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Dokumentenidentifikation DE3820903A1 04.01.1990
Titel Elektrische Maschine
Anmelder Heidelberger Druckmaschinen AG, 6900 Heidelberg, DE
Erfinder Maaß, Jürgen, Dipl.-Ing. (FH), 6908 Wiesloch, DE;
Meyer, Helmut, Dipl.-Ing. (FH), 6915 Dossenheim, DE
DE-Anmeldedatum 21.06.1988
DE-Aktenzeichen 3820903
Offenlegungstag 04.01.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.01.1990
IPC-Hauptklasse H02K 29/10
IPC-Nebenklasse H02P 6/00   
Zusammenfassung Es wird eine elektrische Maschine, insbesondere ein kollektorloser Gleichstrommotor vorgeschlagen. Der Rotor (1) enthält an seiner Stirnseite eine optisch erkennbare Signalspur (4) zur Sensierung der Winkelstellung des Rotors (1). In einem Gehäuse (10) außerhalb der elektrischen Maschine ist wenigstens ein optischer Sensor (12, 13, 14) angeordnet, die optische Übertragung der sensierten Winkelstellung des Rotors (1) zu dem optischen Sensor (12, 13, 14) erfolgt mittels wenigstens eines Lichtleiters (7, 8, 9). Dieser Lichtleiter ist an dem Gehäuse der elektrischen Maschine zweckmäßigerweise mit einer Steckverbindung befestigt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Eine derartige Maschine ist aus der DE-OS 34 18 153 bekannt. Diese kann als Motor, beispielsweise als kollektorloser Gleichstrommotor ausgebildet sein. Zur Erzeugung der Kommutierungssignale bzw. zur Sensierung der Winkstellung des Rotors enthält der Rotor eine Signalspur, die mittels eines Sensors abgetastet wird.

Der Nachteil dieser Art der Signalbildung ist darin zu sehen, daß ein Sensor, der in unmittelbarer Nähe des Rotors angeordnet ist, durch die Motorströme großen elektromagnetischen Störfeldern ausgesetzt ist. Ferner kann der Sensor durch die Motorerwärmung geschädigt werden, gleichzeitig ist aber auch ein Austausch eines solchen Sensors der sich innerhalb eines Motors befindet äußerst zeitaufwendig.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine zu schaffen, bei der eine störunempfindliche Erkennung der Winkelstellung des Rotors gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Lösung ist darin zu sehen, daß nunmehr eine Störung des hochempfindlichen elektronischen Bauelementes, welches den optischen Sensor darstellt, aufgrund des Motorbetriebs vermieden wird.

Außerdem kann der optische Sensor bei einem Defekt leicht ausgewechselt werden. Ein Eingriff in den Motor ist nicht erforderlich.

Ein weiterer Vorteil ist in der Verwendung von Lichtleiter zur Übertragung der optischen Signale zu sehen. Bekanntlich sind Lichtleiter nahezu unempfindlich gegenüber Temperatureinflüssen, ebenso gegenüber elektromagnetischen Störfeldern.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, den optischen Sensor in eine elektrische Steuerschaltung zu integrieren. Diese elektrische Steuerschaltung ist insbesondere bei einem Gleichstrommotor zum Ansteuern der einzelnen Motorwicklungen erforderlich und enthält die gesamte Steuerelektronik. Eine Integration des optischen Sensors hat den Vorteil, daß die Signale des Sensors direkt und ohne zusätzliche Leitungswege der Steuerschaltung zugeführt werden können. Solche Steuerschaltungen sind in der Regel mit einem Gehäuse gegen Staub und andere Umwelteinflüsse geschützt. Dies bedeutet, daß auch der optische Sensor die gleichen Schutzmaßnahmen erfährt.

Weiterbildungsgemäß kann den Lichtleiter mit einer Steckvorrichtung versehen werden. Diese Steckvorrichtung hat die Aufgabe, das der Signalspur zugewandte Lichtleiterende steckbar in dem Gehäuse des Motors anzuordnen. Hierzu ist an dem Gehäuse des Motors eine entsprechende Aufnahmevonrichtung vorgesehen. Diese Steckverbindung hat weiterhin den Vorteil, daß ein sehr einfaches Trennen des Motors von der elektrischen Steuerschaltung, beispielsweise beim Austausch des Motors bzw. beim Austausch der Steuerschaltung oder auch beim Austausch der Lichtleiter selbst möglich ist. Es besteht auch die Möglichkeit diese Steckvorrichtung für mehrere Lichtleiter auszubilden, so daß nur eine einzige Steckverbindung für eine Vielzahl von Übertragungsleitungen erforderlich ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, den Lichtleiter mit einem Reflexkopf zu versehen. Dies hat den Vorteil, daß die Übertragung des Lichts von der Lichtquelle zu der Signalspur über den Lichtleiter erfolgt. Dieses Licht wird an der Signalspur reflektiert und die reflektierte Strahlung ebenfalls mittels des Lichtleiters dem optischen Sensors zugeführt. Die Signalspur ist zweckmäßigerweise eine Kunststoffolie, die an der Stirnfläche des Rotors befestigt ist. Auf dieser Kunststoffolie sind reflektierende und nichtreflektierende Flächenbereiche vorgesehen.

In vorteilhafter Weise werden diese Flächenbereiche entsprechend der Polteilung des Rotors aufgeteilt, d.h. dem optischen Sensor wird eine Signalform zugeführt, die identisch ist mit der Polwinkelstellung des Rotors, so daß die Kommutierungssignale zur Ansteuerung des Motors direkt aus den sensierten Signalen abgeleitet werden können.

Die Erzeugung des optischen Signals erfolgt beispielsweise durch einen Lichtsignalgeber, der sich ebenfalls in der elektrischen Ansteuerschaltung befindet. Das Lichtsignal wird mittels eines sogenannten Y-Kopplers an den Reflexkopf des Lichtleiters geleitet. Als Lichtsignalgeber kann eine Leuchtdiode verwendet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 7 eine schematische Darstellung einen Einrichtung zur Rotorlageerkennung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Rotors mit Signalspur,

Fig. 3 eine Teilansicht eines Motors mit einem steckbaren Lichtleiter.

Von einem Motor, beispielsweise einem kollektorlosen Gleichstrommotor ist in Fig. 1 ein Rotor 1 gezeigt. Dieser Rotor 1 trägt auf einer Welle 2 mehrere Permanentmagnete. Diese Permanentmagnete 3 sind mit wechselnder Polung und radialer Magnetisierungsrichtung derart auf der Welle 2 angeordnet, daß ein dreipolpaariger Rotor gebildet wird. An der Stirnfläche 4 des Rotors 1 befindet sich eine Signalspur bestehend aus lichtreflektierenden Bereichen 5a, b, c und nicht reflektierenden Bereiche 6a, b, c. Die Aufteilung der Bereiche ist so gewählt, daß diese der Polteilung der Permanentmagnete 3 entsprechen. Zur Sensierung der Winkelstellung des Rotors sind drei Lichtleiter 7, 8, 9 vorgesehen, deren Enden auf die Signalspur 4 gerichtet sind. Diese Lichtleiter 7, 8, 9 sind beispielsweise an dem hier nicht dargestellten Gehäuse des Rotors befestigt. Die Lichtleiter 7, 8, 9 weisen an ihren, der Signalspur zugewandten Enden, Reflexköpfe auf. Dies bedeutet, daß jeden Lichtleiter gleichzeitig ein Lichtsignal aussendet und das von der Signalspur reflektierte Licht wieder empfängt. Die Lichtleiter 7, 8, 9 führen in ein Gehäuse 10, in welchem sich auf einer Platine 11 drei optische Sensoren 12, 13, 14 und drei Lichtsignalgeber 15a, b, c befinden. Dieses Gehäuse enthält beispielsweise auch eine für die Ansteuerung des Motors erforderliche elektrischen Steuerschaltung. Jeder der Lichtleiten 7, 8, 9 besteht aus einer Vielzahl von dünnen Einzellichtleitenn, die zu einem Bündel zusammengefaßt sind. Die Einkoppelung des Lichts, welches von den Lichtsignalgebern 15a, b, c erzeugt wird, erfolgt über sogenannte Y-Koppler, d.h. von jedem der Lichtleiter 7, 8, 9 ist ein Teil der Einzellichtleiter an die Lichtsignalgeber 15a, b, c angeschlossen. Der andere Teil der Lichtleiter ist an die jeweiligen optischen Sensoren 12, 13, 14 angeschlossen. Somit erfolgt die Lichtübertragung an den Reflexkopf des jeweiligen Lichtleiters mittels eines Teils der Einzellichtleiter. Der weitere Teil der Einzellichtleiter übernimmt die Übertragung des an der Signalspur 4 reflektierten Lichts auf die jeweiligen optischen Sensoren. Die von den optischen Sensoren 12, 13, 14 empfangenen Signale können sowohl zur Bestimmung der Drehzahl des Rotors 1 als auch zur Bestimmung dessen Winkelstellung benutzt werden. Die Erkennung der Winkelstellung des Rotors ist beispielweise für die kollektorlose Ansteuerung der Motorspulen erforderlich. Es ist aus dieser Fig. 1 ersichtlich, daß an dem Rotor und somit in unmittelbarer Nähe der Magnetfelder der Permanentmagnete und der hier nicht gezeigten Motorspulen keine elektronischen Bauelemente angeordnet sind. Sämtliche Bauelemente, wie Sensoren, Lichtquellen, befinden sich außerhalb des Motors in dem Gehäuse 10. Eine Schädigung dieser elektronischen Bauelemente aufgrund von Störfeldern, Vibrationen oder Temperatureinflüssen ist daher ausgeschlossen.

In Fig. 2 ist in einer schematischen Darstellung eine weitere Variante eines Rotors mit Signalspur gezeigt. Der Aufbau des Rotors 16 ist mit dem in Fig. 1 gezeigten Rotor identisch. Lediglich die Signalspur 17 zeigt eine etwas abgewandelte Form. Diese Signalspur 17 weist drei Einzelspuren 18, 19, 20 auf. Jeden dieser Einzelspuren ist ein Lichtleiten 21, 22, 23 zugeondnet. Diese Lichtleiten 21, 22, 23 liegen nunmehr in radialer Richtung nebeneinander und lassen sich deshalb in platzsparender Weise in einem einzigen Gehäuse 24 zusammenfassen Die Lichtleiter 21, 22, 23 führen ebenfalls zu einem hier nicht dargestellten Gehäuse, in welchem sich die optischen Sensoren und ein Lichtsignalgeber befinden.

Die in Fig. 2 gezeigte schematische Darstellung ist in Fig. 3 in einer Teilansicht eines Motors in Schnittdarstellung wiedergegeben. Der Rotor 16 ist über eine Welle 25 und über Kugellager 26 in einem Motorgehäuse 27 drehbar gelagert. An dem Motorgehäuse 27 befinden sich entsprechende Motorspulen 28, 29. Diese bilden den Stator des Motors. In dem Motorgehäuse 27 ist eine Aussparung 30 vorgesehen. In dieser Aussparung 30 befindet sich das Gehäuse 24 der Lichtleiter 21, 22, 23. Das Gehäuse 24 ist über als eine lösbare Steckverbindung ausgefüllt, die in der Aussparung 30 befestigt ist, so daß sowohl eine einfache Montage der Lichtleiter an dem Motor, als auch ein einfacher Austausch der Lichtleiter vorgenommen werden kann. Die Lichtleiter 21, 22, 23 weisen die Reflexköpfe 31, 32, 33 auf, die einer Signalspur 17 zugewandt sind. Diese Signalspur 17 ist auf dem Rotor 16 befestigt und weist die in Fig. 2 beschriebenen Einzelspuren 18, 19, 20 auf. Selbstverständlich können anstelle der in der Beschreibung gezeigten drei Lichtleiter auch mehrere Lichtleiter angeordnet werden. Die Zusammenfassung der motorseitigen Enden den Lichtleiter in einem Gehäuse 24 ist in jedem Falle vorteilhaft, da dieses gemeinsame Gehäuse die Montage und den Austausch des gesamten Lichtleiterstrangs wesentlich erleichtert.

Bezugszeichenliste

1 Rotor

2 Welle

3 Permanentmagnet

4 Signalspur

5a Flächenbereich

5b Flächenbereich

5c Flächenbereich

6a Flächenbereich

6b Flächenbereich

6c Flächenbereich

7 Lichtleiter

8 Lichtleiter

9 Lichtleiter

10 Gehäuse

11 Platin

12 Optischer Sensor

13 Optischer Sensor

14 Optischer Sensor

15a Lichtsignalgeber

15b Lichtsignalgeber

15c Lichtsignalgeber

16 Rotor

17 Signal

18 Einzelspur

19 Einzelspur

20 Einzelspur

21 Lichtleiter

22 Lichtleiter

23 Lichtleiter

24 Gehäuse (Steckverbindung)

25 Welle

26 Kugellager

27 Motorgehäuse

28 Motorspule

29 Motorspule

30 Aussparung

31 Reflexkopf

32 Reflexkopf

33 Reflexkopf


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrische Maschine mit einem Gehäuse, einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor wenigstens eine optisch erkennbare Signalspur aufweist zur Sensierung der Winkelstellung des Rotors und wenigstens ein optischer Sensor vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor (12, 13, 14) außerhalb des Gehäuses der elektrischen Maschine angeordnet ist, und wenigstens ein Lichtleiter (7, 8, 9) zur Übertragung der optischen Signale zwischen dem Bereich der Signalspur (4) und dem optischen Sensor (12, 13, 14) vorgesehen ist.
  2. 2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Steuerschaltung außerhalb des Gehäuses vorgesehen ist und der optische Sensor (12, 13, 14) innerhalb der Steuerschaltung angeordnet ist.
  3. 3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (21, 22, 23) an seinem der Signalspur (17) zugewandten Ende mit einer Steckvorrichtung versehen ist und das Gehäuse (27) eine Aussparung (30) aufweist zum lösbaren Verbinden des Lichtleiters mit dem Gehäuse (27).
  4. 4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Lichtleiter (21, 22, 23) gemeinsam, eine einzige Steckvorrichtung (24) aufweisen.
  5. 5. Elektrische Maschine nach einem oder mehreren den vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (21, 22, 23) an seinem, der Signalspur (4, 17) zugewandten, Ende einen Reflexkopf (31, 32, 33) aufweist.
  6. 6. Elektrische Maschine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspur (4, 17) aus einer Kunststoffolie besteht, welche an einer Stirnfläche des Rotors (1, 16) befestigt ist, wobei die optischen Signale mittels Flächenbereiche (5, 6) unterschiedlicher Reflektion erzeugt werden.
  7. 7. Elektrische Maschine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung der Flächenbereiche (5, 6) unterschiedlicher Reflektion der Polteilung des Rotors (1, 16) entspricht.
  8. 8. Elektrische Maschine nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtsignalgeben (15) innerhalb der elektrischen Steuerschaltung vorgesehen ist, zur Einspeisung eines Lichtsignals in den Lichtleiten (7, 8, 9).






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