DE4327217C2 - Elektromotor mit einer Vorrichtung zur Rotorlage-, Drehzahl- und/oder Drehrichtungserfassung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Eine derartige Anordnung ist aus der US-PS 4 082 968 bekannt, in der ein Elektromotor mit einer entsprechenden Meßanordnung für einen 4-poligen Motor beschrieben ist, wobei das magnetfeldsensitive Element zur Bestimmung der Motordrehzahl in Form einer Meßspule und die 4 Pole als Permanentmagnete ausgebildet sind. Aus der DE-OS 41 28 419 ist ein 2-poliger Elektromotor bekannt, bei dem ein Hall- Sensor bzw. Hall-Element am Polrohr des Elektromotors angeordnet ist. Bei einer Drehung des Motors werden dabei durch die Ankernutung erzeugte Flußschwankungen in diesem Hall-Sensor erfaßt, wobei aus diesen Hall-Signalen die gewünschten Informationen gewonnen werden. Will man entsprechende Informationen bei einem 4-poligen Motor gewinnen, so stellt man fest, daß dort der Hall-Sensor nicht in gleicher Weise bzw. an den entsprechenden Stellen angeordnet werden kann, wenn man die Flußschwankungen optimal erfassen will.

Für viele Anwendungen von Elektromotoren ist es erforderlich, die Rotorlage, die Drehzahl- und/oder die Drehrichtung zu erfassen, beispielsweise bei elektromotorisch angetriebenen Fensterhebern oder Schiebedächern in Kraftfahrzeugen, um einen wirksamen Einklemmschutz realisieren zu können oder/und vorbestimmte Positionen anfahren zu können. Dabei gilt es, den 4- poligen Motor so zu konstruieren, daß er in den Abmessungen seinem erwähnten Einsatz in der Kraftfahrzeugtechnik gerecht werden kann. Aus der US-PS 4 296 343 ist ein 4-poliger Motor bekannt, der aufgrund seiner seitlich flachen Bauweise diesen Anforderungen gerecht wird. Dabei sind zwei Pole als Permanentmagnete ausgebildet, während die beiden anderen Pole durch Polschuhe gebildet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auf einfache Art und Weise zu integrierende Meßvorrichtung zur Rotorlage-, Drehzahl- und/oder Drehrichtungserfassung für einen 4-poligen Elektromotor der beschriebenen Art an einer Stelle anzubringen, wo der Streufluß und das Ankerquerfeld gering sind und den zu messenden Anteil der Flußschwankung wenig beeinflussen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Hierbei liegt das magnetfeldsensitive Element sehr nahe an den Ankerzähnen und kann die Schwankungen des magnetischen Feldes zwischen Zahn und Lücke optimal erfassen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Elektromotors möglich.

Die günstigste Anordnung für das magnetfeldsensitive Element ist die im wesentlichen mittige Anordnung an dem Polschuh, da dort der Streufluß und das Ankerquerfeld gering sind, wobei das magnetfeldsensitive Element in einer durchgehenden Öffnung oder einer Vertiefung des Polschuhs angeordnet wird, da hierdurch ein noch geringerer Abstand zum Rotor erreicht wird. Um das Magnetjoch bzw. die Polschuhe möglichst wenig zu schwächen, ist die Öffnung oder Vertiefung an die Gestalt des magnetfeldsensitiven Elements angepaßt. Zur guten Wirksamkeit der Pole ist zwischen den Polschuhen und dem Rotor nur ein sehr kleiner Spalt ausgebildet.

Das magnetfeldsensitive Element ist in vorteilhafter Weise als Hall-Sensor ausgebildet, jedoch können prinzipiell auch andere magnetfeldsensitive Elemente verwendet werden, beispielsweise Feldplatten oder Magnetspulen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch einen Elektromotor senkrecht zur Längsachse, der mit einem Hall- Sensor zur Erfassung der Rotorlage, Drehzahl und/oder Drehrichtung versehen ist, als Aus­ führungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 2 eine Teilseitenansicht des in Fig. 1 dargestell­ ten Rotors auf die den Hall-Sensor tragenden Seite.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen 4-poligen, permanentmagneterregten Gleich­ strommotor. In einem topfförmigen Polrohr 10 ist ein sche­ matisch dargestellter Rotor 11 drehbar gelagert. Anker­ zähne 12 bzw. Rotorzähne, die nicht dargestellte Anker­ wicklungen tragen, sind ebenfalls nur in einer Teildar­ stellung schematisch dargestellt. Der bei einem Gleich­ strommotor übliche Kollektor und die federnd daran anlie­ genden Bürsten sind zur Vereinfachung nicht dargestellt, da es sich hierbei um eine bekannte Anordnung handelt, auf die es bei der vorliegenden Erfindung nicht ankommt.

Das Polrohr 10 weist zwei gegenüberliegende, vom Rotor 11 gehäuseartig abstehende Bereiche 13 auf, in denen je ein Permanentmagnet 14, 15 angeordnet ist, wobei diese Perma­ nentmagnete 14, 15 zwei der vier Magnetpole bilden. Vom Rotor 11 aus gesehen wirken diese Permanentmagnete 14, 15 im Ausführungsbeispiel als Nordpole. Zwischen diesen Be­ reichen 13 verläuft das Polrohr 10 entsprechend gerundet parallel zum Außenumfang des Rotors 11, wodurch Polschuhe 16, 17 gebildet werden, die die zwei weiteren Pole des 4- poligen Elektromotors darstellen. Beim Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um Südpole. Zwischen diesen Pol­ schuhen 16, 17 und dem Rotor 11 bildet sich ein sehr klei­ ner Spalt 18 aus.

In der Mitte des gemäß Fig. 1 linken Polschuhs 16 ist eine durchgehende Öffnung 19 eingeformt, in die ein Hall-Sensor 20 eingelassen und fixiert ist. Diese Öffnung 19 ist dabei in ihrer Breite der Breite des Hall-Sensors 20 angepaßt, damit die Öffnung 19 möglichst klein zu halten ist. Die jeweils seitliche Ausdehnung der Öffnung 19 über den Hall-Sensor 20 hinaus dient zu Montagezwecken und kann auch entfallen, das heißt, diese Öffnung 19 kann in ihrer Form exakt dem Hall-Sensor 20 angepaßt sein.

Anstelle einer durchgehenden Öffnung 19 kann prinzipiell auch eine Vertiefung dienen, in die der Hall-Sensor 20 von außen her eingesetzt wird. Die verbleibende Wandung zum Rotor 11 hin wird dabei sehr dünn gewählt, damit der Hall- Sensor 20 möglichst nahe am Rotor 11 zu liegen kommt. Diese dünne verbleibende Wandung ist jedoch als Schutz für den Hall-Sensor 20 geeignet.

Das Prinzip der Drehzahlerfassung bzw. Rotorlageerfassung durch einen solchen Hall-Sensor am Polrohr bzw. Polgehäuse besteht darin, daß durch den im Polschuh 16 eingelassenen Hall-Sensor 20 der magnetische Fluß durch das Polrohr 10 direkt erfaßt werden kann. Da bedingt durch die magneti­ sche Sättigung des Polrohrs auch ein kleiner Teil des mag­ netischen Flusses über den Luftweg außerhalb dieses Pol­ gehäuses verläuft, könnte der Hall-Sensor 20 prinzipiell auch außerhalb am Rotor 11 angeordnet werden. Bei der Dre­ hung des Rotors 11 entsteht eine geringe Schwankung des gesamten Flusses im Elektromotor, die auf die Rotornutzung zurückzuführen ist. Diese bei fester Ankerdrehzahl perio­ dische Flußschwankung wird vom Hall-Sensor 20 erfaßt, al­ lerdings auch das sogenannte Ankerquerfeld, das durch pro­ portional mit der Belastung ansteigende Ströme hervorge­ rufen wird. Entsprechend dem gesamten Ankerfluß schwanken auch die Amplituden der Streufelder entsprechend. Die Fre­ quenz der erhaltenen Meßsignale entspricht dem Produkt "Drehzahlfrequenz × Rotornutzzahl" und ist somit ein Maß für die Drehzahl des Elektromotors. Durch Zählung der Si­ gnal e wird ein rotorproportionales Signal erhalten. Da die Mitte des als Pol für den 4-poligen Elektromotor dienenden Polschuhs 16 der vom Streufluß und Ankerquerfeld am wenig­ sten beeinflußte Ort ist und auch sehr nahe an den Anker­ zähnen liegt, wird an dieser Stelle durch den Hall-Sensor 20 ein maximales Nutzsignal bei minimalem unerwünschten Signal durch das Ankerquerfeld erhalten.

Das Signal des Hall-Sensors 20 wird in üblicher Weise einer elektronischen Auswerteschaltung 21 zugeführt. Dort werden die Signale des Hall-Sensors 20 zur Erfassung eines rotorlageproportionalen Signals gezählt und/oder in ein drehzahlproportionales Signal umgewandelt.

Damit man eine Drehrichtungsdetektion vornehmen kann, sind zwei Hall-Sensoren 20 erforderlich, die in Umfangsrichtung geringfügig versetzt zueinander angeordnet sind, wie dies im eingangs angegebenen Stand der Technik beschrieben ist. Die bei der Drehung des Rotors erzeugten zeitlich perio­ disch schwankenden Streufelder werden zeitversetzt nach­ einander in den beiden Hall-Sensoren 20 erfaßt, so daß hierdurch die Drehrichtungszuordnung möglich ist. Diese beiden Hall-Sensoren 20 werden ebenfalls mittig an einem Polschuh 16 angeordnet. Auf eine zeichnerische Darstellung der beiden Hall-Sensoren 20 wurde verzichtet.

Claims (7)

1. Elektromotor, insbesondere Gleichstrommotor, in vierpoliger Ausführung mit symmetrisch angeordneten permanentmagnetischen Polen, mit einer Vorrichtung zur Rotorlage-, Drehzahl- und/oder Drehrichtungserfassung, die wenigstens ein am Ständer des Motors angebrachtes magnetfeldsensitives Element zur Erfassung von rotorlageabhängigen Schwankungen des magnetischen Flusses aufweist, und mit elektronischen Mitteln zur Auswertung der Signale dieses magnetfeldsensitiven Elements, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich zwei der einander gegenüberliegenden Pole Permanentmagnete (14, 15) aufweisen, während die beiden anderen einander gegenüberliegenden Pole durch Polschuhe (16, 17) gebildet sind, und daß das magnetfeldsensitive Element (20) in Form eines Hall- Sensors an einem der Polschuhe (16) angeordnet ist.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (16, 17) aus einem Teil des Magnetjochs (10) gebildet sind.

3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetfeldsensitive Element (20) in einer durchgehenden Öffnung (19) des Polschuhs (16) angeordnet ist.

4. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetfeldsensitive Element (20) in einer Vertiefung des Polschuhs (16) angeordnet ist, derart, daß die verbleibende Wandung als Schutz für den Hall- Sensor dient.

5. Elektromotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (19) oder Vertiefung an die Gestalt des magnetfeldsensitiven Elements (20) angepaßt ist.

6. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (16, 17) als parallel zum Außenumfang des Rotors (11) verlaufende Bereiche des Magnetjochs (10) ausgebildet sind.

7. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Polschuhen (16, 17) und dem Rotor (11) relativ zum Luftspalt unter den Permanentmagneten (14, 15) ein sehr kleiner Spalt (18) ausgebildet ist.