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Die
Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Kommutatormotor, der insbesondere
zur Verstellung einer Fahrzeugkomponente, z. B. einer Fahrzeugsitz-Komponente vorgesehen
ist.
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Bei
Elektromotoren zur Verstellung unterschiedlicher Komponenten im
Fahrzeug ist es zum Teil vorgesehen, eine zuvor gespeicherte Position bzw.
Ausgangsposition wieder aufzufinden. Hierzu gibt es zum einen Motoren
mit Positionssensoren, z. B. einem Hallsensor oder einem Potentiometer,
die direkt die jeweilige Position ermitteln. Weiterhin sind Elektromotoren
mit Ripple-Count-Technologie bekannt, bei denen die Position sensorlos
ermittelt wird.
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Bei
Kommutatormotoren wird üblicherweise der
Strom von einer Stromversorgung bzw. einer Steuereinrichtung über Bürsten zugeführt, die
an dem in mehrere Lamellen unterteilten, zur Stromwendung dienenden
Kommutator anliegen. Die Lamellen sind am Umfang des Kommutators
gegeneinander isoliert und werden bei Drehung des aus den Ankerwicklungen,
Motorwelle und Kommutator gebildeten Rotors entsprechend aufeinander
folgend über
die Bürsten
bestromt. Hierbei gelangt jede Bürste
von einer Lamelle aus nachfolgend auf den isolierten Zwischenbereich
zwischen zwei Lamellen, wobei sie die beiden benachbarten Lamellen
kurzzeitig kontaktiert und damit kurzschließt bzw. überbrückt. Dieser Übergang
der Bürste
von einer Lamelle zur nächsten
ist mit einer Änderung
im Stromsignal verbunden, das von der Steuereinrichtung ausgelesen
wird. Die Elektromotoren erzeugen auf diese Weise im Betrieb entsprechend
ihrer Lamellenanzahl am Kommutator periodisch wiederkehrende Stromänderungen,
die als ”Stromrippel” bezeichnet
werden. Die Stromrippel können
von der Steuereinrichtung zur Positionser kennung genutzt werden,
ohne dass hierfür
Sensoren mit der entsprechenden Verkabelung erforderlich sind.
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Nicht
jeder Gleichstrom-Kommutatormotor eignet sich für die gebrauchsmäßige Anwendung
des Ripple-Count-Verfahrens. Damit ein derartiger Kommutatormotor
für Anwendungen
beispielsweise als Antrieb für
eine automatische Sitzverstellung einsetzbar ist, müssen die
Stromrippel in Form und im zeitlichen Abstand ausreichend ausgeprägt sein,
um für eine
Steuereinheit sicher unterscheidbar und noch mit toleriebaren Fehlern
messbar zu sein.
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Üblicherweise
werden zweipolige Kommutatormotoren in Verbindung mit einem Ripple-Count-Verfahren
eingesetzt. Ein Nachteil zweipoliger Kommutatormotoren ist allerdings
das ungünstige
Verhältnis
von Gewicht und Leistung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstrom- Kommutatormotor
zu schaffen, der eine sichere Auswertung im Ripple-Count-Verfahren ermöglicht,
und der bei geringem Gewicht eine hohe Leistung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Gleichstrom-Kommutatormotor nach Anspruch
1 gelöst. Die
Unteransprüche
beschreiben bevorzugte Weiterbildungen. Hierbei sind insbesondere
auch die gesamte Motoranordnung aus dem Kommutatormotor und der
Steuereinrichtung zur Durchführung
des Ripple-Count-Verfahrens, sowie ein Verstellsystem zur Verstellung
einer Fahrzeugkomponente vorgesehen.
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Erfindungsgemäß umfasst
der Gleichstrom-Kommutatormotor Ankerwicklungen, einen Kommutator
mit in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Lamellen, zwei an den
Lamellen anliegenden Bürsten
zur Stromversorgung der Ankerwicklungen und zum Aufnehmen von Stromrippel-Signalen
Ir, eine Motorwelle, und einen Magnetsatz zur Ausbildung eines vierpoligen
Magnetfeldes, wobei die Ankerwicklungen und der Kommutator mit der
Motorwelle als drehbarer Rotor angeordnet sind, wobei eine Lamellenanzahl
n der Lamellen des Kommutators gleich einem ganzzahligen Vielfachen
von vier ist, und die beiden Bürsten
unter einem Bürstenwinkel α von 90° zueinander
auf dem Kommutator angeordnet sind.
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Durch
die spezielle Anzahl (n) der Lamellen (n = 4, 8, 12, ...) und die
rechtwinklige Anordnung der Bürsten
kann der Übergang
zwischen den Lamellen und die hieraus resultierenden Stromrippel
für beide Bürsten im
Wesentlichen zum selben Zeitpunkt erzeugt werden, so dass sich die
den jeweiligen Bürsten
zugeordneten Stromrippel überlagern
und die Rippelfrequenz bzw. Rippelzahl pro Umdrehung der Lamellenanzahl
entspricht. Auf diese Weise kann ein ausreichender Zeitabstand und
eine ausreichende Trennung zwischen benachbarten Rippeln erreicht werden,
was die Anwendung des Ripple-Count-Verfahrens bzw. die sensorlose
Messung ermöglicht. Der
Aufbau des Kommutatormotors als vierpoliger Motor ermöglicht hierbei
eine hohe Leistung bei geringem Gewicht, insbesondere im Vergleich
zu einem zweipoligen Motor.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die beiden
Bürsten
derart ausgebildet sind, dass diese gleichzeitig zwei benachbarte
Lamellen kurzschließen.
Durch diese Maßnahme
wird erreicht, dass die Ausprägung
der Stromrippel, insbesondere die ”Amplitude” der Stromrippel, verbessert
ist. Die ”Amplitude” eines
Stromrippels bestimmt sich dabei aus dem minimalen und maximalen
Wert des Stroms innerhalb der Zeitperiode eines Stromrippels.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
eine Anliegefläche
einer Bürste,
mit der die Bürste
an einer Gegenfläche
des Kommutators anliegt, mit einem Radius ausgebildet ist, der größer oder
gleich einem Radius der Gegenfläche
des Kommutators ist, vorzugsweise im Rahmen möglicher und für die bezweckte
Anwendung angemessener Herstellungstoleranzen dem Radius der Gegenfläche entspricht.
Dadurch, dass der Radius der Anliegefläche der Bürste größer oder gleich dem Radius
der Gegenfläche
ist, die durch den Kommutator ausgebildet wird, kann das Geräusch, das durch
das Überfahren
der isolierten Bereiche zwischen den Lamellen entsteht, reduziert
werden. Entspricht für
Bürste
und Kommutator der Radius der Gegenfläche dem Radius der Anliegefläche, begünstigt dies
das Kurzschließen
benachbarter Lamellen durch die Bürsten und eine saubere Ausprägung der Stromrippel.
Auch die zeitliche Übereinstimmung
des Kurzschließens
durch die beiden Bürsten
kann auf diese Weise optimiert werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
der Kommutatormotor zusätzlich
eine Bürstenführung aufweist,
in der eine Bürste
geführt
ist, wobei die Bürstenführung im
Rahmen möglicher
und für
die bezweckte Anwendung angemessener Herstellungstoleranzen spielfrei
ausgebildet ist. Die spielfreie Führung der Bürste bezweckt die Minimierung
eines Verkippens der Bürste gegenüber dem
Kommutator insbesondere während des
Betriebs des Kommutatormotors und eine damit in der Regel verbundene
Verkleinerung der Anliegefläche
der Bürste
an dem Kommutator. Durch das Verhindern eines Verkippens der Bürste bleibt
die tatsächliche
Anliegefläche
der Bürste
auch im Betrieb des Kommutatormotors weitestgehend erhalten. Des Weiteren
wird durch diese Maßnahme
das erwünschte
identische Verhalten der Bürsten
verbessert. Auf diese Weise lässt
sich ebenfalls die Ausprägung
der Stromrippel verbessern.
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Die
erfindungsgemäße Motoranordnung kann
insbesondere zur Verstellung einer Sitzkomponente, z. B. zur Längsverstellung,
Lehnenneigungsver stellung oder Höhenverstellung
der Kopfstütze verwendet
werden. Weiterhin sind auch Verwendungen z. B. als Fensterheber,
Schiebedachverstellung und elektrische Lenksäule usw. möglich.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen
an einer Ausführungsform näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Elektromotor für
eine Sitzverstellung im Axialschnitt;
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2 eine
Ansicht auf den Kommutator des Elektromotors aus 1;
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3 eine
schematische Aufsicht auf eine in einer Bürstenführung geführten Bürste und auf ein Kommutator
des Elektromotors;
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4 ein
Strom-Zeit-Diagramm des erfindungsgemäßen Elektromotors;
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5 einen
vergrößerte, schematische
Darstellung eines einzelnen Stromrippels.
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Ein
Elektromotor 1 einer Motoranordnung 16 weist gemäß 1, 2 und 3 ein
zylindrisches Gehäuse 2,
einen als Stator dienenden Magnetsatz 3 sowie einen Rotor
auf, der aus einer Welle 4, Ankerwicklungen 5 und
einem Kommutator 6 gebildet wird. Der Magnetsatz 3 umfasst
zwei Polpaare 3.1, 3.2, die vier permanent erregte
Statorpole bilden. An dem Kommutator 6 des vierpoligen
Motors 1 sind gemäß 2 acht
Lamellen 7 in Umfangsrichtung angeordnet. An den Lamellen 7 liegen
unter einem Bürstenwinkel
(α) von
90° angeordnet
zwei Bürsten 8 an.
An die beiden Bürsten 8 wird
von einer Steuereinrichtung 12 über zwei Leitungen 10 eine
Gleichspannung U, z. B. als PWM-Signal angelegt, so dass sich ein
Strom 1 einstellt. Das Lamelle-Bürsten-System dient
somit in bekannter Weise als mechanische Kommutierung des Kommutatormotors 1.
Die Bürsten 8 werden
in einer Bürstenführung 11 geführt, siehe 3,
und federnd gegen den Kommutator 6 ge drückt. Der Übersicht wegen sind in 3 nur
eine Bürste 8 und
eine Bürstenführung 11 dargestellt.
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Die
Lamellen 7 sind gleichmäßig über den Umfang
des Kommutators 6 verteilt angeordnet, wobei die Bürsten 8 bei
der Drehbewegung des Rotors 4, 5, 6 auf
ihnen gleiten. Somit gelangt jede Bürste 8 periodisch
auf eine Nut 7a bzw. isolierten Zwischenraum zwischen zwei
Lamellen 7. Die Bürsten 8 sind mit
einer Anliegefläche 13 ausgebildet,
die sich über eine
Nut 7a erstreckt, wodurch die Bürsten 8 benachbarte
Lamellen 7 kurzzeitig kurzschließen. Der Übergang der Bürsten 8 zwischen
benachbarten Lamellen 7 führt zur Ausbildung von Stromrippeln
Ir.
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3 zeigt
im Strom-Zeit-Diagramm die Stromstärke I in Abhängigkeit
der Zeit t. Die Stromrippel Ir sind hierbei in Form und Größe schematisiert dargestellt.
T gibt die Periode bzw. Umlaufzeit des Elektromotors 1 an.
Dadurch, dass der Kommutator 6 acht Lamellen 7 aufweist
und aufgrund der rechtwinkligen Anordnung der Bürsten 8 entspricht
eine Umdrehung des Rotors 4, 5, 6 acht
Rippeln im Strom-Zeit-Diagramm. Die von den Ankerwicklungen 5 erzeugten
Stromrippel Ir werden von der Steuereinrichtung 12 gemessen
und mittels eines an sich bekannten Ripple-Count-Verfahrens ausgewertet.
Hierdurch kann die Steuereinrichtung 12 die Position des Rotors 4, 5, 6 bestimmen,
insbesondere ohne einen zusätzlichen
Positionssensor wie z. B. Hall-Sensor oder ein Potentiometer zu
verwenden. In diesem Ausführungsbeispiel
mit acht Lamellen 7 zählt
das Steuergerät 12 beispielsweise
bei einer Drehzahl von z. B. 50 Umdrehungen pro Sekunde 400 Rippel
pro Sekunde.
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Alternativ
kann ein anderes, ganzzahliges Vielfaches von vier als Anzahl für die Lamellen 7 gewählt werden,
beispielsweise vier, zwölf,
sechzehn, usw.. Die Wahl von acht Lammellen 7 erlaubt allerdings
einen ausreichenden zeitlichen Abstand zwischen benachbarten Stromrippeln,
was für
eine siche re Unterscheidung benachbarter Rippel vorteilhaft ist,
sowie einen ausreichenden Gleichlauf des Elektromotors 1.
Besonders bevorzugt ist eine Ausbildung mit zwölf Lamellen.
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5 zeigt
ein einzelnes Stromrippel Ir in einer vergrößerten Ansicht. Durch verschiedene
sich überlagernde
Effekte ist das Stromrippel Ir in der Regel nicht als ideales Stromrippel
Ir' ausgebildet,
sondern besitzt eine reduzierte ”Amplitude” und kann insbesondere mehrere
lokale Maxima und Minima aufweisen. Derartige Effekte erschweren
die sichere Unterscheidung von benachbarten Stromrippeln.
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Um
eine ausreichende Ausprägung
der Stromrippel Ir zu erreichen, sind die Bürsten 8 derart ausgebildet,
dass diese gleichzeitig zwei benachbarte Lamellen kurzschließen. Des
weiteren sind die Anliegeflächen 13 der
Bürsten
im Wesentlichen identisch in Form und Abmessungen ausgebildet und
mit einem Radius ausgebildet, der dem Radius 15 einer Gegenfläche 14 des
Kommutators 6, die durch Lamellen 7 und Nuten 7a gebildet
wird, entspricht. Die Bürstenführung 11 ist
zur im Rahmen angemessener Herstellungstoleranzen möglichen
spielfreien Führung
einer Bürste 8 ausgebildet,
um ein Verkippen der Bürste
insbesondere während
des Betriebs des Elektromotors 1 und damit einer Reduzierung
der Anliegeflächen 13 entgegenzuwirken.
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Die
Motoranordnung 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel Bestandteil
eines Verstellsystems für ein
Fahrzeug, hier eines Verstellsystems für die automatische Verstellung
eines Fahrzeugsitzes. Das Verstellsystem ist u. a. durch eine geeignete
Einrichtung der Steuereinheit 12 derart ausgebildet, dass
es eine Position des Fahrzeugsitzes auf Anforderung speichern kann,
und unter Verwendung des Riple-Count-Verfahrens auf eine weitere
Anforderung in diese Stellung zurückkehrt.
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Des
Weiteren ist mittels der Steuereinheit 12 eine Drehzahlerfassung
und Drehzahlregelung realisiert, die aus Rippelzahl pro Zeiteinheit
die Drehzahl des Motors 1 ermittelt und über die
Drehzahlregelung die Drehzahl einem gewünschten Wert anpasst. Eine derartige
Regelung ist bspw. für
eine gleichmäßige Verstellung
vorteilhaft.
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Die
Motoranordnung 16 eignet sich auch für andere Anwendungen, insbesondere
im Fahrzeugbereich, speziell im Bereich der Fahrzeugsitze.