AT520256B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen der magnetischen Eigenschaften eines Permanentmagneten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Prüfung der magnetischen Eigenschaften eines Permanentmagneten (18) mit einer Anzahl P von Magnetpolen (18a), mit einer eine Prüfspule (10) mit einem Spulenkern (11) der eine Anzahl N von Nuten (12) und Zähnen (14) und eine Anzahl W von elektrischen Wicklungen (16) aufweist, eine Halteeinrichtung (20) zur Aufnahme und konzentrischen Ausrichtung des zu prüfenden Permanentmagneten (18) in Bezug auf die Prüfspule (10) und eine gemeinsame Drehachse (24), eine Antriebseinrichtung (32) zur Drehung der Halteeinrichtung (20) und des Permanentmagneten (18) relativ zur Prüfspüle (10) um die Drehachse (24) mit einer vorgegebenen Drehzahl, eine mit den Wicklungen (16) elektrisch verbundene Messeinrichtung (34) zur Erfassung und Auswertung der in den Wicklungen (16) induzierten elektrischen Signale, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl N der Nuten (12) und Zähne (14) gleich groß ist wie die Anzahl P der Magnetpole (18a) des zu prüfenden Permanentmagneten (18), wobei N ebenfalls ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl W der Wicklungen (16) der Prüfspule (10) ist.

Description

Beschreibung

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM PRÜFEN DER MAGNETISCHEN EIGENSCHAFTEN EINES PERMANENTMAGNETEN

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen der magnetischen Eigenschaften eines Permanentmagneten vorzugsweise für die Verwendung in einem Permanentmagnet-Motor.

[0002] Unter einem Permanentmagnet-Motor wird eine elektrische Maschine verstanden, die mindestens einen Permanentmagneten aufweist, dessen magnetisches Feld mit dem elektromagnetischen Feld einer Motorspule zusammenwirkt, um den Motor anzutreiben. Der Permanentmagnet kann am Rotor angeordnet sein, während die Motorspule stationär angeordnet ist, oder der Permanentmagnet kann stationär angeordnet sein, während die Motorspule am Rotor angeordnet ist.

[0003] Ein Beispiel für einen solchen Permanentmagnet-Motor sind miniaturisierte Spindelmotoren, wie sie beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, Lüftern oder Laserscannern eingesetzt werden. Aufgrund ihrer geringen Baugröße sind bei diesen Spindelmotoren die mechanischen und elektrischen Toleranzen sehr eng bemessen. Es muss insbesondere eine gleichbleibende Qualität des elektromagnetischen Antriebssystems innerhalb enger Spezifikationen sichergestellt sein, damit diese Spindelmotoren auch in der Massenfertigung die vorbestimmten Eigenschaften, wie z.B. Drehmoment, Drehzahl, Vibrationsarmut und hohen Wirkungsgrad erreichen. Hierbei ist nicht nur notwendig, dass die elektrischen Statoren mit einer großen Genauigkeit gefertigt sind, sondern es ist insbesondere auch eine gleichbleibende Magnetisierung der eingesetzten Permanentmagnete unabdingbar. Variationen oder Ungleichmäßigkeiten in der Magnetisierung der Permanentmagnete beeinflussen unmittelbar das Vibrationsverhalten, die Akustikeigenschaften und die Drehzahlstabilität des Spindelmotors.

[0004] Wichtige Kennwerte des Permanentmagneten sind insbesondere der magnetische Fluss ©, welche direkt die elektrische Motorkonstante Ke beeinflusst, und die magnetisch Flussdichte B.

[0005] Bisher wurde eine statische Prüfspule verwendet, um den magnetischen Fluss ® und die magnetische Flussdichte B zu messen. Die Messung der magnetischen Flussdichte B mittels der Prüfspule war sehr ungenau. Der zu messende Magnet wurde mit einem Haltewerkzeug gehalten, welches zusammen mit dem Magnet über die Prüfspule gestülpt und mit etwa 200-300 U/min. in Drehung versetzt wurde.

[0006] Eine präzise Messung der magnetischen Flussdichte B wurde mittels eines teuren und zeitaufwändigen 3D Magnetfeldtesters durchgeführt. Die magnetische Flussdichte B wird durch einen Hallsensor im Nahbereich des Magneten gemessen. Aufgrund der zweitaufwändigen Prozedur ist dieses Verfahren nicht für die Massenproduktion geeignet.

[0007] Die Verwendung einer herkömmlichen Prüfspule hat mehrere Nachteile: Es sind nur Messungen des magnetischen Flusses © auf Magnetebene möglich, d.h. eine Prüfung des Magneten im eingebauten Zustand ist nicht durchführbar. Die Prüfspule hat unvermeidbare große mechanische Toleranzen und ein großes mechanisches Spiel, was genaue Messungen von ® und B nicht zulässt, Bei dem herkömmlichen Prüfverfahren sind sowohl eine dynamische als auch statische Exzentrizität zwischen der Umfangsfläche des Magneten und der gegenüberliegenden Umfangsfläche der Prüfspule unvermeidbar. Eine ungenaue axiale Position des Magneten relativ zur Testspule kann die Messergebnisse verfälschen. Daher muss die axiale Position sehr genau mittels eines Werkzeugs (Abstandhalter) eingestellt werden.

Der magnetische Kern der Prüfspule ist asymmetrisch, was die Messgenauigkeit negativ beeinflusst.

[0008] Aus der JP 2013050390 A ist eine Vorrichtung zum Bestimmen der magnetischen Eigenschaften eines Permanentmagneten bekannt. Dabei sind unterschiedliche Spulen zur Messung

der magnetischen Flussdichte und zur Ermittlung der magnetischen Feldstärke vorgesehen.

[0009] Sowohl die herkömmliche Prüfspule als auch der 3D Magnetfeldtester erlauben keine schnelle und präzise Messung der magnetischen Eigenschaften eines Permanentmagneten während des Produktionsprozesses von Spindelmotoren.

[0010] Bei der Massenproduktion von elektrischen Maschinen wird eine schnelle und präzise Messung des magnetischen Flusses ® und der magnetischen Flussdichte B der Permanentmagnete benötigt.

[0011] Die konventionellen Verfahren sind für eine Prüfung von Permanentmagneten aus folgenden Gründen nur bedingt geeignet.

Ein simultanes und schnelles Bestimmen von der magnetischen Feldstärke © und des magnetischen Flusses B und damit eine Qualitätsprüfung eines Permanentmagneten während der Massenproduktion sind bisher nicht möglich. Eine präzise Messung der harmonischen Verzerrungen (THD), Feldstärke im Arbeitspunkt HDx und der Nulldurchgangsfehler Zc kann nur mit teurem Equipment und zeitaufwändigen Verfahren und Magnetfeldscannern mittels Hall-Sensoren durchgeführt werden.

Ein 3D Magnetfeldtester benötigt gut ausgebildetes Personal für die Bedienung und die Auswertung der Messergebnisse.

Eine Exzentrizität, sowohl statisch als auch dynamisch, zwischen dem zu prüfenden Permanentmagneten und der Prüfspule muss vermieden werden, da dadurch die Messsignale verzerrt und genaue Messungen unmöglich werden. Ferner führen Drehzahlschwankungen des Antriebs zur Drehung des Permanentmagneten und eine geringe Signalauflösung und Signalamplitude oft zu ungenauen Messergebnissen.

Die Bauteiletoleranzen sowohl mechanisch als auch elektrisch führen ebenfalls zu großen Verfälschungen der gemessenen Werte für ® und B.

[0012] Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben mit denen die Qualität der Magnetisierung von Permanentmagneten während der Produktion geprüft werden können. Insbesondere soll eine schnelle und präzise Messung von ® und B eines Permanentmagneten ermöglicht werden.

[0013] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.

[0014] Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhaftete Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0015] Bei dem zu prüfenden Permanentmagnet kann es sich um einen ringförmigen oder zylindrischen Permanentmagneten handeln, der eine Anzahl P magnetische Pole aufweist, die sektorenförmig über den Umfang des Magneten verteilt angeordnet sind.

[0016] Die Vorrichtung umfasst einen rotierend angetriebenen Magnethalter oder Rotorhalter (für den Rotor des Motors) aus magnetischem oder nicht magnetischem Material und eine präzise gefertigte Prüfspule. Natürlich kann genauso gut eine feststehende Anordnung zur Aufnahme des zu prüfenden Magneten verwendet werden, während die Prüfspule drehbar angeordnet und extern angetrieben wird.

[0017] Der zu prüfende Magnet bzw. der Magnethalter oder Rotorhalter mitsamt dem Magnet wird während der Messung durch einen externen Antrieb mit niedriger Geschwindigkeit relativ zur Prüfspule gedreht, beispielsweise mit 60 bis 120 U/min. Durch diese geringe Geschwindigkeit werden magnetische Verluste in der Prüfspule gering gehalten und dadurch die Messgenauigkeit erhöht. Ferner werden auch möglich mechanische Vibrationen minimiert.

[0018] Der Antriebsmotor ist mit einem Drehimpulsgeber mit hoher Genauigkeit verbunden, der beispielsweise eine Auflösung von 0,02 bis 0,05 Grad oder 7200 bis 18000 Schritten pro Umdrehung oder besser aufweist. Dadurch kann eine sehr gute Winkelauflösung und Messgenauigkeit erzielt werden. Der Luftspalt zwischen dem Magneten und der Prüfspule sollte möglichst klein sein, vorzugsweise etwa gleich groß wie der Luftspalt des Elektromotors, für welchen der Magnet

verwendet werden soll. Beispielsweise ist der Luftspalt zwischen der Umfangsfläche des Permanentmagneten und der Prüfspule 0,1 bis 0,3 mm breit.

[0019] Es können sowohl ringförmige Permanentmagnete für Außenläufermotoren als auch zylindrische Permanentmagnete für Innenläufermotoren geprüft werden. Wenn der Permanentmagnet ringförmig ausgebildet ist, dann wird eine zylindrische Prüfspule verwendet. Wenn der Permanentmagnet zylindrisch ausgebildet ist, dann wird eine ringförmige Prüfspule verwendet.

[0020] Die Prüfspule umfasst einen soliden Kern aus hoch permeablem Material, z.B. Vacoflux, oder einen Kern aus laminierten Blechen eines weichmagnetischen Metalls. Auf dem Kern sind mindestens drei Messwicklungen angeordnet. Der magnetische Kern ist symmetrisch zu seiner Längsachse (Drehachse) ausgebildet und weist eine Anzahl von N Nuten und Zähnen auf. Die Anzahl N der Nuten und Zähne des magnetischen Kerns entspricht der Anzahl P der Magnetpole des zu prüfenden Permanentmagneten.

[0021] Der Querschnitt der Nuten weist eine spezielle Form auf und ist insbesondere rund oder trapezförmig ausgebildet, so dass die tangentiale Dicke der Zähne über die Höhe der Zähne konstant bleibt. Dadurch werden lokale Sättigungseffekte des Kerns im Bereich der Zähne und damit eine unnötige Verzerrung des Messsignals vermieden.

[0022] Die Öffnungen der Nuten sind sehr schmal gehalten und sind nur geringfügig breiter als der Durchmesser des Wicklungsdrahtes, beispielsweise 0,15 bis 0,25 mm. Dadurch kann eine bestmögliche Messgenauigkeit erreicht werden.

[0023] Vorzugsweise ist der magnetische Kern der Prüfspule derart ausgebildet, dass die axiale Höhe der Hälse der Zähne geringer ist als die Gesamthöhe des Kerns. Dies kann an einer oder beiden Stirnseiten des magnetischen Kerns vorgesehen sein. Dadurch wird erreicht, dass die Wicklungen (Wickelköpfe) nicht über die Abmessungen des Kerns hinausstehen. So kann die Prüfspule einfacher und ohne Beschädigung der Komponenten in den Magneten bzw. die Rotoreinheit eingeführt werden.

[0024] Der Kern besteht vorzugsweise aus Vollmaterial, so dass sich ein ungehinderter magnetischer Fluss in alle Richtungen ergibt. Um die Eisenverluste eines solchen monolithischen Kerns zu verringern, wird die Drehzahl der Vorrichtung gering gehalten, beispielsweise zwischen 60120 U/min. Der Kern kann auch aus laminierten Blechen aufgebaut sein.

[0025] Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine realistische Messung der Magnetisierung von Magneten, da die Prüfspule wie ein Stator eines Elektromotors aufgebaut ist und entsprechende Eigenschaften aufweist.

[0026] Somit kann man mit der Prüfspule die Magnetisierung des Permanentmagneten auch auf Rotorebene messen, d.h. wenn der Permanentmagnet bereits im Rotor des Elektromotors eingebaut ist. Die Prüfspule kann in den Rotor eingeführt werden, ohne dass die Wicklungen beschädigt werden oder diese den Rotor versehentlich berühren.

[0027] Prinzipiell kann jeder Zahn des Kerns der Prüfspule mit einer Wicklung versehen sein. Vorzugsweise werden jedoch weniger Wicklungen als Zähne, jedoch mindestens 3 Wicklungen verwendet. Das heißt lediglich 3 Zähne, also jeder N-te Zahn (Nut) ist mit einer Wicklung versehen, wobei N>=1 und vorzugsweise N>=2. Die Wicklungen werden gleichmäßig über den Umfang und auf den vorhandenen Zähnen des Spulenkerns verteilt. Die Anzahl P der Magnetpole des Permanentmagneten muss immer ein Vielfaches der Anzahl W der verwendeten Wicklungen sein. Hat der Permanentmagnet beispielsweise 6 Magnetpole, so wird für die Prüfspule ein magnetischer Kern mit 6 Zähnen / Nuten verwendet. Es werden dann vorzugsweise 3 Wicklungen verwendet, die im Winkel von 120° über den Umfang des Kerns verteilt sind, wobei jeder zweite Zahn des Kerns bewickelt ist. Hat der Permanentmagnet beispielsweise 12 Magnetpole, so wird für die Prüfspule ein magnetischer Kern mit 12 Zähnen / Nuten verwendet. Es werden dann beispielsweise 4 Wicklungen verwendet, die im Winkel von 90° über den Umfang des Kerns verteilt sind, wobei jeder dritte Zahn bewickelt ist.

[0028] Die elektrischen Anschlüsse der Wicklungen werden einzeln herausgeführt, wobei das

Signal jeder Wicklung einzeln erfasst und verarbeitet werden kann. Alle Wicklungen weisen vorzugsweise dieselbe Anzahl von Windungen auf. Zur Erzeugung einer ausreichend hohen elektrischen Signalspannung werden pro Wicklung beispielsweise 50-200 Windungen verwendet. Der Durchmesser des Wicklungsdrahtes sollte möglichst klein sein, vorzugsweise im Bereich von 0,07 bis 0,2 mm.

[0029] Um den magnetischen Fluss ® zu messen, muss das Signal von mindestens einer Wicklung verwendet und erfasst werden. Vorzugsweise werden jedoch die Signale aller vorhandenen Wicklungen erfasst und addiert. Durch Integration des erhaltenen Gesamtsignals erhält man den magnetischen Fluss ©. Um ein möglichst korrektes Ergebnis für den magnetischen Fluss ® zu erhalten, das dem Phase-zu-Phase BEMF Signal eines realen Motors entspricht, muss aus dem Signal die 3-te Harmonische der Grundfrequenz ausgefiltert werden. Diese kann dadurch erfolgend, dass man das Messsignal einer FFT Analyse unterzieht, die 3-te Harmonische entfernt und das Signal durch Anwendung einer inversen FFT wieder zurück in den Zeitbereich transformiert. Eine andere Möglichkeit, die 3-te Harmonische zu eliminieren ist es, die Signale der einzelnen Wicklungen um einen Winkel von jeweils 120° elektrisch gegeneinander zu verschieben und zu subtrahieren.

[0030] Um die magnetische Flussdichte B zu bestimmen kann das Signal einer beliebigen Wicklung verwendet werden. Um dem Einfluss von statischer und dynamischer Exzentrizität zu vermeiden, werden zur Auswertung der Messsignale folgende Verfahren vorgeschlagen

a) Bevor die Messung beginnt, sollte der Magnet in Bezug auf die Mittelachse der Prüfspule so gut wie möglich zentriert werden. Diese kann z.B. durch einen konischen Zentriereinsatz erfolgen, auf den der Magnet aufgesteckt und dadurch zentriert wird.

b) Zur Vermeidung des Einflusses einer dynamischen Exzentrizität auf das Ergebnis der gemessenen magnetischen Flussdichte B wird das von der verwendeten Wicklung aufgezeichnete Signal gespeichert. Dann wird das Signal 2x kopiert. Die drei vorhandenen Signale werden jeweils um einen Winkel von 120° mechanisch gegeneinander verschoben und addiert. Dadurch werden Fehler (Verzerrungen des Signals), die durch eine dynamische Exzentrizität hervorgerufen werden, eliminiert.

c) Um den Einfluss der statischen Exzentrizität zwischen der Prüfspule und dem Magneten zu vermeiden, wird vorgeschlagen, Signale von allen 3-4 Wicklungen zu erfassen und zu speichern. Um die statische Exzentrizität zu eliminieren, werden aller Signale einer FFT unterzogen. Dann werden die Amplituden der fundamentalen Harmonischen ausgewertet. Nun wird eine durchschnittliche Amplitude aller Harmonischen berechnet. Das Verhältnis zwischen den Amplitudenwerten und der fundamentalen Harmonischen vom Schritt b) und vom Schritt c) werden als Korrekturfaktor für die Ergebnisse von b) verwendet.

VORTEILE DER ERFINDUNG

[0031] Die Erfindung hat mehrere Vorteile:

Es ist eine Prüfung von Permanentmagneten sowohl auf Magnetebene als auch Rotorebene (Rotoren mit eingebauten Magneten) möglich.

Die Anordnung erlaubt eine Vermessung von Magneten unabhängig von deren axialer Länge. Das Verfahren benötigt wenig Zeit für die Einrichtung der Magnete und die Durchführung der Messungen. Daher ist es tauglich für Massenfertigung. Es kann eine realistische magnetische Flussdichte des Magneten gemessen werden, ähnlich wie bei einem echten Elektromotor.

Es muss kein hochgenaues Zentrieren des Magneten bezüglich der Prüfspule durchgeführt werden. Eine mögliche statische oder/oder dynamische Exzentrizität kann rechnerisch eliminiert werden.

Das Verfahren und die Vorrichtung sind einfach zu bedienen und auszuwerten und benötigen kein speziell ausgebildetes Personal.

Die Messungen des magnetischen Flusses © und der magnetischen Flussdichte B können mit großer Genauigkeit und hoher Auflösung durchgeführt werden.

Es kann auf die Verwendung eines teureren 3D Fluxtesters verzichtet werden.

[0032] Die Vorrichtung benötigt keine hohen Drehgeschwindigkeiten.

Es ist eine Automatisierung des Messprozesses möglich. Das Messverfahren kann z.B. direkt nach der Magnetisierung der Magnete durchgeführt werden. Die Anordnung kann universell für verschiedene Magnete verwendet werden. Lediglich die Prüfspule und Magnetaufnahme müssen an den jeweiligen Magnettyp angepasst werden. Die übrigen Komponenten müssen nicht ausgewechselt werden.

Wenn die Vorrichtung mit einem ortsfesten Magneten arbeitet, ist das Verfahren noch einfacher und schneller durchführbar und automatisierbar.

[0033] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Hieraus ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.

[0034] Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung einer Testspule mit einem zu testenden ringförmigen Magneten.

[0035] Figur 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Testspule in einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung mit einem zu testenden ringförmigen Magneten.

[0036] Figur 3 zeigt einen Längsschnitt der Anordnung von Figur 1 in zwei möglichen Ausgestaltungen.

[0037] Figur 4 zeigt schematisch ein Beispiel für eine dynamische Exzentrizität zwischen der Prüfspule und dem ringförmigen Magneten.

[0038] Figur 5 zeigt schematisch ein Beispiel für eine statische Exzentrizität zwischen der Prüfspule und dem ringförmigen Magneten.

[0039] Figur 6 zeigt die Auswirkungen einer dynamischen Exzentrizität auf ein Messsignal eines ringförmigen Magneten.

[0040] Figur 7 zeigt das Spektrum des Messsignals von Figur 6.

[0041] Figur 8 zeigt drei überlagerte Messsignale von Figur 6.

[0042] Figur 9 zeigt das Spektrum der überlagerten Messsignale von Figur 8. [0043] Figur 10 zeigt die magnetische Flussdichte eines ringförmigen Magneten. [0044] Figur 11 zeigt die korrigierte magnetische Flussdichte.

[0045] Figur 12 zeigt das Spektrum des Signals von Figur 10.

[0046] Figur 13 zeigt das Spektrum des Signals von Figur 11.

[0047] Figur 1 zeigt eine erste Ausgestaltung der Erfindung mit einer Prüfspule 10, welche einen magnetischen Kern 11 mit zwölf Nuten 12 und Zähnen aufweist. Die Nuten 12 können wie angedeutet entweder einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen oder einen trapezförmigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken.

[0048] Der Kern 11 ist mit vier Wicklungen 16 bewickelt, die gleichmäßig verteilt auf vier Zähnen 14 angeordnet sind. Das bedeutet, auf jedem dritten Zahn 14 ist eine Wicklung 16 angeordnet und die Wicklungen 16 sind in einem Winkel von jeweils 90 Grad über den Umfang des Kerns 11 verteilt. Die Öffnungen 12a der Nuten 12 sind sehr schmal gehalten und nur wenig größer als der Durchmesser des Drahtes für die Wicklungen 16. Der Kern 11 kann aus einem monolithischen Material mit hoher Permeabilität oder aus laminierten Blechen aus weichmagnetischem Metall bestehen.

[0049] Der zu prüfende Permanentmagnet 18 ist ringförmig ausgebildet und umfasst zwölf Magnetpole, die sektorenförmig über den Umfang des Magneten 18 verteilt sind.

[0050] Zur Messung des magnetischen Flusses und der magnetischen Flussdichte des Magneten 18 werden die Prüfspule 10 und der Magnet 18 konzentrisch zueinander bezüglich einer Drehachse 24 angeordnet. Zwischen dem Außendurchmesser der Prüfspule 10 und dem Innendurchmesser des Magneten 18 verbleibt ein Luftspalt 22, der möglichst schmal ausgebildet ist.

[0051] Der Magnet 18 ist in einer Halterung 20 gehalten, die durch einen Antrieb 32 rotierend

angetrieben werden kann, beispielsweise in Rotationsrichtung 26.

[0052] Wichtig ist, dass die Anzahl N der Nuten 12 bzw. Zähne 14 der Prüfspule 10 der Anzahl der Pole P des Magneten 18 entspricht. Ferner ist die Anzahl der Wicklungen 16 kleiner als die Anzahl der Zähne 14, wobei die Anzahl N der Zähne 14 ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Wicklungen 16 beträgt.

[0053] Figur 2 zeigt eine andere Ausgestaltung der Erfindung zur Prüfung eines Magneten 118 mit nur sechs Magnetpolen.

[0054] Die Prüfspule 110 ist an die Anzahl der Pole des Magneten 118 angepasst und umfasst einen Kern 111 mit sechs Nuten 112 bzw. sechs Zähnen 114. Jeder zweite Zahn 114 ist mit einer Wicklung 116 versehen, das heißt es gibt insgesamt drei Wicklungen, die gleichmäßig in einem Winkel von 120 Grad über den Umfang des Kernes 111 verteilt auf den Zähnen 114 angeordnet sind.

[0055] Die Querschnitte der Nuten 112 können entweder rund oder trapezförmig mit abgerundeten Ecken ausgebildet sein. Die Nutenöffnungen 112a sind sehr schmal.

[0056] Figur 3 zeigt einen Querschnitt der Vorrichtung von Figur 1 in zwei verschiedenen Ausgestaltungen, jeweils in der linken und rechten Hälfte der Zeichnung.

[0057] Auf der linken Seite erkennt man die Prüfspule 10 und einen Zahn 14, der im Bereich des Halses einen Rücksprung 30 aufweist, damit die Wicklung 16 derart angeordnet werden kann, dass deren Wickelkopf nicht über die Stirnseite des Kerns der Prüfspule 10 hinaussteht. Somit kann die Prüfspule 10 einfach und ohne Beschädigung der Komponenten in das Innere des zu prüfenden Magneten 18 eingeführt werden. Der zu prüfende Magnet 18 ist auf der linken Seite der Figur 3 bereits in einem Rotorbauteil 28 angeordnet, welches über die Haltevorrichtung 20 durch den externen Antrieb 32 drehbar angetrieben wird.

Die Antriebsvorrichtung 32 ist derart ausgebildet, dass sie die Halterung 20 mitsamt dem Magneten 18 und dem Rotor 28 beispielsweise mit einer Drehzahl von 60 bis 120 Umdrehungen pro Minute dreht.

[0058] Die Wicklung 16 ist mit einer Messeinrichtung 34 verbunden. Wird der Magnet 18 relativ zur Prüfspule 10 gedreht, wird in der Wicklung 16 der Prüfspule 10 eine elektrische Spannung induziert, die von der Messeinrichtung 34 erfasst und auswertet wird.

[0059] Auf der rechten Seite von Figur 3 ist eine andere Ausgestaltung der Vorrichtung dargestellt, bei welcher der Magnet 18 direkt in der Halterung 20 befestigt ist und in Alleinstellung, das heißt ohne Rotorbauteil 28, geprüft wird.

[0060] In den Figuren 4 und 5 ist schematisch eine dynamische Exzentrizität bzw. statische Exzentrizität zwischen der Prüfspule 10 und dem Magneten 18 dargestellt. Um genaue Messergebnisse zu erhalten ist es wichtig, dass möglichst keine dynamische Exzentrizität bzw. statische Exzentrizität vorhanden ist.

[0061] Figur 4 zeigt schematisch eine dynamische Exzentrizität, das heißt die Rotationsachse des zu prüfenden Magneten 18 ist nicht konzentrisch zur Achse 24 der Prüfspule 10 angeordnet, sodass sich bei einer Rotation des Magneten 18 die Breite des Luftspalts 22 zwischen Prüfspule 10 und Magnet 18 an jedem Ort des Luftspalts 22 ständig ändert.

Figur 5 zeigt schematisch eine statische Exzentrizität, das heißt die Längsachse der Prüfspule 10 ist nicht konzentrisch mit der Rotationsachse 24 des Magneten 18. In diesem Falle ist die Breite des Luftspaltes 22 je nach Umfangswinkel, unterschiedlich, jedoch ändert sich die Breite nicht bei der Rotation des Magneten 18, sondern bleibt für jeden Umfangswinkel konstant.

[0062] Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist derart ausgelegt, dass die statische als auch dynamische Exzentrizität zwischen der Prüfspule 10 und dem Magneten 18 möglichst gering ist. Eine verbleibende Exzentrizität kann im Nachhinein rechnerisch eliminiert werden.

[0063] In Figur 6 ist beispielhaft ein in einer beliebigen Wicklung 16 induziertes elektrisches Spannungssignal 42 dargestellt. Die Kurve 40 zeigt ein ideales Sinussignal, welches man im Idealfall

als Messsignal erhalten würde, das heißt, wenn keine elektrischen oder mechanischen Toleranzen vorhanden wären. In der Praxis erhält man jedoch ein ungleichmäßiges sinusförmiges Signal 42, das beispielsweise eine dynamische Exzentrizität aufweist, welche sich in einer unterschiedlichen Amplitude des Messsignals 42 über den Drehwinkel ausdrückt.

[0064] In Figur 7 ist das Spektrum des Signals 42 aus Figur 6 dargestellt, wobei man erkennt, dass hier nicht nur eine Grundfrequenz 44 vorhanden ist, sondern auch Seitenbänder 46, welche durch die Unregelmäßigkeiten des Sinussignals 42 erzeugt werden. Ein reines Sinussignal hätte eine Grundfrequenz ohne Seitenbänder.

[0065] Figur 8 zeigt eine Möglichkeit, diese Seitenbänder 46, die durch die dynamische Exzentrizität hervorgerufen werden, zu beseitigen, indem man das Messsignal 42 zwei Mal mit sich selbst kopiert, und diese drei vorhandenen Signale dann jeweils um 120 Grad gegeneinander verschiebt. Durch Addition dieser drei phasenverschobenen Signalwerte und eine nachfolgende Fourier-Transformation erhält man nun die reine Grundfrequenz 44, wie in Figur 9 dargestellt ist, ohne die störenden Seitenbänder 46.

[0066] Figur 10 zeigt beispielhaft die Kurve 54 der magnetischen Flussdichte B bei einer dynamischen Exzentrizität zwischen Prüfspule 10 und Magnet 18, wohingegen bei Figur 11 das durch Eliminierung der dynamischen Exzentrizität korrigierte Signal 56 der magnetischen Flussdichte B zeigt.

[0067] In Figur 12 ist das Spektrum des Signals 54 aus Figur 10 dargestellt, wobei man die unerwünschten Seitenbänder der 5. und 7. Harmonischen erkennt. In Figur 13 ist das Spektrum des korrigierten Signals 56 aus Figur 11 dargestellt, wobei diese unerwünschten Seitenbänder der 5. und 7. Harmonischen nicht mehr vorhanden sind.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

10, 110 Prüfspule

11, 111 Kern

12, 112 Nuten

12a, 112a Nutenöffnung 14, 114 Zahn

16, 116 Wicklung

18, 118 Magnet

18a, 118a Magnetpole

20, 120 Halterung

22, 122 Luftspalt

24 Drehachse

26 Rotationsrichtung 28 Rotorbauteil

30 Rücksprung

32 Antrieb

34 Messeinrichtung 40 Kurven

42 Signal

44-56 Kurven/Signale

P Anzahl der Magnetpole des Magneten N Anzahl der Nuten/Zähne der Prüfspule W Anzahl der Wicklungen der Prüfspule U Spannung

B Magnetische Flussdichte

Claims (14)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Prüfung der magnetischen Eigenschaften eines Permanentmagneten (18, 118) mit einer Anzahl P von Magnetpolen (18a, 118a), mit den Schritten: Bereitstellen einer Prüfspule (10, 110) mit einem Spulenkern (11, 111), wobei ein Spulenkern (11, 111) mit einer Anzahl N von Nuten (12, 112) und Zähnen (14, 114) sowie einer Anzahl W von auf dem Spulenkern (11, 111) angeordneten elektrischen Wicklungen (16, 116) verwendet wird, Einlegen des zu prüfenden Permanentmagneten (18, 118) in eine Halteeinrichtung (20) und konzentrische Ausrichtung des zu prüfenden Permanentmagneten (18, 118) und der Prüfspule (10, 110) an einer gemeinsame Drehachse (24), Drehantrieb der Halteeinrichtung (20) und des Permanentmagneten (18, 118) relativ zur Prüfspüle (10, 110) um die Drehachse (24) mit einer vorgegebenen Drehzahl mittels einer Antriebseinrichtung (32), Erfassen und Auswerten der in den Wicklungen (16, 116) induzierten elektrischen Signale mittels einer mit den Wicklungen (16, 116) elektrisch verbundenen Messeinrichtung (34), dadurch gekennzeichnet, dass ein Spulenkern (11, 111) verwendet wird, dessen Anzahl N von Nuten (12, 112) und Zähnen (14, 114) gleich groß ist wie die Anzahl P der Magnetpole (18a, 118a) des zu prüfenden Permanentmagneten (18, 118), wobei N ebenfalls ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl W der Wicklungen (16, 116) der Prüfspule (10, 110) ist.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung des magnetischen Flusses des Permanentmagneten (18, 118) die Ausgangssignale mehrerer Wicklungen (16, 116) verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung der magnetischen Flussdichte B des Permanentmagneten (18, 118) das Ausgangssignal von wenigstens einer beliebigen Wicklung (16, 116) verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein ringförmiger oder zylindrischer Permanentmagnet (18, 118) mit sektorenförmig über den Umfang verteilen Magnetpolen (18a, 118a) geprüft wird.

5. Vorrichtung zur Prüfung der magnetischen Eigenschaften eines Permanentmagneten (18, 118) mit einer Anzahl P von Magnetpolen (18a, 118a), welche umfasst: eine Prüfspule (10, 110) mit einem Spulenkern (11, 111), wobei der Spulenkern (11, 111) eine Anzahl N von Nuten (12, 112) und Zähnen (14, 114) und eine Anzahl W von elektrischen Wicklungen (16, 116) aufweist, eine Halteeinrichtung (20) zur Aufnahme und konzentrischen Ausrichtung des zu prüfenden Permanentmagneten (18, 118) in Bezug auf die Prüfspule (10, 110) um eine gemeinsame Drehachse (24), eine Antriebseinrichtung (32) zur Drehung der Halteeinrichtung (20) und des Permanentmagneten (18, 118) relativ zur Prüfspüle (10, 110) um die Drehachse (24) mit einer vorgegebenen Drehzahl, eine mit den Wicklungen (16, 116) elektrisch verbundene Messeinrichtung (34) zur Erfassung und Auswertung der in den Wicklungen (16, 116) induzierten elektrischen Signale, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl N der Nuten (12, 112) und Zähne (14, 114) gleich groß ist wie die Anzahl P der Magnetpole (18a, 118a) des zu prüfenden Permanentmagneten (18, 118), wobei N ebenfalls ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl W der Wicklungen (16, 116) der Prüfspule (10, 110) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (11, 111) ein monolithischer Kern aus hochpermeablem Material ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (11, 11) aus mehreren laminierten Blechen aus weichmagnetischem Material besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (11, 111) achsensymmetrisch zur Drehachse (24) ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Nuten (12, 112) rund oder trapezförmig mit abgerundeten Ecken ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (12a, 112a) der Nuten (12, 112) nur geringfügig größer sind als der Durchmesser des Wicklungsdrahtes der Wicklungen (16, 116).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (16, 116) über den Umfang des Spulenkerns (11, 111) gleichmäßig auf die Anzahl N der Zähne (14, 114) verteilt angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung (20) zur Aufnahme eines den zu prüfenden Permanentmagneten (18) enthaltenden Rotorbauteils (28) einer elektrischen Maschine ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelköpfe der Wicklungen (16, 116) versenkt angeordnet sind und nicht über die Abmessungen des Spulenkerns (11, 111) hinausragen.

14. Verwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 und der Vorrichtung gemäß Anspruch 5 zum Prüfen von Rotormagneten von elektrischen Maschinen.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen