ロータを備えた電気機械ならびに電気機械の作動方法

专利摘要:
本発明は、車両内の可動部をモータにより調整するための電気機械（１２）に関する。また本発明はその種の電気機械を作動させるための方法に関する。電気機械は、ステータ（３４）と、半径（６２）を有するロータ（１８）とを備えており、半径（６２）はロータ（１８）の周囲にわたり変化する。
公开号:JP2011514136A
申请号:JP2010550107
申请日:2009-02-09
公开日:2011-04-28
发明作者:ロース ゲラルト；ファーバー トーマス
申请人:ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツングＲｏｂｅｒｔ Ｂｏｓｃｈ Ｇｍｂｈ；
IPC主号:H02K23-40

专利说明:

[0001] 本発明は、独立請求項の上位概念に記載されている、ロータを備えた電気機械、ならびに電気機械の作動方法に関する。]
[0002] EP 0 917 755 B1には直流モータの整流装置が開示されており、この整流装置においては整流子の整流子片のコンタクト面にブラシが当接している。電子回路はモータ電流のリプル周波数を検出し、検出されたリプル周波数から電気モータの回転数に対する尺度を決定する。確実な回転数情報を取得するために、整流子片の縁部は整流子の長手軸ないしはブラシの縁部に対して特定の角度を有している。その種の整流子の製造は非常にコストが掛かり、また溝の周波数よりも低いリプル周波数を形成することはできない。]
[0003] その種の電気モータでは電流信号の交流成分が回転数を識別するために評価される。この信号のリプルは種々の理由により形成される。このリプルの成分の大部分は整流子の溝の数を含んでいる。電流信号において溝の数とその数の倍数を識別することができる。大抵の場合、溝の数と磁石の極数の最小公倍数の次数が生じる。このリプルは下側の回転数領域（低い回転数）において、また大きな負荷下で、整流を介した電機子抵抗の変化によって生じる。アイドリング回転数の近傍で電流が低い場合には、磁界内のコイル巻線によって惹起される誘導電圧の変化によってリプルが形成される。平均的なモータ負荷では、電流信号の時間的な経過においてリプルが２つの作用によって惹起される。２つの作用は位相に関して相互にずれており、またこれら２つの作用が異なる動作点において取り除かれる可能性があるので、溝の次数およびその次数の倍数がモータ特性曲線にわたる電流経過において著しく変化し、また無くなることも考えられる。]
[0004] 評価可能な電流リプル信号を形成するために、ロータコイルの個々の導体ループの数が変更される場合には、ロータはそれと同時に、特定の用途にとっては望ましくないトルクリプルの影響を受ける。その種のトルクリプルは同様に電気機械の妨害的なノイズを生じさせる。]
[0005] 発明の概要
発明の利点
独立請求項に記載されている特徴を有する、本発明による電気機械ならびにその種の電気機械の本発明による作動方法は、従来技術と比べて、ロータの周囲にわたる可変の半径を構成することによって所期のように所定のトルクリプルを形成できるという利点を有する。ロータの直径が変化することによって形成されるトルクリプルを、このトルクリプルがロータ巻線のコイルの構成によって惹起されるトルクリプルとは逆位相になるように構成することができる。]
[0006] 従属請求項に記載されている構成によって、独立請求項に記載されている特徴的な構成の有利な発展形態および改善形態が実現される。殊に有利には、ロータの半径がこのロータの円形の形状とは異なる変化を表すようにロータの半径が変化する。]
[0007] この変化曲線はロータの周囲にわたり所定数の最大値および最小値を有し、その数は有利にはステータの磁極の数と一致する。これによって、ロータコイルの導体ループの数が変化することによって形成されるトルクリプルを可能な範囲で最大限に補償することができる。]
[0008] 半径変化の振幅がほぼ正弦関数を表す場合には好適である。これによって、例えば、導体ループの数の正弦波状の変化と共に最適な電流リプル信号を形成することができ、それと同時にロータのトルクリプルが最小にされる。]
[0009] ロータが放射状の複数のロータウェブを有し、それらのロータウェブ間に巻線コイル用の溝が設けられている場合には、ロータウェブの半径方向の長さが変更されることによって半径の変化を生じさせることができる。ロータウェブおよび磁極の数に依存して、複数のロータウェブ、例えば隣接する２つのロータウェブの長さの差が０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲にあると殊に有利である。]
[0010] 有利には、軸方向において相互に結合されている、導磁性の個々の薄板からロータが形成される。殊に異なる長さのロータウェブを備えた薄板を打ち抜き部として廉価に形成することができる。]
[0011] 有利には、２極ステータまたは４極ステータを備えた電気機械が構成されており、ロータは例えば８，１０，１４または１８個のロータウェブを有し、それらのロータウェブ間には同数のロータ溝が設けられている。]
[0012] ロータには整流子が配置されており、この整流子は電気的な巻線の個々のコイルと接続されている。整流子には２つまたはそれ以上のカーボンブラシが当接しており、このカーボンブラシのモータ電流信号が検出され、またそのリプルが求められる。モータ電流信号のリプルから電気的に回転数情報を検出することができる。]
[0013] 明確なモータ電流リプルを達成するために、種々のコイルの個々の導体ループの数が整流子の回転にわたり有利には正弦波状に変化する。ロータの周囲にわたるロータ半径の有利には正弦波状の変化と組み合わせて、トルクリプルを最小にすることができる。]
[0014] ロータ半径の変化は有利には、個々のコイルの導体ループの差の変化とは逆位相に構成されている。]
[0015] 電気機械を作動させるための本発明による方法は、有利には、調節すべき部分と固定のストッパとの間に障害物が挟み込まれることを阻止すべき挟み込み保護機能を構成するために使用される。このために、可変のモータ電流信号から挟み込み保護システムにとって特徴的な少なくとも１つのパラメータが検出され、このパラメータが挟み込みエネルギーを検出するために限界値と比較される。]
[0016] 本発明の実施例は図面に示されており、それらの実施例を以下の記載において詳細に説明する。]
図面の簡単な説明

[0017] ロータ半径の変化も概略的に示されている、本発明によるロータの第１の実施例を示す。
概略的な導体ループの数の変化も示されている、電気機械の別の実施例を示す。]
[0018] 図１には、例えば直流モータ１４として構成されている電気機械１２のロータ１８が示されている。ロータ１８はロータシャフト１６を有し、このロータシャフト１６には電機子１９が相対回動不能に配置されている。可動子１９は例えば積層薄板２６として構成されており、この積層薄板２６は軸方向において１つにされた個々の薄板２７から構成されている。ロータ１８は、ロータシャフト１６の軸１７からロータ１８の外周面６４まで延在している半径６２を有する。図１には補助的に、ロータ１８の最大半径６８に対応する半径６７を有する円６６が示されている。半径６２はロータ１８の円周にわたり一定ではなく、周囲にわたり変化するので、半径６２の長さの可変の差７０が生じる。この長さの差７０の変化は有利にはロータ１８の周囲にわたり正弦波状または余弦波状に構成されている。したがって図示されている例においては、０°と１８０°において半径６２の最大値７２が生じ、また９０°と２７０°において半径６２の最小値７３が生じる。２つの最大値７２を有する半径６２のそのような変化は、有利には、ステータ３４の２つの磁極３２を備えた電気機械に使用される。この実施例において、ロータ１８は放射状に延びる複数のロータウェブ７６を有し、これらのロータウェブ７６間にはコイル３０を巻き付けるための溝２４が配置されている。ロータウェブ７６は例えば半径方向における外側の端部にポールシュー７８を有し、このポールシュー７８の半径方向における外面７９はロータ１８の周囲面６４を形成する。ロータウェブ７６は半径方向において異なる長さ７７を有し、その長さの差は半径６２の変化に対応する。この実施例では、０°に位置する第１のロータウェブ８０の長さは隣接する２つのロータウェブ８８の長さに対して差７０を有している。これに対し第３のロータウェブ８１は第４のロータウェブ８２と同じ長さ７７を有し、これら２つのロータウェブ８１，８２は９０°の位置における半径変化の最小値７３について対称的に配置されている。ロータ１８の周囲にわたり半径６２を連続的に変化させることができるか、ロータウェブ７６の数に応じて離散的に変化させることができる。図１ではロータ１８が座標系内に示されており、この座標系からは例えば半径６２が１４ｍｍ（０．０１４ｍ）であることが分かる。半径６２の全体の変化は有利には０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍであり、隣接する２つのロータウェブ７６との長さの差７０のオーダは図１に示されている１０個のロータウェブ７６では約０．０５ｍｍである。代替的な実施形態においては電機子１９を例えばワンピースで製造することもでき、この場合有利には半径６２が外周面６４にわたり連続的に変化する。] 図１
[0019] 図２には別の実施例が示されており、この実施例においては電気機械１２が磁石リング４６を備えたステータ３４を有する。磁石リング４６は４つの磁極３２を有し、それら４つの磁極３２は約９０°の極分配角度５０を有している。磁石リング４６は、閉じられた環状に延びるリングとして構成されているので、個々の磁極３２は相互に継ぎ目無く移行する。ロータ１８はステータ３４に対して、例えば０．３ｍｍ〜０．６ｍｍのある程度の間隔３５を空けて配置されている。ロータシャフト１６には整流子２０が配置されており、この整流子２０には磁極３２の数と同数（例えば４つ）のブラシ２８が当接している。図の下側には、導体ループの数の正弦波状の変化が連続して整流されるコイル３０の順番で示されている。コイル３０毎の導体ループ３６の数は例えば１０〜１３の間で変化する。この数は連続して整流されるコイル３０につき１つ分の導体ループ３６だけ変化する。整流フェーズは７つの整流状態にわたっており、これらの整流状態は一緒に正弦曲線６０の１つの周期を形成する。これによって、導体ループの数の変化に対して殊に滑らかな正弦曲線６０が得られる。電気機械１２が４極性であるこの実施例では、これによって、導体ループの変化により形成された、付加的な電流リプルの周波数に対して４倍のロータ回転周波数が得られる。磁極オーダの振動がモータ電流経過に現れる。その種の電流リプル周波数はモータ電流信号の相応の溝周波数よりも著しく低い。この場合、正弦曲線６０に応じて連続的に整流されるコイル３０の順序は、ロータ１８の周囲に関するコイル３０の順序とは一致しない。この実施例においてコイル３０はそれぞれ、ロータ軸１７を通ると見なされる平面に対して幾何学的に相互に平行に鏡面対称に配置されている、対称的な２つの部分コイル２９として構成されている。２つの部分コイル２９はまた電気的に並列に接続されており、それぞれ同一の整流子薄板２２と接続されているので、２つの部分コイル２９は共同してステータ３４の磁極３２に関して単一のコイル３０と同様に作用する。これは例えば具体的なコイル５３に示されており、このコイル５３では第１の部分コイル２９が１番目の溝と４番目の溝との間において時計回りで巻き付けられており、また第２の部分コイル２９は８番目の溝と１１番目の溝との間に巻き付けられている。２つの部分コイル２９から構成されているコイル５３は、例えば、それぞれ１３個の導体ループ３６を有する。時計周りでこのコイル２９に続くロータ１８のコイル３０はそれぞれ１１個、１０個、１２個、１２個、１０個、１１個の導体ループ３６から構成されている。この実施例において、整流子２０は１４個の整流子片２２を有し、これらの整流子片２２は、全部で１４個の部分コイル２９から構成されている７個のコイル３０と接続されている。順次連続する７個のコイル３０の整流後には開始位置と同じ位相位置に再び到達するので、１４個のロータウェブ７６と１４個の整流子片２２と４つのブラシ２８とが設けられている場合にはロータ１回転にわたり４つの周期３８が生じる。] 図２
[0020] ステータ３４の４つの磁極３２に応じて、ロータ１８の半径６２も４つの最大値７２（０°，９０°，１８０°，２７０°）および４つの最小値７３（４５°，１３５°，２２５°，３１５°）を有する。半径６２の変化はここでもまた、整流される順序でのコイル３０の導体ループの数の近似的に正弦波状の変化に対して逆位相に作用するように近似的に正弦波状に構成されている。個々のロータウェブ７６の長さの差７０は図示されている導体ループ３６の数の変化の正弦曲線６０に実質的に相関している。ポールシュー７８を備えたロータウェブ７６はコイル３０を直接的にロータ１８の溝２４に巻き付けることができるように形成されている。]
[0021] 回転数情報を検出するために、ブラシ２８および整流子２０を流れるモータ電流信号がそのリプルに関して評価され、その評価に基づき、ロータの回転数ないし回転周期時間を表す信号が得られる。このためにモータ電流信号が挟み込み防止機能４４を有している電子ユニット４０に供給される。例えば、電気機械１２によって調整されるべき部分に対する所定のクランプ力を越えているか否かを確認するために、回転数を表す信号がその変化について検査される。このために有利には、本発明による電流リプルの周波数によって読み込まれる複数の測定値が相互に比較され、回転数の低下が識別される。クランプ力を制限するために、回転数を表す信号または信号の変化が所定の値と比較され、クランプ力に対する所定の閾値またはばね定数を調整することができる。]
[0022] 図面および明細書に示した実施例に関して、個々の特徴を相互に種々に組み合わせることができることを言及しておく。つまり、例えば、ロータ１８を個々の打抜き薄板から構成することができるか、ワンピースで製造することができ、この場合において半径６２を周囲にわたり連続的に変化させることができるか、離散的に変化させることができる。磁極３２、ロータウェブ７６ならびに溝２４の数、配置および構成をそれぞれの用途、殊にそれぞれの出力要求に適合させることができる。つまり、電気機械１２を例えば外部ロータとして構成することもできる。同様に、コイル３０の巻き付け方法を変更することができ、例えば単歯コイルも使用することができ、その導体ループの数は本発明に応じて変更される。相応に、トルクリプルを補償するために、周囲にわたる半径６２の変化が適合される。電気機械１２は有利には、自動車におけるアクチュエータに使用され、例えば、座席部分、ウィンドウガラスおよび開口部のカバー部の調整に使用されるが、用途はそれらに限定されるものではない。]

权利要求:

請求項1
ステータ（３４）と、半径（６２）を有するロータ（１８）とを備えた、例えば車両内の可動部をモータにより調整するための電気機械（１２）において、前記半径（６２）は前記ロータ（１８）の周囲にわたり変化することを特徴とする、電気機械。
請求項2
前記ロータ（１８）の周囲全体にわたる前記半径（６２）の変化の最大値（７２）の数および相応の最小値（７３）の数は前記ステータ（３４）の磁極（３２）の数と一致する、請求項１記載の電気機械（１２）。
請求項3
前記ロータ（１８）の周囲にわたる前記半径（６２）の変化はほぼ正弦関数に相当する、請求項１または２記載の電気機械（１２）。
請求項4
前記ロータ（１８）は複数のロータウェブ（７６）を有し、該ロータウェブ（７６）の間には溝（２４）が設けられており、例えば隣り合うロータウェブ（７６）は半径方向において異なる長さ（７７）を有し、該長さ（７７）の差（７０）は有利には０．０５ｍｍから０．２ｍｍである、請求項１から３までのいずれか１項記載の電気機械。
請求項5
前記ロータ（１８）は軸方向において重ねられて積層化された複数の薄板（２７）を有し、該薄板（２７）は同一の打ち抜き部として製造されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の電気機械（１２）。
請求項6
前記ステータ（３４）２つまたは４つの磁極（３２）を有し、前記ロータ（１８）は８，１０，１４または１８個のロータウェブ（７６）を有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の電気機械（１２）。
請求項7
前記溝（２４）内に電気的なコイル（３０）の個々の導体ループ（３６）が配置されており、該導体ループ（３６）は整流子（２０）の整流子片（２２）と接触接続されており、評価ユニット（４０）がモータ電流信号のリプルから回転数情報を求める、請求項１から６までのいずれか１項記載の電気機械（１２）。
請求項8
整流子の１回転にわたるコイル（３０）の個々の導体ループ（３６）の数は、整流子の１回転にわたる導体ループ（３６）の数の変化がほぼ正弦関数（６０）を表すように選定されており、連続して整流される２つのコイル（３０）の導体ループ（３６）の数は例えば導体ループ（３６）１つ分、または導体ループ（３６）２つ分、または導体ループ（３６）３つ分異なる、請求項１から７までのいずれか１項記載の電気機械（１２）。
請求項9
請求項１から８までのいずれか１項に記載されている電気機械（１２）、例えば自動車内のアクチュエータの作動方法において、リプルの検出可能な周波数が生じるように、整流子の１回転にわたる個々の導体ループ（３６）の数の変化を選定し、生じたトルクリプルを、ロータ（１８）の半径（６２）の変化を逆位相に形成することによって少なくとも部分的に補償することを特徴とする、電気機械（１２）の作動方法。
請求項10
回転数情報として、ロータの回転数または回転周期を表す信号を評価ユニット（４０）に供給し、該評価ユニット（４０）は前記信号の時間的な変化に基づき可動部の挟み込みを識別し、前記電気機械（１２）を反転および／または停止させ、前記信号または該信号の変化を記憶されている限界値と比較し、該限界値を上回った場合または下回った場合に挟み込み防止機能（４４）をトリガする、請求項９記載の電気機器（１２）の作動方法。