电机的制作方法

[0001]
本发明涉及一种电机、特别是用于交流电(ac)和/或直流电(dc)的通用电机和无刷电机。通用电机的典型应用领域是具有速度控制的驱动器。在采用小型紧凑构造形式要求高功率的情况中，需要使用无刷类型。


背景技术：

[0002]
具有紧凑构造形式的电机特别针对效率进行调整。效率达到最大95％并不少见。它们通常具有柱体状的形状。构造尺寸在例如30mm
×
60mm的范围中的电机(柱体状的构造形式)能够在短时间内提供直至1000瓦特的功率。在许多情况中，为了确保冷却作用，风扇叶轮与电机轴(转子)连接。然而，在转子阻塞的情况下，由此引起的冷却作用失效。
[0003]
能够利用交流电(ac)和直流电(dc)运行的通用电机具有集电器作为典型特征。转子在这里带有电枢绕组，该电枢绕组根据设计方案与定子绕组或永磁体配对。这种类型的电机特别用于工具领域中、尤其是也用于小型家用电器(搅拌棒、咖啡机、钻孔机等)中，因为在这些电机构造型式中提供精确的速度控制。构造形式以及功率范围与无刷电机的数量级相似、然而效率较低。
[0004]
原则上，迄今能在市场上获取的上述构造形式的电机中，对电枢没有有效的热保护，无论电枢是设有电枢绕组还是具有例如在无刷类型中设置的永磁体。它们的永磁体具有随着其温度升高而失去其磁场的负面特性，从而必须在闭合的控制回路中提高控制功率，以便补偿转速损失。这导致电枢或永磁体的快速过热或者导致在电枢中的导线绝缘层损坏。
[0005]
根据功率等级，将在80℃-130℃的范围中的温度视为“正常的”。通常所使用的导线绝缘层由聚氨酯(临界温度：155℃)、聚酯酰亚胺(临界温度：200℃)和聚酰亚胺(临界温度：300℃)制成。给出的临界温度是最大热负荷值，在该最大热负荷值的情况下不出现持久的结构损坏。连续使用温度约为此临界温度的75％。根据电机功率等级/结构和运行类型，在发生阻塞时，在电枢绕组上在15s内达到超过200℃的温度。
[0006]
已知所谓的电机保护开关，其仅通过所消耗的功率或与电机壳体的温度结合地来检测负载。这种变型的特点在于时间上的(热)惯性，其在上述电机类型的情况中不能使用：与紧凑型构造形式和功率等级有关地，在以额定负载驱动的情况下，最大12s的转子阻塞是允许的。如果电机应在转子停止之前已部分过载，则该最大时间较小。此外，导线绝缘层可能融化并且由于然后在这里导致的短路而引起火灾。
[0007]
当前对于上面的问题的对应措施在于，电机通常尺寸设计得过大而以制造成本、重量和壳体为代价。
[0008]
现有技术文献：
[0009]
从de102011017532a1中已知一种用于电机、尤其是用于内燃机的起动器的换向器，其中，在集电器上设置有可热变形的短路元件作为热过载保险装置，该短路元件具有导电的接触桥，该接触桥在超过极限温度的情况下导致在集电器上的短路。短路的触发直接
取决于电枢的温度。
[0010]
de4411712a1描述一种防止小型电机热过载的保护装置以用于在使用双金属元件的情况下的高的热负荷能力，该双金属元件在一定加温情况下突然断开电机的供电电路。


技术实现要素：

[0011]
本发明的任务：
[0012]
本发明的任务在于，对于上面提及的发动机种类提供一种改进的热保护。
[0013]
任务的解决方案：
[0014]
上面的任务通过根据权利要求1的特征所述的电机解决。
[0015]
根据本发明的电机的符合目的的设计方案在从属权利要求中被要求保护。
[0016]
尤其是在具有高功率密度的紧凑构造类型的电机中，本发明能够为上面提及的电机种类提供改进的热保护，所述热保护直接在发生的位置检测温度发展并且因此带来最低的延迟和最高的精度。这在如下的电机中特别重要，在所述电机中，基于密封封装，高性能冷却系统的集成在结构上是不可能的或者仅很难实现。有源传感器(在测量温度、数据处理和传输的意义上)直接定位到预期的温度最快发展的部位处。
[0017]
因此，传感器单元优选地直接安装在运动部件上或直接安装在转子上，并且因此能够直接在转子上检测温度。刚好在转子中的运行温度是决定性的。利用本发明，在转子上的运行温度可以直接传送到外部接收单元。传感器单元可以在这里例如设置在两个绕组层之间的转子上，或者也可以在一个绕组层的区域中安置在转子的多个纵向凹槽中的一个纵向凹槽中。
[0018]
传感器单元作为构造组件尤其通过如下方式实现，即用于运行传感器单元的电能要么从交变场中感应出来要么经由集电器的抽头(如果该抽头存在的话)引出。从交变场的感应尤其适合于所谓的无刷电机，在所述无刷电机中不存在集电器。
[0019]
特别有利的是，使用具有高极化性的天线、例如所谓的环形天线或陶瓷天线。这些天线基于其结构而具有高极化性并且还能够良好地以所需要的小型化方式安装到电路板上。陶瓷天线尤其也对外部影响、例如热影响特别不敏感。它们还具有低的重量。
[0020]
优选地，使用srd(短程)ism频带作为工作频率，因为这些无线电传输频带仅需要少量能量。特别符合目的的是所谓的ism868mhz频带。
[0021]
通过将无线电传输的无线电功率至少基本上确定到最大30m、优选最大20m、特别优选最大10m的半径上，由此建立在低能量需求情况下的无线电传输，这支持将传感器单元作为自供给式的构造组件。在这些半径范围内，应能够仍然至少基本上没有信号干扰地评估传感器信号。此外，传感器信号应能够穿透壳体绝缘层或屏蔽层。
[0022]
基于温度的测量信号或从其导出的数据或信息优选以在时间上彼此间隔开的数据包的形式发送。
[0023]
数据包尤其重复地相继地发送，以确保在例如在由于与电机有关的干扰效应引起的干扰影响的情况下可靠地接收数据。
[0024]
为了补偿位于转子上的天线的方向性，传感器单元在转子偏移为90
°
+/-25
°
的旋转角度、优选至少90
°
+/-15
°
的旋转角度、特别优选至少90
°
+/-5
°
的旋转角度的情况下发送相同的数据包至少两次。由此能够实现提高的接收质量。
[0025]
传感器单元符合目的地执行天线的调谐程序，以将传感器信号或从其导出的数据或信息通过无线电发送至外部接收单元。调谐程序在这里是天线的短的校准过程，该校准过程将天线调谐到给定条件。由此消除或至少明显减少基于安装到电机周围而引起的天线失谐。
[0026]
天线的调谐程序符合目的地在初次投入使用时和/或在运行期间、优选在发送数据包之前进行。由调谐确定的调节参数(尤其是传感器单元的输出电路的容量)优选永久地存储在传感器单元的存储器中，从而能够在时间上减少调谐过程。
[0027]
传感器单元的无线电传输以如下方式确定，即设置最大发射功率为30mw、优选为20mw、特别优选为10mw和/或设置数据速率为50kbit/s、优选为40kbit/s、特别优选为30kbit/s。该确定考虑如下事实，即传感器单元是自供给式的构造组件，也就是说，能量仅能在有限的范围内供使用。
[0028]
出于相同的原因但是还由于ism 868mhz频带的规定，对于所述传输，数据包的长度优选小于或等于信道的占用时间的0.1％。
[0029]
利用传感器单元能够附加地还传输另外的测量值或从其导出的数据或信息。其尤其包括：
[0030]-传感器单元的单独地址和/或
[0031]-用于奇偶校验测量的测试数据和/或
[0032]-转子的旋转速度和/或
[0033]-转子轴或转子的振动数据和/或
[0034]-正和/或负加速度和/或
[0035]-关于转子的阻塞的信息和/或
[0036]-关于在极限温度以上的运行状态的运行状态，优选作为时间测量和/或
[0037]-关于自供给以及能量分配的传感器单元数据。
[0038]
在基于温度的测量值的基础上以及优选地在所述另外的附加的测量值或从其导出的数据或信息的基础上能够对所述电机的功率和/或运行进行优化控制，并且因此一方面显著改善开头所述构造形式的电机的运行可靠性，另一方面显著改善运行效率。
附图说明
[0039]
根据实施例对本发明的描述：
[0040]
以下根据实施例更详细地阐述本发明。在附图中：
[0041]
图1示出根据本发明的电机的强烈简化的示意图，该电机具有用于在外部接收单元上读取电机的运行温度的传感器装置；
[0042]
图2以部分剖视图示出根据本发明的电机的设计方案的各个功能单元的强烈简化的示意性的原理图；
[0043]
图3示出根据图2的电机的转子的强烈简化的示意性的俯视图；
[0044]
图4示出作为具有感应线圈(图4a)或集电器的抽头(图4b)的无源构造组件的传感器单元的各个功能元件的强烈简化的示意图；以及
[0045]
图5示出数据包的沿转子旋转的发送时间点的示例性的强烈简化的示意图。
具体实施方式
[0046]
在图1中的附图标记1示出以紧凑构造形式的电机，该电机具有在其端侧突出的电机轴14、柱体状的壳体2以及用于将电机1连接到电子电路中的接线端子15a、15b。
[0047]
以紧凑构造形式的电机通常用于工具领域(例如钻孔机)以及小型家用电器(搅拌棒、咖啡机等)中，因为利用其能够在给定的电机构造型式中实现精确的速度控制。在给定的紧凑的构造形式中，这样的电机针对效率进行调整。效率达到最大95％并不少见。紧凑型电机通常具有柱体状的构造形式。它们能够在短时间内发出最大1000瓦特的功率。能以ac和dc运行的通用电机也属于以紧凑构造形式的电机。这样的电机通常具有集电器，其中，转子带有所谓的电枢绕组，所述电枢绕组根据设计方案与定子绕组或永磁体配对。
[0048]
根据本发明的电机2包括(在图2中示出的)传感器单元，所述传感器单元具有温度传感器以用于检测基于温度的测量值，其中，该测量值或从其导出的数据或信息经由单向的无线电链路22传输至外部接收单元9并且在外部接收单元处在显示器16上显示。除了上述测量值或数据之外，还可以在无线电链路22的范围内传输传感器单元的另外的测量值或从其导出的数据或信息。温度或要更进一步传输的测量值、数据以及信息的显示可以在特别配置的显示区域16a、16b以及16b中进行。数值数据同样可以经由如i2c或spi总线的接口进一步引导到下游的调节器/控制单元。
[0049]
图2示出电机1的主要的功能元件。电机1包括柱体状的壳体2，定子3位于所述壳体中。定子3在图2中仅示意性地示出并且能够通过定子绕组或通过永磁体(相应在图2中未示出)实现。定子3的相对置的区域被不同地极化。
[0050]
转子4位于定子3的内部，电机轴14与所述转子不可相对旋转地连接。另外，在端侧在电刷抽头处也可以设有集电器11，所述集电器在那里获取来自设置在壳体2内部的电刷23(参见图3)的电能。
[0051]
集电器11为转子绕组5提供电能。相应的转子绕组5包括一些引导电流的导线，这些导线分别以例如由聚氨酯制成的导线绝缘层围绕。聚氨酯具有约155℃的热负荷能力。在此温度下，仍然没有持久的结构损坏。
[0052]
根据本发明，用于检测基于温度的测量值的传感器单元6作为热保护装置直接位于转子4上。在图2或图3中示出的实施方式中，传感器单元6位于转子4的外部区域中、例如位于在两个平行延伸的转子绕组5之间的区域中，或者替代性地位于一个转子绕组5的上侧上。因此，传感器单元6与转子4一起旋转。例如，传感器单元6可以作为集成电路18施加在电路板17上。
[0053]
为了将传感器信号、即基于温度的测量值或从其导出的数据或信息通过无线电发送至外部接收单元，传感器单元6包括天线8a，该天线例如作为环形天线如在图3中示出的那样可以印刷在电路板17上。替代性地，也可以设置所谓的陶瓷天线作为天线8a。环形天线和陶瓷天线由于结构原因都具有非常高的极化性。
[0054]
如从图2能看出的是，无线电链路22的无线电信号由传感器单元6沿径向方向向外发送。
[0055]
传感器单元6是纵长延伸的构件并且沿转子4的纵向方向延伸。所述传感器单元以适当的方式以不可相对运动的方式与转子连接、例如粘接。由此避免振动。
[0056]
图4a以强烈简化的示意图示出传感器单元6的主要功能部件。传感器单元6包括微
控制器10，所述微控制器优选具有存储器13。此外，设有温度传感器7，所述温度传感器能够检测在转子4的区域中的温度并且能够产生对应于该温度的基于温度的测量值。此外，传感器单元6包括无线电模块8，利用所述无线电模块，基于温度的测量值或从其导出的数据或信息能够经由无线电链路22被传送至外部接收单元9。
[0057]
根据本发明，传感器单元6是自供给式的构造元件或自供给式的构造组件。在图4a中示出的实施方式中，传感器单元6借助于经由线圈20的感应从定子3的交变磁场中获得该传感器单元的运行能量。该运行能量必须至少对于短的时间段充足储备在存储器中，以便周期性地、尽可能以小的秒数的间隔将信息发送至外部接收模块9。为此，传感器单元6包括例如在微处理器的区域中的(未示出的)例如以可充电电容形式的能量存储装置。
[0058]
此外，传感器单元6还包括另外的传感器，所述另外的传感器的测量值或信号被附加地传输至外部接收单元9。优选地，可以设置所谓的加速度传感器19，所述加速度传感器产生关于加速度(正/负)的、旋转速度的和/或转子轴的振动的数据。
[0059]
因为通过将传感器单元6安装到转子4周围可能使天线失谐，所以传感器单元6通过对天线进行短的校准过程符合目的地实施天线的调谐程序。此校准过程仅可持续短的时间(例如2ms)。所述校准过程可以在初次投入使用时或稍后、例如在数据包传输之前进行。在天线8a的该调谐程序的范围中确定调节参数、尤其是确定无线电模块8的输出天线电路8b的容量，该调节参数可以永久地存储在存储器13中。
[0060]
测量值或基于测量值的数据以数据包的形式周期性或者说不连续地传输至接收单元。为了补偿天线8a的方向性(参见图2)，传感器单元6应尽可能在转子偏移为大约90
°±
25
°
的旋转角度、优选至少大约90
°±
15
°
的旋转角度、特别优选至少大约90
°±
5
°
的旋转角度的情况下至少两次发送相应的数据包。在图5示出的传输类型中，同一数据包12在90
°
的旋转角度内发送两次。由此显著增大良好接收的可能性。
[0061]
数据包的长度应与相关频率范围内的规定相协调，并且不应超过占用时间的0.1％。与例如每4秒一次的周期性的测量值检测相协调意味着最大4ms的数据包。关于30kbit/s因此大约是具有8位分辨率(净可网络传输的)的六个值。符合目的地，相关的数据包还包含传感器装置的单独地址和/或用于奇偶校验/可靠性测试的另外的测试数据。数据速率选择成，使得在发送期间可以将能量消耗保持得小，然而在接收单元9侧仍然提供有足够的抗干扰性。为了传输测量值或数据，设置最大传输功率为30mw、优选为20mw、特别优选为10mw和/或数据速率为50kbit/s、优选为40kbit/s、特别优选为30kbit/s。在这里例如10mw的功率连同30kbit/s的数据速率提供良好的结果。
[0062]
除了基于温度的值或数据之外，由传感器单元6还能够传输附加的测量值或从其导出的数据或信息，它们包含以下项目中的至少一个：
[0063]-传感器单元(6)的单独地址和/或
[0064]-用于奇偶校验测量的测试数据和/或
[0065]-转子(4)的旋转速度和/或
[0066]-转子轴或转子(4)的振动数据和/或
[0067]-正和/或负加速度和/或
[0068]-转子(4)的阻塞和/或
[0069]-关于在极限温度以上的运行状态的数据，优选作为时间测量和/或
[0070]-关于自供给和能量分配的传感器单元数据。
[0071]
图4b示出传感器单元6的替代性的设计方案。在该设计方案中，用于传感器单元6的运行能量从集电器11的抽头21中获得。同样在该设计方案中，也不必为传感器单元6设置单独的能量供应。
[0072]
应明确指出的是，各个特征彼此之间的组合或具有部分特征组的各个特征被明确地认为对本发明是重要的，并且被包括在本申请的公开内容中。
[0073]
附图标记列表
[0074]
1
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电机
[0075]
2
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壳体
[0076]
3
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定子
[0077]
4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
转子
[0078]
5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
转子绕组
[0079]
6
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
传感器单元
[0080]
7
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
温度传感器
[0081]
8
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
无线电模块
[0082]
8a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
天线
[0083]
8b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
输出天线电路
[0084]
9
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
接收单元
[0085]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
微控制器
[0086]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
集电器
[0087]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
数据包
[0088]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
存储器
[0089]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电机轴
[0090]
15a
ꢀꢀꢀꢀꢀ
接线夹
[0091]
15b
ꢀꢀꢀꢀꢀ
接线夹
[0092]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
显示器
[0093]
16a
ꢀꢀꢀꢀꢀ
显示区域
[0094]
16b
ꢀꢀꢀꢀꢀ
显示区域
[0095]
16c
ꢀꢀꢀꢀꢀ
显示区域
[0096]
17
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电路板
[0097]
18
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
集成电路
[0098]
19
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
加速度传感器
[0099]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
线圈
[0100]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
抽头
[0101]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
无线电链路
[0102]
23
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电刷