oder Mittelpunkt je zweier benachbarter Lamellen 13 jeweils ein Lamellenteilungswinkel φ_l = 36° gebildet. Der Lamellenteilungswinkel φ_l ist dabei allgemein gegeben durch φl = 360°l .Glg. 1
Entsprechend nimmt bedingt durch die Gleichverteilung der Magnetpole 10a bis 10d über den Umfang des Ständers 4 jeder Magnetpol 10a bis 10d etwa einen nachfolgend als Polteilungswinkel φ_p bezeichneten Umfangswinkelbereich von 90° ein. Dieser Polteilungswinkel φ_p ist allgemein gegeben durch φp = 360°p .Glg. 2
Die Bürsten 15 sind in Umfangsrichtung des Lamellenkranzes 11 zueinander um einen Bürstenversatzwinkel α versetzt angeordnet, der bei dem dargestellten Motor 1 einen Betrag von 108° hat.
Dieser Betrag des Bürstenversatzwinkels α ergibt sich aus der Motorpolzahl p und der Lamellenanzahl l des Motors 1 unter Berücksichtigung der folgenden Bedingungen:

– Der Bürstenversatzwinkel α soll ein ganzzahliges Vielfaches n = 2, 3, 4, ..., l – 1 des Lamellenteilungswinkels φ_l betragen.
– Die Winkeldifferenz zwischen dem Bürstenversatzwinkel α und dem Polteilungswinkel φ_p soll minimal sein.
– Von gegebenenfalls zwei die vorstehenden Bedingungen in etwa gleicher Weise erfüllenden Winkeln wird der größere, in diesem Fall also der Winkelbetrag 3·36° = 108° für den Bürstenversatzwinkel α herangezogen.

2 zeigt in einem Diagramm für den in 1 dargestellten Motor 1 eine Messkurve des Motorstroms I gegen die Zeit t bei konstanter Motorspannung U.
Dem Diagramm ist zu entnehmen, dass der Motorstrom I einen periodisch fluktuierenden, etwa sägezahnartigen Verlauf aufweist. Die einzelnen „Zähne” des Stromverlaufs sind hierbei als Stromrippel 16 bezeichnet. Dem Diagramm ist insbesondere zu entnehmen, dass der Verlauf des Motorstroms I innerhalb jedes Stromrippels 16 in guter Näherung glatt ist, dass also die Stromrippel 16 nicht signifikant von weiteren Fluktuationen des Motorstroms I überlagert sind.
Zum Vergleich ist in 3 ein herkömmlicher (Elektro-)Motor 1' dargestellt. Dieser Motor 1' entspricht hinsichtlich seines Aufbaus dem vorstehend beschriebenen Motor 1, und weist insbesondere auch eine Motorpolzahl p = 4 und eine Lamellenanzahl l = 10 auf. Im Unterschied zu dem Motor 1 sind aber bei dem Motor 1' die Bürsten um einen dem Polteilungswinkel φ_p entsprechenden Bürstenversatzwinkel α = φ_p = 90° zueinander versetzt.
4 zeigt für diesen Motor in einer 2 entsprechenden Darstellung wiederum den zeitlichen Verlauf des Motorstroms I bei konstanter Motorspannung U. Dem Vergleich beider Diagramme ist zu entnehmen, dass bei dem Motor 1' der Stromverlauf wesentlich stärker strukturiert ist als bei dem Motor 1, was zur Folge hat, dass bei vergleichbaren Betriebsbedingungen die durch die Stromrippel 16 verursachten Stromschwankungen auf wesentlich kürzen Zeitskalen erfolgen. Dies wiederum erschwert eine zuverlässige Auswertung des Stromverlaufs.
Die vorstehend angegebenen Bedingungen für die erfindungsgemäße Bürstenanordnung werden in allgemeiner mathematischer Form wiedergegeben durch die Formel
Für eine weitere (nicht näher dargestellte) Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromotors mit Motorpolzahl p = 4 und Lamellenanzahl l = 14 ergibt sich aus Gig. 3 beispielsweise ein Bürstenversatzwinkel α von 102,86°.

1, 1': (Elektro-)Motor
2: Läufer
3: Motorachse
4: Ständer
5: (Bürsten-)Kommutator
6: Läuferkern
7: (Läufer-)Zahn
8: (Läufer-)Nut
9: Magnetring
10a–d: Magnetpol
11: Lamellenkranz
12: Motorwelle
13: Lamelle
14: Lücke
15: Bürste
16: Stromrippel
α: Bürstenversatzwinkel
φ_l: Lamellenteilungswinkel
φ_p: Polteilungswinkel
l: Lamellenanzahl
n: Vielfaches (n = 2, 3, ..., l – 1)
p: Polzahl
t: Zeit
I: Motorstrom
U: Motorspannung

Claims

Elektromotor (1) mit einem Bürstenkommutator (5), der zwei Bürsten (15) und eine Anzahl (l) von Kommutatorlamellen (13) aufweist, wobei diese Lamellenanzahl (l) von jedem Vielfachen (n) der Motorpolzahl (p) abweicht, und wobei die Bürsten (15) zueinander um einen Bürstenversatzwinkel (α) versetzt angeordnet sind, der etwa einem Vielfachen des Lamellenteilungswinkels (φ_l) entspricht.
Elektromotor (1) nach Anspruch 1, wobei der Bürstenversatzwinkel (α) derart gewählt ist, dass der Differenzwinkel des Bürstenversatzwinkels (α) zu dem Polteilungswinkel (φ_p) minimal ist.
Elektromotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Bürstenversatzwinkel (α) größer als der Polteilungswinkel (φ_p) ist.
Elektromotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Motorpolzahl (p) den Wert Vier hat, und die Lammellenanzahl (l) den Wert Zehn hat, und wobei der Bürstenversatzwinkel (α) etwa 108° beträgt.