DE4327217A1

DE4327217A1 - Electric motor having a device for detecting the rotor position, the speed of revolution and/or the rotation direction

Info

Publication number: DE4327217A1
Application number: DE4327217A
Authority: DE
Inventors: Hans Bertsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-08-13
Filing date: 1993-08-13
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2013-08-14
Also published as: DE4327217C2

Abstract

An electric motor, in particular a permanent-magnet-excited DC motor, is proposed which is provided with a device for detecting the rotor position, the speed of revolution and/or the rotation direction, which device has at least one element (20), which is sensitive to magnetic fields and is fitted on the pole tube (10) of the motor, for detecting fluctuations in the magnetic flux as a function of the rotor position. Electronic means (21) are used to evaluate the signals from this element (20) which is sensitive to magnetic fields. If the electric motor is designed as a four-pole motor in which two opposite poles have permanent magnets (14, 15) between which two opposite poles, formed by pole shoes (16, 17), are arranged, the element (20) which is sensitive to magnetic fields is arranged, preferably centrally, on one of the pole shoes (16). The centre of the pole shoe (16) is the location which is least affected by stray flux and the armature transverse field and is located very close to the armature teeth of the rotor (11) so that a minimal interference signal can be produced by the armature transverse field, with a maximal useful signal. <IMAGE>

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere einen permanentmagneterregten Gleichstrommotor, mit einer Vorrichtung zur Rotorlage-, Drehzahl- und/oder Drehrich tungserfassung nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention relates to an electric motor, in particular a permanent magnet excited DC motor, with a Device for rotor position, speed and / or turning direction coverage according to the genus of the main claim.

Für viele Anwendungen von Elektromotoren ist es erforder lich, die Rotorlage, die Drehzahl- und/oder die Dreh richtung zu erfassen, beispielsweise bei elektromotorisch angetriebenen Fensterhebern oder Schiebedächern in Kraft fahrzeugen, um einen wirksamen Einklemmschutz realisieren und eine vorbestimmte Position anfahren zu können.It is required for many applications of electric motors Lich, the rotor position, the speed and / or the rotation to detect direction, for example in the case of an electric motor powered windows or sunroofs in place vehicles to implement effective anti-trap protection and to be able to move to a predetermined position.

Aus der DE-OS 41 28 419 ist ein Elektromotor der eingangs genannten Gattung bekannt, bei dem ein Hall-Sensor bzw. Hall-Element am Polrohr des Elektromotors angeordnet ist. Bei einer Drehung des Motors werden dabei erzeugte Flug schwankungen durch die Ankernutung in diesem Hall-Sensor erfaßt, wobei aus diesen Hall-Signalen die gewünschten Informationen gewonnen werden. Der bekannte Elektromotor ist ein 2-poliger Motor. Will man entsprechende Informa tionen bei einem 4-poligen Motor gewinnen, wie er bei spielsweise aus der US-PS 42 96 343 bekannt ist, so stellt man fest, daß dort der Hall-Sensor nicht in gleicher Weise bzw. an den entsprechenden Stellen angeordnet werden kann, wenn man optimale Flußschwankungen erfassen will.From DE-OS 41 28 419 an electric motor is the beginning known genus in which a Hall sensor or Hall element is arranged on the pole tube of the electric motor. When the engine rotates, it creates flight fluctuations due to the anchor groove in this Hall sensor detected, the desired from these Hall signals Information can be obtained. The well-known electric motor is a 2-pole motor. If you want appropriate information win with a 4-pole motor like it does with is known from US Pat. No. 4,296,343, for example it is found that the Hall sensor is not there in the same way or can be arranged in the appropriate places, if you want to record optimal flow fluctuations.

Die erfindungsgemäße Anordnung des magnetfeldsensitiven Elements an einem 4-poligen Elektromotor hat den Vorteil, daß an der vorgeschlagenen Stelle der Streufluß und das Ankerquerfeld minimal sind und daher dort den erwünschten Anteil der Flußschwankung am wenigsten beeinflussen. Das magnetfeldsensitive Element liegt dort sehr nahe an den Ankerzähnen und kann die Schwankungen des magnetischen Feldes zwischen Zahn und Lücke optimal erfassen.The arrangement of the magnetic field sensitive according to the invention Elements on a 4-pole electric motor has the advantage that the stray flux and the Anchor cross field are minimal and therefore there the desired Least influence on the proportion of river fluctuation. The magnetic field sensitive element is very close to the Anchor teeth and the fluctuations of the magnetic Optimally capture the field between tooth and gap.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Elektromotors möglich.By the measures listed in the subclaims are advantageous developments and improvements of possible in the main claim specified electric motor.

Die günstigste Anordnung für das magnetfeldsensitive Ele ment ist die im wesentlichen mittige Anordnung an dem Pol schuh, da dort der Streufluß und das Ankerquerfeld am ge ringsten sind. Dabei wird das magnetfeldsensitive Element in vorteilhafter Weise in einer durchgehenden Öffnung oder einer Vertiefung des Polschuhs angeordnet, da hierdurch ein noch geringerer Abstand zum Rotor erreicht wird und das das magnetfeldsensitive Element durchsetzende Feld eine größere Feldstärke aufweist.The cheapest arrangement for the magnetic field sensitive Ele ment is the essentially central arrangement on the pole shoe, since there the stray flux and the anchor cross field on the ge are the worst. The magnetic field sensitive element advantageously in a continuous opening or a recess of the pole piece arranged, as a result an even closer distance to the rotor is reached and the field penetrating the magnetic field sensitive element has a greater field strength.

Um das Magnetjoch bzw. die Polschuhe möglichst wenig zu schwächen, ist die Öffnung unter Vertiefung an die Gestalt des magnetfeldsensitiven Elements angepaßt.To the magnet yoke or the pole pieces as little as possible weaken, is the opening deepening to the shape adapted of the magnetic field sensitive element.

Das Magnetjoch ist zweckmäßigerweise als topfförmiges Pol rohr ausgebildet, wobei die zwei Pole bildenden Polschuhe als parallel zum Außenumfang des Rotors verlaufende Be reiche des Magnetjochs ausgebildet sind. Zur guten Wirk samkeit dieser Pole ist zwischen den Polschuhen und dem Rotor nur ein sehr kleiner Spalt ausgebildet.The magnetic yoke is expediently a pot-shaped pole formed tube, the two poles forming pole pieces as a parallel to the outer circumference of the rotor empires of the magnetic yoke are formed. For a good effect This pole is between the pole pieces and the Rotor formed only a very small gap.

Das magnetfeldsensitive Element ist in vorteilhafter Weise als Hall-Sensor ausgebildet, jedoch können prinzipiell auch andere magnetfeldsensitive Elemente verwendet werden, beispielsweise Feldplatten, Magnetspulen od. dgl.The magnetic field sensitive element is advantageous designed as a Hall sensor, but can in principle other magnetic field sensitive elements are used, for example field plates, magnetic coils or the like.

Zeichnungdrawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is in the drawing shown and in the following description explained. Show it:

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. 1 is a sectional view through an electric motor perpendicular to the longitudinal axis, which is provided with a Hall sensor for detecting the rotor position, speed and / or direction of rotation, as an exemplary embodiment from the invention, and

Fig. 2 eine Teilseitenansicht des in Fig. 1 dargestell ten Rotors auf die den Hall-Sensor tragenden Seite. Fig. 2 is a partial side view of the rotor shown in Fig. 1 on the side bearing the Hall sensor.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

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. The embodiment shown in Figs. 1 and 2 shows a 4-pole, permanent magnet DC motor. In a pot-shaped pole tube 10 , a cal matic rotor 11 is rotatably mounted. Anchor teeth 12 or rotor teeth, the armature windings not shown, are also shown only schematically in a partial position. The usual for a DC motor collector and the resilient brushes are not shown for simplification, since this is a known arrangement, which is not important in the present invention.

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.The pole tube 10 comprises two opposite, like a housing projecting from the rotor 11 portions 13, in each of which a permanent magnet 14, 15 is arranged, said Perma nentmagnete 14, 15 form two of the four magnetic poles. Seen from the rotor 11 , these permanent magnets 14 , 15 act as north poles in the exemplary embodiment. Between these loading areas 13 , the pole tube 10 extends correspondingly rounded parallel to the outer circumference of the rotor 11 , whereby pole shoes 16 , 17 are formed, which represent the two further poles of the 4-pole electric motor. The exemplary embodiment is South Pole. Between these pole shoes 16 , 17 and the rotor 11 , a very small gap 18 is formed.

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, um die Öffnung 19 möglichst klein zu halten. 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.In the middle of the left pole shoe 16 according to FIG. 1, a continuous opening 19 is formed, into which a Hall sensor 20 is inserted and fixed. The width of this opening 19 is adapted to the width of the Hall sensor 20 in order to keep the opening 19 as small as possible. The respective lateral expansion of the opening 19 beyond the Hall sensor 20 serves for assembly purposes and can also be omitted, that is to say that the shape of this opening 19 can be exactly adapted to the Hall sensor 20 .

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.Instead of a continuous opening 19 , a depression can in principle also be used, into which the Hall sensor 20 is inserted from the outside. The remaining wall towards the rotor 11 is chosen to be very thin, so that the Hall sensor 20 comes as close as possible to the rotor 11 . However, this thin remaining wall is suitable as protection for the Hall sensor 20 .

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 gnetischen 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 gnale 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.The principle of speed detection or rotor position detection by such a Hall sensor on the pole tube or pole housing is that the magnetic flux through the pole tube 10 can be detected directly by the Hall sensor 20 embedded in the pole shoe 16 . Since due to the magnetic saturation of the pole tube also a small part of the magnetic flux via the air path outside this pole housing, the Hall sensor 20 could in principle also be arranged outside on the rotor 11 . When the rotor 11 is rotated, there is a slight fluctuation in the total flux in the electric motor, which is due to the use of the rotor. This periodic flow fluctuation at a fixed armature speed is detected by the Hall sensor 20 , al lerdings also the so-called armature transverse field, which will cause currents rising proportionally with the load. The amplitudes of the stray fields fluctuate accordingly in accordance with the total armature flux. The frequency of the measurement signals obtained corresponds to the product “speed frequency × rotor usable number” and is thus a measure of the speed of the electric motor. A signal proportional to the rotor is obtained by counting the signals. Since the center of the pole shoe 16 serving as the pole for the 4-pole electric motor is the least influenced by the leakage flux and transverse armature and is also very close to the armature teeth, a maximum useful signal is obtained at this point by the Hall sensor 20 minimal unwanted signal obtained by the armature cross field.

Das Signal des Hall-Sensors 20 wird in an sich bekannter Weise einer elektronischen Auswerteschaltung 21 zugeführt. Dort werden die Signale des Hall-Sensors 20 zur Erfassung eines rotorlageproportionalen Signals gezählt und/oder in ein Drehzahl proportionales Signal umgewandelt.The signal from the Hall sensor 20 is supplied to an electronic evaluation circuit 21 in a manner known per se. There, the signals of the Hall sensor 20 are counted to detect a signal proportional to the rotor position and / or converted into a signal proportional to the speed.

Um eine Drehrichtungsdetektion vornehmen zu können, 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.In order to be able to detect the direction of rotation, two Hall sensors 20 are required, which are arranged slightly offset from one another in the circumferential direction, as described in the prior art specified at the outset. The time-periodically fluctuating stray fields generated during the rotation of the rotor are detected one after the other in time in the two Hall sensors 20 , so that the direction of rotation assignment is thereby possible. These two Hall sensors 20 are also arranged centrally on a pole shoe 16 . A graphic representation of the two Hall sensors 20 has been omitted.

Claims

1. Elektromotor, insbesondere permanentmagneterregter Gleichstrommotor, mit einer Vorrichtung zur Rotorlage-, Drehzahl- und/oder Drehrichtungserfassung, die wenigstens ein am Ständer des Motors angebrachtes magnetfeldsensiti ves Element zur Erfassung von rotorlageabhängigen Schwan kungen des magnetischen Flusses aufweist, und mit elektro nischen Mitteln zur Auswertung der Signale dieses magnet feldsensitiven Elements, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein 4-poliger Motor ist, bei dem zwei gegen überliegende Pole Permanentmagneten (14, 15) aufweisen, zwischen denen zwei gegenüberliegende, durch Polschuhe (16, 17) gebildete Pole angeordnet sind, und daß das ma gnetfeldsensitive Element (20) an einem der Polschuhe (16) angeordnet ist.1. Electric motor, in particular permanent magnet excited DC motor, with a device for rotor position, speed and / or direction of rotation detection, which has at least one attached to the stator of the motor magnetfeldsensiti ves element for detecting rotor position-dependent fluctuations in the magnetic flux, and with electronic means for Evaluation of the signals of this magnetic field-sensitive element, characterized in that the electric motor is a 4-pole motor in which two opposite poles have permanent magnets ( 14 , 15 ), between which two opposite poles formed by pole shoes ( 16 , 17 ) are arranged are, and that the ma gnetfeldsensitive element ( 20 ) on one of the pole shoes ( 16 ) is arranged.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetfeldsensitive Element (20) im wesentlichen mittig an dem Polschuh (16) angeordnet ist.2. Electric motor according to claim 1, characterized in that the magnetic field-sensitive element ( 20 ) is arranged substantially centrally on the pole piece ( 16 ).

3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das magnetfeldsensitive Element (20) in einer durchgehenden Öffnung (19) oder einer Vertiefung des Polschuhs (16) angeordnet ist.3. Electric motor according to claim 1 or 2, characterized in that the magnetic field-sensitive element ( 20 ) is arranged in a through opening ( 19 ) or a recess of the pole piece ( 16 ).

4. Elektromotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (19) oder Vertiefung an die Gestalt des magnetfeldsensitiven Elements (20) angepaßt ist.4. Electric motor according to claim 3, characterized in that the opening ( 19 ) or recess is adapted to the shape of the magnetic field-sensitive element ( 20 ).

5. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetjoch (10) als topf förmiges Polrohr ausgebildet ist.5. Electric motor according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic yoke ( 10 ) is designed as a pot-shaped pole tube.

6. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (16, 17) als parallel zum Außenumfang des Rotors (11) verlaufende Be reiche des Magnetjochs (10) ausgebildet sind.6. Electric motor according to one of the preceding claims, characterized in that the pole shoes ( 16 , 17 ) as parallel to the outer circumference of the rotor ( 11 ) extending areas of the magnetic yoke ( 10 ) are formed.

7. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Polschuhen (16, 17) und dem Rotor ein sehr kleiner Spalt (18) ausgebildet ist.7. Electric motor according to claim 6, characterized in that a very small gap ( 18 ) is formed between the pole pieces ( 16 , 17 ) and the rotor.

8. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetfeldsensitive Ele ment (20) ein Hall-Sensor ist.8. Electric motor according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic field sensitive element ( 20 ) is a Hall sensor.