DE102022213709A1 - Electromotor drive arrangement with increased service life - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromotorische Antriebsanordnung mit erhöhter Lebensdauer, insbesondere für eine Bremseinrichtung eines Fahrzeuges.Die elektromotorische Antriebsanordnung umfasst dabei einen Stator mit Permanentmagneten, eine rotierbar gelagerte Antriebswelle mit Nuten zur Aufnahme von Spulenwicklungen und eine Kontaktierungsanordnung. Dabei umfasst die Kontaktierungsanordnung zumindest einen Schleifring.The present invention relates to an electromotive drive arrangement with an increased service life, in particular for a braking device of a vehicle. The electromotive drive arrangement comprises a stator with permanent magnets, a rotatably mounted drive shaft with grooves for receiving coil windings and a contact arrangement. The contact arrangement comprises at least one slip ring.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromotorische Antriebsanordnung mit erhöhter Lebensdauer, insbesondere für eine Bremseinrichtung eines Fahrzeuges.The present invention relates to an electric motor drive arrangement with increased service life, in particular for a braking device of a vehicle.
Moderne Bremseinrichtungen für Kraftfahrzeuge, beispielsweise elektromechanische Radbremsen, können über verschiedene elektrisch betätigbare Elemente, beispielsweise ABS-Pumpen, verfügen, welche eine elektromotorische Antriebsanordnung erfordern. Die elektromotorische Antriebsanordnung kann hierzu beispielsweise als Pumpenmotor zum Betrieb eines Hydraulikaggregates eines Bremsensteuergerätes für ABS- oder ESP-Anwendungen verwendet werden. Die elektromotorische Antriebsanordnung kann zum Beispiel auch dazu ausgebildet sein, Ventile einer Radbremse anzusteuern.Modern braking systems for motor vehicles, such as electromechanical wheel brakes, can have various electrically actuated elements, such as ABS pumps, which require an electromotor drive arrangement. The electromotor drive arrangement can be used, for example, as a pump motor to operate a hydraulic unit of a brake control unit for ABS or ESP applications. The electromotor drive arrangement can also be designed, for example, to control valves of a wheel brake.
Eine elektromotorische Antriebsanordnung im Kraftfahrzeugbereich kann dabei eine Gleichstrommaschine umfassen, insbesondere eine permanenterregte Gleichstrommaschine. Diese Gleichstrommaschinen können als Innenläuferanordnung ausgebildet sein und einen Stator mit Permanentmagneten umfassen sowie Spulen bzw. Spulenwicklungen, die der Antriebswelle bzw. dem Rotor zugeordnet sind. Derartige Motoren sind vergleichsweise einfach und kostengünstig herzustellen.An electric motor drive arrangement in the automotive sector can comprise a direct current machine, in particular a permanent magnet direct current machine. These direct current machines can be designed as an internal rotor arrangement and comprise a stator with permanent magnets as well as coils or coil windings that are assigned to the drive shaft or the rotor. Such motors are comparatively simple and inexpensive to manufacture.
Die Spulenwicklungen werden dabei häufig aus Kostengründen immer noch über eine mechanische Einrichtung zur Kommutierung bzw. einen mechanischen Kommutator mit Strom beaufschlagt.For cost reasons, the coil windings are often still supplied with current via a mechanical commutation device or a mechanical commutator.
Derartige mechanische Kommutierungseinrichtungen beinhalten neben dem Kommutator meist metallhaltige Graphitbürsten, um die Spulen mit Strom zu versorgen. Eine typische Ausführungsform sieht für die Kommutierung ferner auf dem Rotor angeordnete Lamellen vor, welche über die Metallbürsten dann elektrisch kontaktiert werden können.In addition to the commutator, such mechanical commutation devices usually contain metal-containing graphite brushes to supply the coils with electricity. A typical embodiment also provides for laminations arranged on the rotor for commutation, which can then be electrically contacted via the metal brushes.
Derartige elektromotorische Antriebsanordnungen mit einer mechanischen Kontaktierung über Lamellen und Bürsten weisen aber einige Nachteile auf.However, such electromotive drive arrangements with mechanical contact via lamellae and brushes have some disadvantages.
So besteht die Gefahr einer Funkenbildung am Kommutator. Hierdurch kann die elektromagnetische Verträglichkeit, beispielsweise durch Hochfrequenzstörungen, beeinträchtigt und herabgesetzt werden.There is a risk of sparking at the commutator. This can impair and reduce electromagnetic compatibility, for example through high-frequency interference.
Ebenso kann auch die Lebensdauer derartiger Antriebsanordnungen reduziert sein, da es durch Erosion zu einem erhöhten Verschleiß kommen kann.Likewise, the service life of such drive arrangements can also be reduced, as erosion can lead to increased wear.
Schließlich ist auch die Ansteuerung bzw. die Wahl eines optimalen Betriebspunktes der elektromotorischen Antriebsanordnung in Abhängigkeit von den Funktionen und Lastzuständen der angeschlossenen Einrichtungen, also beispielsweise einer Bremseinrichtung, über einen derartigen Kommutator schwierig.Finally, the control or the selection of an optimal operating point of the electromotive drive arrangement depending on the functions and load conditions of the connected devices, for example a braking device, via such a commutator is also difficult.
Wünschenswert ist demnach eine elektromotorische Antriebsanordnungen, welche diese Nachteile verringert oder idealerweise nicht aufweist.What is desirable is an electric motor drive arrangement that reduces these disadvantages or, ideally, does not have them.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt demnach darin, eine kostengünstige elektromotorische Antriebsanordnung, insbesondere für eine Bremseinrichtung eines Fahrzeuges, zur Verfügung zu stellen, welche eine einfache und zuverlässige Ansteuerung und Kontaktierung erlaubt.An object of the invention is therefore to provide a cost-effective electromotive drive arrangement, in particular for a braking device of a vehicle, which allows simple and reliable control and contacting.
Besonders günstig wird dabei auch die Lebensdauer der Antriebsanordnung erhöht.This also increases the service life of the drive assembly, which is particularly beneficial.
Zudem soll die elektromagnetische Verträglichkeit der Antriebsanordnung verbessert werden.In addition, the electromagnetic compatibility of the drive arrangement is to be improved.
Dieser Aufgabe haben sich die Erfinder angenommen.The inventors have taken on this task.
Überraschend einfach wird diese Aufgabe durch eine elektromotorische Antriebsanordnung, insbesondere eine permanenterregte Gleichstrommaschine, und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen elektromotorischen Antriebsanordnung gemäß einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.This object is achieved surprisingly simply by an electromotive drive arrangement, in particular a permanent magnet direct current machine, and a method for operating such an electromotive drive arrangement according to one of the independent claims.
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.Preferred embodiments and further developments of the invention can be found in the respective subclaims.
Die vorliegende Erfindung betrifft demnach in einem ersten Aspekt eine elektromotorische Antriebsanordnung, insbesondere eine permanenterregte Gleichstrommaschine, welche in oder zusammen mit einer Bremseinrichtung eines Fahrzeuges verwendet werden kann.The present invention therefore relates in a first aspect to an electromotive drive arrangement, in particular a permanent magnet direct current machine, which can be used in or together with a braking device of a vehicle.
Sofern nachfolgend von einer Gleichstrommaschine gesprochen wird, so ist hierunter eher der prinzipielle Aufbau der Elektromaschine zu verstehen als die Art der Stromversorgung. Insbesondere ist vorgesehen, die erfindungsgemäße elektromotorische Antriebsordnung bzw. den permanenterregten Elektromotor auch mit Dreiphasenwechselstrom zu betreiben.If a direct current machine is mentioned below, this refers to the basic structure of the electric machine rather than the type of power supply. In particular, it is intended that the electromotive drive system according to the invention or the permanent magnet electric motor can also be operated with three-phase alternating current.
Die elektromotorische Antriebsanordnung kann dazu
- - einen Stator mit zumindest einem, bevorzugt einer Mehrzahl von Permanentmagneten,
- - eine rotierbar gelagerte Antriebswelle mit zumindest einer, bevorzugt einer Mehrzahl von auf der Außenwandung der Antriebswelle angeordneten Zähnen und Nuten zur drehfesten Aufnahme von Spulenwicklungen, und
- - eine Kontaktierungsanordnung
umfassen.The electric motor drive arrangement can be used
- - a stator with at least one, preferably a plurality of permanent magnets,
- - a rotatably mounted drive shaft with at least one, preferably a plurality of teeth and grooves arranged on the outer wall of the drive shaft for the rotationally fixed reception of coil windings, and
- - a contact arrangement
include.
Dabei stehen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Spulenwicklungen in elektrischen Kontakt mit der Kontaktierungsanordnung. Die Spulenwicklungen sind dabei zueinander isoliert. Die Wickeldrähte können zum Beispiel mit Lack isoliert sein. Die Lamellen der Kontaktierungsanordnung können etwa mittels Sägespalten isoliert sein, wobei der Grundkörper ein Duroplast umfassen kann. Die Spulenwicklungen der elektromotorischen Antriebsanordnung sind in bekannter Weise als ein Ring ausgeführt. Für die Lamellen der Kontaktierungsanordnung kann eine Spule vorgesehen sein, und jede der beiden Spulenenden kann an eine Lamelle angeschlossen sein. Gleichzeitig stellt dies den Beginn der nächsten Spule dar. Die Lamelle kann einen Haken umfassen, in welchen der Draht eingehängt und anschließend verschweisst werden kann. In einem der Haken können dann Anfang und Ende der kompletten Spulenwicklung liegen.According to a preferred embodiment of the invention, the coil windings are in electrical contact with the contact arrangement. The coil windings are insulated from one another. The winding wires can be insulated with varnish, for example. The lamellae of the contact arrangement can be insulated by means of saw gaps, for example, and the base body can comprise a thermosetting plastic. The coil windings of the electromotive drive arrangement are designed as a ring in a known manner. A coil can be provided for the lamellae of the contact arrangement, and each of the two coil ends can be connected to a lamella. At the same time, this represents the beginning of the next coil. The lamella can comprise a hook into which the wire can be hooked and then welded. The beginning and end of the complete coil winding can then be in one of the hooks.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Spulenwicklungen als eine dreisträngige Drehstromwicklung mit einer Verschaltung im Dreieck ausgebildet sein. Eine Sternverschaltung ist ebenfalls denkbar. Auf diese Weise können die Spulenwicklungen bei Beaufschlagung mit elektrischem Strom mit dem zumindest einen Permanentmagneten des Stators derart zusammen zu wirken, dass im Betrieb ein Drehmoment auf die Antriebswelle erzeugt werden kann, welches die Antriebswelle in Rotation versetzen kann. Die Nuten können insbesondere dem Rotor bzw. Anker der elektromotorischen Antriebsanordnung zugeordnet sein und somit einen zentralen Bestandteil der Antriebswelle darstellen.According to a preferred embodiment of the invention, the coil windings can be designed as a three-phase three-phase winding with a delta connection. A star connection is also conceivable. In this way, when electrical current is applied, the coil windings can interact with the at least one permanent magnet of the stator in such a way that a torque can be generated on the drive shaft during operation, which can set the drive shaft in rotation. The grooves can in particular be assigned to the rotor or armature of the electromotive drive arrangement and thus represent a central component of the drive shaft.
Der Stator kann mit einem umfangsseitigen Joch und einer von dem Joch nach innen abstehenden geraden Anzahl von Mitteln zur Erzeugung eines permanenten Erregerfeldes ausgebildet sein. Vorzugsweise sind dies Permanentmagnete. Günstig ist es dabei, wenn benachbarte Permanentmagnete in entgegengesetzter Richtung magnetisiert sind. Die Erfindung ermöglicht es, kostengünstige Ferritmagnete einzusetzen. Selbstverständlich ist es auch möglich, stärkere Magnete, beispielsweise Neodym-Eisen-Bor-Magnete, einzusetzen. Der Stator und/oder der Rotor können wahlweise geblecht oder auch massiv ausgeführt sein. The stator can be designed with a peripheral yoke and an even number of means for generating a permanent excitation field protruding inwards from the yoke. These are preferably permanent magnets. It is advantageous if adjacent permanent magnets are magnetized in opposite directions. The invention makes it possible to use inexpensive ferrite magnets. It is of course also possible to use stronger magnets, for example neodymium-iron-boron magnets. The stator and/or the rotor can be made either from laminated or solid materials.
Die erfindungsgemäße Kontaktierungsanordnung umfasst zumindest einen Schleifring. Sofern die elektromotorische Antriebsanordnung mit Dreiphasenwechselstrom betrieben wird, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, für jede Phase jeweils einen Schleifring vorzusehen. Die Schleifringe sind entsprechend voneinander elektrisch isoliert. Jeweils eine Spulenwicklung ist elektrisch leitend mit einem Schleifring verbunden. Diese Kontaktierungsanordnung, nachfolgend auch als Schleifringanordnung bezeichnet, kann ferner mit einer entsprechenden Betriebsspannungsquelle mit elektronischer Kommutierung verbunden sein, um die Spulenwicklungen mit Strom beaufschlagen zu können.The contacting arrangement according to the invention comprises at least one slip ring. If the electromotive drive arrangement is operated with three-phase alternating current, according to a preferred embodiment of the invention, one slip ring is provided for each phase. The slip rings are electrically insulated from each other. One coil winding is electrically connected to a slip ring. This contacting arrangement, also referred to below as a slip ring arrangement, can also be connected to a corresponding operating voltage source with electronic commutation in order to be able to supply current to the coil windings.
Die Versorgung der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung kann elektronisch über die drei Schleifringe erfolgen, so dass im Betrieb der Antriebsanordnung ein magnetisches Drehfeld in der Antriebswelle bzw. in dem Rotor erzeugt werden kann, welches die Rotation bewirkt.The drive arrangement according to the invention can be supplied electronically via the three slip rings, so that during operation of the drive arrangement a magnetic rotating field can be generated in the drive shaft or in the rotor, which causes the rotation.
Zur Ansteuerung kann in vorteilhafter Weise eine entsprechende Leistungselektronik mit Brückenschaltung vorgesehen sein, wie sie von bürstenlosen Synchronmaschinen bekannt ist. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäßen Antriebsanordnung sehr genau angesteuert werden. Bei einer Verwendung der elektromotorische Antriebsanordnung in oder zusammen mit einer Bremseinrichtung eines Fahrzeuges kann die Ansteuerung beispielsweise über eine B6 Brücke eines Fahrzeugs erfolgen.For control, appropriate power electronics with a bridge circuit can be provided in an advantageous manner, as is known from brushless synchronous machines. In this way, the drive arrangement according to the invention can be controlled very precisely. When the electromotive drive arrangement is used in or together with a braking device of a vehicle, the control can be carried out, for example, via a B6 bridge of a vehicle.
Die erfindungsgemäße elektromotorische Antriebsanordnung bietet viele Vorteile.The electric motor drive arrangement according to the invention offers many advantages.
Die Erfindung ermöglicht es, weiterhin derartig modifizierte Bürstenmaschinen anstelle von bürstenlosen Gleichstrommotoren verwenden zu können, welche deutlich kostenintensiver sind. Dabei bietet die erfindungsgemäße elektromotorische Antriebsanordnung Eigenschaften, welche in bestimmten Aspekten denen von bürstenlosen Gleichstrommotoren nahekommen.The invention makes it possible to continue to use brush machines modified in this way instead of brushless DC motors, which are significantly more expensive. The electromotive drive arrangement according to the invention offers properties which in certain aspects are close to those of brushless DC motors.
So führt die elektrische Kontaktierung über Schleifringe zu wesentlich weniger Verschleiß und ist weniger abrasiv als etwa eine Kontaktierung über einzelne, voneinander beabstandete Lamellen in Verbindung mit Kohlebürsten. Insbesondere kann somit die Bürstenlebensdauer erhöht werden.Electrical contact via slip rings leads to significantly less wear and is less abrasive than contact via individual, spaced-apart lamellas in conjunction with carbon brushes. In particular, this can increase the service life of the brushes.
Auch kann durch die elektronische Kommutierung einer Funkenbildung entgegengewirkt werden, wodurch die elektromagnetische Verträglichkeit der elektromotorischen Antriebsanordnung verbessert werden kann.Electronic commutation can also counteract sparking, thereby improving electromagnetic compatibility the electric motor drive arrangement can be improved.
Hierdurch kann die Lebensdauer der erfindungsgemäßen elektromotorischen Antriebsanordnung insgesamt signifikant gesteigert werden. Während bei Bürstenmotoren die Lebensdauer in einem Bereich von beispielsweise 300 bis 1.000 h liegen kann, so kann durch die Erfindung eine Lebensdauer von etwa 3.000 bis 5.000 h erreicht werden. Die Lebensdauer kann damit in den Bereich von bürstenlosen Motoren kommen, welche bei etwa 5.000 h oder mehr liegen kann.As a result, the service life of the electromotive drive arrangement according to the invention can be significantly increased overall. While the service life of brush motors can be in a range of, for example, 300 to 1,000 hours, the invention can achieve a service life of around 3,000 to 5,000 hours. The service life can thus be in the range of brushless motors, which can be around 5,000 hours or more.
Weiterhin ist für bestimmte Lastsituationen eine Feldschwächung möglich, wodurch sich der Strombedarf bei hohen Drehmomenten reduzieren lässt. Der Motor wird hierzu so ausgelegt, dass er ohne Feldschwächung nicht die maximale Betriebsdrehzahl erreichen kann, weil die Flussverkettung und damit die induzierte Spannung zu hoch wären. Gleichzeitig senkt sich der notwendige Strom für das geforderte maximale Drehmoment proportional mit der steigenden Flussverkettung. Für die Betriebsfälle, die kurzzeitig besonders hohe Drehzahlen erfordern, kann durch Vorkommutierung der Bereich der Feldschwächung erschlossen werden. Bei einer Vorkommutierung kann die Wicklungsspannung umgepolt werden, bevor der Rotor die neutrale Position erreicht hat. Allerdings wird dann in diesem Bereich ein erhöhter Strom notwendig. Bei entsprechender Auslegung der Motorparameter, insbesondere der Flussverkettung, der Induktivität und der Stromgrenze des Umrichters, lässt sich ein Konstantleistungsbereich nutzen, der ohne Beachtung der Verluste bis zu unendlichen Drehzahlen eine konstante Abgabeleistung verspricht. In der Realität sind Faktoren von 3- bis 5-facher Leerlaufdrehzahl erzielbar.Furthermore, field weakening is possible for certain load situations, which reduces the current requirement at high torques. The motor is designed in such a way that it cannot reach the maximum operating speed without field weakening because the flux linkage and thus the induced voltage would be too high. At the same time, the current required for the required maximum torque decreases proportionally with the increasing flux linkage. For operating cases that require particularly high speeds for a short time, the field weakening range can be opened up by pre-commutation. With pre-commutation, the winding voltage can be reversed before the rotor has reached the neutral position. However, an increased current is then required in this range. With appropriate design of the motor parameters, in particular the flux linkage, the inductance and the current limit of the converter, a constant power range can be used that promises a constant output power up to infinite speeds without taking losses into account. In reality, factors of 3 to 5 times the idle speed can be achieved.
Die erfindungsgemäße elektromotorische Antriebsanordnung kann verwendet werden in oder mit Kraftfahrzeugbremsanlagen, etwa in elektronisch geregelten Bremseinrichtungen. Diese können beispielsweise Anti-Blockiersysteme (ABS), Antischlupfregelungen (ARS), elektronische Stabilitätsprogramme (ESP) oder elektrohydraulische bzw. elektromechanische Bremsanlagen umfassen.The electromotive drive arrangement according to the invention can be used in or with motor vehicle brake systems, for example in electronically controlled braking devices. These can include, for example, anti-lock braking systems (ABS), anti-skid control systems (ARS), electronic stability programs (ESP) or electrohydraulic or electromechanical braking systems.
Die Schleifringe können axial versetzt zu der zumindest einen Spulenwicklung angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Schleifringe außerhalb des Stators bzw. außerhalb des Jochs angeordnet und ragen aus diesem heraus. In anderen Worten, die Schleifringanordnung kann sich außerhalb des Gehäuses bzw. Joches befinden. Auf diese Weise ist eine besondere einfache seitliche Kontaktierung möglich. Zudem ist ein einfacherer Zugang, etwa für Wartung, möglich, und der Bürstenabrieb kann von dem Motor ferngehalten werden.The slip rings can be arranged axially offset from the at least one coil winding. In a preferred embodiment of the invention, the slip rings are arranged outside the stator or outside the yoke and protrude from it. In other words, the slip ring arrangement can be located outside the housing or yoke. In this way, particularly simple lateral contact is possible. In addition, easier access, for example for maintenance, is possible, and brush abrasion can be kept away from the motor.
Die elektrische Kontaktierung der Schleifringe kann in bekannter Weise erfolgen, beispielsweise mittels Bürsten.The electrical contact of the slip rings can be made in a known manner, for example by means of brushes.
Zur elektronischen Kommutierung der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ist die genaue Orientierung der Antriebswelle bzw. die Rotorlage erforderlich. Die Erfindung bietet die Möglichkeit, sowohl lagesensorlos als auch mit Lagesensoren betrieben zu werden.For electronic commutation of the drive arrangement according to the invention, the precise orientation of the drive shaft or the rotor position is required. The invention offers the possibility of being operated both with and without position sensors.
Eine lagesensorlose Kommutierung bietet den Vorteil, dass auf die Lagesensoren und deren Montage in dem Gehäuse verzichtet werden kann, so dass diese Ausführungsform der Erfindung sehr kostengünstig realisiert werden kann. Zur Bestimmung der aktuellen Rotorposition kann im einfachsten Fall aus den gemessenen Strömen und Spannungen mittels eines Motormodells der Anteil der induzierten Spannung beobachtet werden und daraus der aktuelle Drehwinkel für die Ansteuerung bestimmt werden. Unterhalb einer bestimmten Drehzahl kann das Verfahren nicht verwendet werden, da die induzierte Spannung zu klein ist. Zum Anlauf wird daher üblicherweise eine Spannungs-/Frequenzrampe oder Strom/Frequenzrampe angewendet, bis das zuvor erwähnte Modell einen validen Winkel liefert, woraufhin in den closed-loop-Betrieb bzw. regulären Betrieb gewechselt wird.Commutation without position sensors offers the advantage that the position sensors and their installation in the housing are not required, so that this embodiment of the invention can be implemented very cost-effectively. To determine the current rotor position, in the simplest case, the proportion of the induced voltage can be observed from the measured currents and voltages using a motor model and the current angle of rotation for control can be determined from this. The method cannot be used below a certain speed because the induced voltage is too small. A voltage/frequency ramp or current/frequency ramp is therefore usually used to start up until the aforementioned model delivers a valid angle, after which the system switches to closed-loop operation or regular operation.
Es ist aber auch möglich, die aktuelle Rotorposition in bekannter Weise mittels Sensoren zu erfassen. Hierzu können insbesondere Lagesensoren verwendet werden, beispielsweise magnetosensitiven Sensoren wie Hall-Sensoren. Hier kann etwa vorgesehen sein, dass drei statorfest montierte Hall-Sensoren mit einem mit der Antriebswelle drehfest verbundenen Encoderrad zusammenwirken und abgetastet werden.However, it is also possible to detect the current rotor position in a known manner using sensors. Position sensors can be used for this purpose, for example magnetosensitive sensors such as Hall sensors. Here, it can be provided that three Hall sensors mounted on the stator interact and are scanned with an encoder wheel that is connected to the drive shaft in a rotationally fixed manner.
Es kann beispielsweise auch ein sogenannter Resolver verwendet werden, bei dem zwei Spulen um 90 Grad versetzt am Stator angebracht sein können und eine weitere, dritte Spule an der Antriebswelle. Wenn diese dritte Spule bestromt wird, entsteht im Betrieb ein magnetisches Feld, welches bei Rotation in den beiden anderen Spulen eine Spannung induzieren kann. Die Maxima dieser Spannungsamplituden können dann abgetastet werden, und die Rotorlage bzw. die Orientierung der Antriebswelle kann mit hinreichender Genauigkeit bestimmt werden.For example, a so-called resolver can be used, in which two coils can be attached to the stator at a 90 degree angle and a third coil to the drive shaft. When this third coil is energized, a magnetic field is created during operation, which can induce a voltage in the other two coils when they rotate. The maxima of these voltage amplitudes can then be scanned, and the rotor position or the orientation of the drive shaft can be determined with sufficient accuracy.
Auch Inkrementalgeber, welche auf optischen Prinzipien beruhen, sind denkbar zur Bestimmung der aktuellen Rotorposition.Incremental encoders based on optical principles can also be used to determine the current rotor position.
In Abhängigkeit von der Orientierung der Antriebswelle können mittels der Leistungselektronik die Spulenwicklungen angesteuert bzw. bestromt werden, so dass ein entsprechendes Drehmoment erzeugt werden kann. Die elektronische Kommutierung bietet weiterhin den Vorteil, dass die elektromotorische Antriebsanordnung auch bei sehr geringen Drehzahlen betrieben werden kann.Depending on the orientation of the drive shaft, the coil windings can be controlled or energized using the power electronics so that a corresponding torque can be generated. Electronic commutation also offers the advantage that the electromotor drive arrangement can also be operated at very low speeds.
Durch die Erfindung kann eine sehr kompakte Bauform der elektromotorische Antriebsanordnung bei gleichzeitig hoher Energiedichte erreicht werden, was insbesondere für bestimmte Verwendungen in Bremseinrichtungen von Vorteil ist. Hier ist es häufig günstig, wenn die Ausdehnung in axialer Richtung, also die Länge der Antriebswelle bzw. des Jochs, möglichst kurz gehalten werden kann, wohingegen die Ausdehnung in radialer Richtung weniger begrenzt sein kann.The invention makes it possible to achieve a very compact design of the electromotive drive arrangement while at the same time maintaining a high energy density, which is particularly advantageous for certain uses in braking devices. Here it is often advantageous if the extension in the axial direction, i.e. the length of the drive shaft or yoke, can be kept as short as possible, whereas the extension in the radial direction can be less limited.
Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Antriebsanordnung sehr gut in bestehende Bremseinrichtungen integriert werden.In this way, the drive arrangement according to the invention can be very well integrated into existing braking systems.
Die Erfindung umfasst in einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Betreiben einer elektromotorischen Antriebsanordnung, umfassend eine elektromotorische Antriebsanordnung wie vorstehend beschrieben. Die Antriebsordnung kann im Betrieb mit Dreiphasenwechselstrom betrieben werden und ist elektronisch kommutiert.In a further aspect, the invention comprises a method for operating an electromotive drive arrangement, comprising an electromotive drive arrangement as described above. The drive arrangement can be operated with three-phase alternating current and is electronically commutated.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele und den angefügten Ansprüchen.Further details of the invention emerge from the description of the illustrated embodiments and the appended claims.
Die Zeichnungen zeigen:The drawings show:
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1 schematisch wesentliche Bestandteile einer erfindungsgemäßen elektromotorischen Antriebsanordnung in einer Schnittansicht senkrecht zur Längsachse,1 schematically shows essential components of an electromotive drive arrangement according to the invention in a sectional view perpendicular to the longitudinal axis, -
2 schematisch ein Wickelschema mit drei Spulenwicklungen und einer Kontaktierungsanordnung mit drei Schleifringen,2 schematically a winding scheme with three coil windings and a contact arrangement with three slip rings, -
3 schematisch in einer Schrägansicht eine erfindungsgemäße elektromotorische Antriebsanordnung, und3 schematically in an oblique view an electric motor drive arrangement according to the invention, and -
4 schematisch in einer weiteren Schrägansicht die erfindungsgemäße elektromotorische Antriebsanordnung aus3 .4 schematically in a further oblique view the electromotive drive arrangement according to the invention from3 .
Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen bezeichnen um der Klarheit willen gleiche Bezugszeichen im Wesentlichen gleiche Teile in oder an diesen Ausführungsformen. Zur besseren Verdeutlichung der Erfindung sind die in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsformen jedoch nicht immer maßstabsgerecht gezeichnet.In the following detailed description of preferred embodiments, like reference numerals designate substantially like parts in or on those embodiments for the sake of clarity. However, to better illustrate the invention, the preferred embodiments shown in the figures are not always drawn to scale.
Dabei umfasst die elektromotorische Antriebsanordnung 10
einen Stator 20 mit zumindest einem, bevorzugt einer Mehrzahl von Permanentmagneten Mj,- eine rotierbar gelagerte Antriebswelle 30 mit zumindest einer, bevorzugt einer Mehrzahl von auf der Außenwandung der Antriebswelle 30 angeordneten Zähnen Sk und Nuten Ni zur drehfesten Aufnahme von Spulenwicklungen SWx, und eine Kontaktierungsanordnung 40,
- wobei die Spulenwicklungen SWx in elektrischen Kontakt mit der Kontaktierungsanordnung 40 stehen und dazu ausgebildet sind, bei Beaufschlagung mit elektrischem Strom mit dem zumindest einen Permanentmagneten Mj derart zusammen zu wirken, dass im Betrieb ein Drehmoment auf die
Antriebswelle 30 erzeugt werden kann, und wobei dieKontaktierungsanordnung 40 zumindest einen Schleifring 41 umfasst.
- a
stator 20 with at least one, preferably a plurality of permanent magnets M j , - a rotatably mounted
drive shaft 30 with at least one, preferably a plurality of teeth S k and grooves N i arranged on the outer wall of thedrive shaft 30 for the rotationally fixed reception of coil windings SW x , and acontact arrangement 40, - wherein the coil windings SW x are in electrical contact with the contacting
arrangement 40 and are designed to interact with the at least one permanent magnet M j when supplied with electrical current such that a torque can be generated on thedrive shaft 30 during operation, and wherein the contactingarrangement 40 comprises at least oneslip ring 41.
In dem in
Alternierend werden insgesamt drei Spulenwicklungen SWx mit x = 1, ..., 3 (in der abgebildeten Darstellung nur angedeutet) durch diese Anordnung gehaltert. Die Spulenwicklungen SWx stehen in elektrischen Kontakt mit der Kontaktierungsanordnung 40. Die Spulenwicklungen SWx sind als eine dreisträngige Drehstromwicklung mit einer Verschaltung im Dreieck ausgebildet.A total of three coil windings SW x with x = 1, ..., 3 (only indicated in the illustration shown) are alternately held by this arrangement. The coil windings SW x are in electrical contact with the
Die Kontaktierungsanordnung 40 ist mit einer entsprechenden Betriebsspannungsquelle verbunden, um die Spulenwicklungen mit Strom beaufschlagen zu können. Eine Sternverschaltung ist ebenfalls denkbar und möglich.The
Auf diese Weise können die Spulenwicklungen SWx bei Beaufschlagung mit elektrischem Strom mit den Permanentmagneten Mj des Stators 20 derart zusammen zu wirken, dass im Betrieb ein Drehmoment auf die Antriebswelle 30 erzeugt werden kann, welches die Antriebswelle 30 in Rotation versetzen kann.In this way, when electrical current is applied to the coil windings SW x , they can interact with the permanent magnets M j of the
Die Zähne Sk sowie die dazu korrespondierenden Nuten Ni sind, wie in der
Der Stator 20 ist mit innen angeordneten Permanentmagneten Mj ausgebildet. In dem Ausführungsbeispiel sind insgesamt sechs Permanentmagnete Mj mit j = 1, ..., 6 vorgesehen. Dabei sind benachbarte Permanentmagnete, im Ausführungsbeispiel etwa M1 und M2, in entgegengesetzter Richtung magnetisiert. Die Permanentmagnete Mj sind als Ferritmagnete ausgebildet und somit sehr kostengünstig herstellbar. Der Stator 20 ist koaxial zur Antriebswelle 30 angeordnet. The
Die Versorgung der erfindungsgemäßen elektromotorischen Antriebsanordnung 10 erfolgt demnach über die drei Schleifringe 41, 42, 43, so dass im Betrieb der Antriebsanordnung ein magnetisches Drehfeld in dem Rotor erzeugt wird, welches die Antriebswelle 30 in Rotation versetzt.The supply of the
Die Schleifringe 41, 42, 43 sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform axial versetzt zu der zumindest einen Spulenwicklung angeordnet.
Der Elektromotor 60 umfasst ein Gehäuse 65 mit Haltemitteln 66, welche in der
In der
Die Erfassung der Orientierung der Antriebswelle 30 bzw. der Rotorlage erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel lagesensorlos, was bedeutet, dass keine Lagesensoren in dem Gehäuse 65 erforderlich sind.In the embodiment shown, the orientation of the
Selbstverständlich ermöglicht es die Erfindung aber auch, die aktuelle Rotorposition in bekannter Weise mittels Sensoren zu erfassen, wozu vorzugsweise Lagesensoren, beispielsweise magnetosensitiven Sensoren wie Hall-Sensoren. vorgesehen sind.Of course, the invention also makes it possible to detect the current rotor position in a known manner by means of sensors, for which position sensors, for example magnetosensitive sensors such as Hall sensors, are preferably provided.
Hier kann etwa vorgesehen sein, dass drei statorfest montierte Hall-Sensoren mit einem mit der Antriebswelle drehfest verbundenen Encoderrad zusammenwirken und abgetastet werden. Durch die Erfindung kann eine sehr kompakte Bauform der elektromotorische Antriebsanordnung bei gleichzeitig hoher Energiedichte erreicht werden, was insbesondere für bestimmte Verwendungen in Bremseinrichtungen von Vorteil ist.Here, for example, it can be provided that three Hall sensors mounted on the stator interact with and are scanned by an encoder wheel that is connected to the drive shaft in a rotationally fixed manner. The invention makes it possible to achieve a very compact design of the electromotive drive arrangement while at the same time maintaining a high energy density, which is particularly advantageous for certain uses in braking devices.
Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Antriebsanordnung sehr gut in bestehende Bremseinrichtungen integriert werden.In this way, the drive arrangement according to the invention can be very well integrated into existing braking systems.
Durch die Erfindung wird auch ein Verfahren zum Betreiben einer elektromotorischen Antriebsanordnung 10 zur Verfügung gestellt, welches eine elektromotorische Antriebsanordnung 10 wie vorstehend beschrieben umfasst.The invention also provides a method for operating an electric
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- Elektromotorische AntriebsanordnungElectromotor drive arrangement
- 2020
- Statorstator
- 3030
- Antriebswelledrive shaft
- 4040
- KontaktierungsanordnungContact arrangement
- 4141
- SchleifringSlip ring
- 4242
- SchleifringSlip ring
- 4343
- Schleifring Slip ring
- 5050
- B6-Brückenschaltung B6 bridge circuit
- 6060
- ElektromotorElectric motor
- 6161
- Bürstebrush
- 6262
- Bürstebrush
- 6363
- Bürstebrush
- 6464
- AbschnittSection
- 6565
- GehäuseHousing
- 6666
- HaltemittelHolding devices
- 6767
- MagnetelementMagnetic element
- 6868
- MagnetelementMagnetic element
- 6969
- Magnetelement Magnetic element
- 7171
- KontaktierungContacting
- 7272
- KontaktierungContacting
- 7373
- Kontaktierung Contacting
- NiNo
- Nut, i = 1, ..., 9Groove, i = 1, ..., 9
- MjMj
- Permanentmagnet, j = 1, ..., 6Permanent magnet, j = 1, ..., 6
- SkSk
- Zahn, k = 1, ..., 9Tooth, k = 1, ..., 9
- SWxSWx
- Spulenwicklung, x = 1, ..., 3Coil winding, x = 1, ..., 3
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022213709.4A DE102022213709A1 (en) | 2022-12-15 | 2022-12-15 | Electromotor drive arrangement with increased service life |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022213709.4A DE102022213709A1 (en) | 2022-12-15 | 2022-12-15 | Electromotor drive arrangement with increased service life |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102022213709A1 true DE102022213709A1 (en) | 2024-06-20 |
Family
ID=91278450
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102022213709.4A Pending DE102022213709A1 (en) | 2022-12-15 | 2022-12-15 | Electromotor drive arrangement with increased service life |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102022213709A1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5159246A (en) | 1990-08-18 | 1992-10-27 | Victor Company Of Japan, Ltd. | Detection of relative position between magnetic pole and drive coil in brushless DC motor |
US20020185929A1 (en) | 2001-03-30 | 2002-12-12 | Gunhee Jang | Brushless DC motor with armature windings compensated by auxiliary windings |
CN215580796U (en) | 2021-07-06 | 2022-01-18 | 深圳市倍思科技有限公司 | Direct current motor and dust catcher |
-
2022
- 2022-12-15 DE DE102022213709.4A patent/DE102022213709A1/en active Pending
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CN215580796U (en) | 2021-07-06 | 2022-01-18 | 深圳市倍思科技有限公司 | Direct current motor and dust catcher |
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