DE102006016503A1

DE102006016503A1 - Gebervorrichtung für eine elektrische Maschine

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Publication number: DE102006016503A1
Application number: DE102006016503A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Finkler; Markus Knorr; Zeljko Dr. Jajtic
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2007-10-18
Also published as: JP5014415B2; US8063628B2; WO2007115857A3; CN101416029B; US20090284253A1; JP2009532689A; WO2007115857A2; CN101416029A

Abstract

Es soll ein kostengünstiges Gebersystem für eine bewegliche elektrische Maschine zur Positionsbestimmung bereitgestellt werden, wobei das Gebersignal über Nulldurchgänge verfügt. Dies wird z. B. erreicht durch eine Gebervorrichtung (1) mit einem U-förmigen Joch (3) und einem Sensor (10), der zur Erfassung einer magnetischen Größe in/an dem Joch (3) angeordnet ist. An einem freien Ende des Jochs (3) sind entgegengesetzt gerichtete oder richtbare Magnete (6 bis 9) angeordnet. Abhängig von der Position der Magnete (6 bis 9) gegenüber einem der Polzähne (11, 12, 13) einer Maschinenkomponente (2) können entgegengesetzt gerichtete, von dem Sensor (10) detektierbare, magnetische Flüsse in dem Joch (3) erzeugt werden. Hieraus lassen sich in etwa sinusförmige Sensorsignale beispielsweise zur Regelung eines Linearmotors gewinnen, ohne mehrere Messsensoren einsetzen zu müssen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gebervorrichtung für eine elektrische Maschine, die eine mit Polzähnen versehene Maschinenkomponente aufweist, zum Erfassen einer Bewegung relativ zu der Maschinenkomponente. Die Gebervorrichtung ist mit einem U- oder E-förmigen Joch und einem Sensor, der zur Erfassung einer magnetischen Größe in/an dem Joch angeordnet ist, ausgestattet.
Gebervorrichtungen dieser Art können für beliebige elektrische Maschinen, wie beispielsweise Gleichstrommotoren, Wechselstrommotoren und Drehstrommotoren eingesetzt werden. Hier wiederum können sie sowohl bei rotatorischen Motoren als auch bei Linearmotoren Verwendung finden. Speziell ist es nämlich zum Anfahren bestimmter Drehwinkel bei rotatorischen Motoren bzw. bestimmter Wegstrecken bei Linearmotoren nötig, den aktuellen Drehwinkel bzw. die aktuelle Wegstreckte zu messen. Die Messung soll dabei möglichst präzise erfolgen, damit der entsprechende Drehwinkel bzw. die entsprechende Wegstrecke mittels einer geeigneten Regelungseinrichtung präzise und schnell angefahren werden kann. Die Kenntnis der Position ist bei Synchronmaschinen auch zur richtigen Bestromung des Motors notwendig.
Zur Positionsbestimmung für Linearmotoren werden üblicherweise optische Messsysteme eingesetzt. Nachteilig an einer optischen Messung ist aber, dass diese teuer zu realisieren ist und dass die optische Messung sehr leicht durch Verschmutzungen im Linearmotor oder in dessen Umgebung beeinträchtigt oder unmöglich gemacht wird, so dass es vielfach zu einem Versagen der Regelungseinrichtung kommt.
Aus der nachveröffentlichten Patentanmeldung 10 2005 045 374.0 ist ferner eine Messvorrichtung mit einem Messkopf zur Positionsbestimmung eines Primärteils auf einem Sekundärteil bekannt. Das Primärteil und das Sekundärteil bilden einen Linearmotor, und der Messkopf ist fest mit dem Primärteil verbunden. Das Sekundärteil ist als Zahnstange ausgebildet, ist aus ferromagnetischem Material hergestellt und besitzt in einer Vorzugsrichtung äquidistante Zähne. Der Messkopf ist in der Vorzugsrichtung und entgegengesetzt dazu bewegbar. Zwischen dem Messkopf und der Zahnstange befindet sich ein Luftspalt, und der Messkopf weist zumindest einen Sensor auf, mittels dem Magnetfelder zwecks Positionsbestimmung messbar sind. Der Messkopf kann mit einem Reluktanzresolver oder mit „statischen" Magnetfeldsensoren, wie Hall-Sensoren, oder Feldplatten realisiert werden. Dabei braucht man zur Erzeugung eines vorzugsweise wenigstens annähernd sinusförmigen Spursignals mit Nulldurchgang zwei in Differenz geschaltete Messköpfe, da das Signal eines Messkopfs keinen Nulldurchgang aufweist. Vielmehr schwankt das Signal nur zwischen einem positiven Minimalwert und einem positiven Maximalwert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein kostengünstiges Gebersystem für eine bewegte elektrische Maschine vorzuschlagen, bei dem ein Signal mit Nulldurchgang in Abhängigkeit von der Position bereitgestellt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Gebervorrichtung für eine elektrische Maschine, die eine mit Polzähnen versehene Maschinenkomponente aufweist, zum Erfassen einer Position oder einer Bewegung relativ zu der Maschinenkomponente mit einem U-förmigen Joch bzw. Jochabschnitt und einem Sensor, der zur Erfassung einer magnetischen Größe in/an dem Jochabschnitt angeordnet ist, wobei an einem freien Ende des Jochabschnitts zwei entgegengesetzt gerichtete oder richtbare Magnete angeordnet sind, um abhängig von der Position der Magnete gegenüber einem der Polzähne der Maschinenkomponente entgegengesetzt gerichtete, von dem Sensor detektierbare, magnetische Flüsse in dem Jochabschnitt zu erzeugen. Unter dem Begriff „Jochabschnitt" kann im vorliegenden Dokument auch ein gesamtes Joch verstanden werden.
Erfindungsgemäß wird somit erreicht, dass sich innerhalb des Jochs bzw. Jochabschnitts beim Verfahren der Gebervorrichtung gegenüber der Maschinenkomponente die Richtung des magnetischen Flusses im Joch ändert. Daher kann ein Signal mit Nulldurchgang gewonnen werden, woraus sich die Position präziser bestimmen lässt. Ein gegebenenfalls gewonnenes Sinus-Kosinus-Singalpaar eignet sich außerdem für eine übliche Sinus/Kosinus-Geberauswertung. Ein solches Signalpaar lässt sich z.B. mit Hilfe von zwei erfindungsgemäßen Gebervorrichtungen erzeugen, die in Bewegungsrichtung um eine viertel Polpaarlänge bzw. elektrische Periode des Sekundärteils versetzt sind.
Der Sensor zur Erfassung der magnetischen Größe kann beispielsweise ein Hall-Sensor oder eine Messspule sein. Mit diesen Sensoren lässt sich der Fluss bzw. die Flussänderung im Joch hinreichend genau bestimmen.
Im Falle eines Hall-Sensors als Sensor können die Magnete am freien Ende des Jochs bzw. Jochabschnitts Permanentmagnete sein. Damit ist es nicht notwendig, für die Positionsbestimmung den magnetischen Fluss elektrisch zu erzeugen. Im Falle einer Messspule als Sensor können die Magnete am freien Ende des Jochs bzw. Jochabschnittes wechselstromdurchflossene Erregerspulen sein. In der/den Messspulen werden dann Wechselspannung/en induziert, die vorteilhafterweise zunächst in geeigneter Weise demoduliert werden.
Vorzugsweise sind an beiden freien Enden des U-förmigen Jochabschnitts jeweils zwei entgegengesetzt gerichtete oder richtbare Magnete angeordnet. Damit ist der magnetische Fluss im Joch entsprechend verstärkt.
An den Jochabschnitt kann ein weiterer Schenkel angeformt sein, so dass sich ein E-förmiges Joch ergibt. Auf diese Weise lässt sich die Symmetrie des Signals erhöhen. Dabei ist der Sensor vorzugsweise in/an dem mittleren Schenkel des E-förmigen Jochs bzw. Jochabschnitts angeordnet.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Gebervorrichtung auch für eine Querflussmaschine ausgenutzt werden, indem der U-förmige Jochabschnitt quer zur Bewegungsrichtung angeordnet wird. Die Magnete an den freien Enden des Jochabschnitts müssen in Bewegungsrichtung der Gebervorrichtung hintereinander angeordnet sein, damit beim Verfahren der Gebervorrichtung sich die Richtung des magnetischen Flusses im Jochabschnitt bzw. im Sensorluftspalt ändert (analog wie bei Längsflussanordnung der in 1 dargestellten Gebervorrichtung).
Ferner ist erfindungsgemäß zur Lösung der oben genannten Aufgabe vorgesehen, eine Gebervorrichtung für eine elektrische Maschine, die eine mit Polzähnen versehene Maschinenkomponente aufweist, zum Erfassen einer Position oder einer Bewegung relativ zu der Maschinenkomponente mit einem U-förmigem Jochabschnitt, einer in oder an dem Jochabschnitt angeordneten Magneteinrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Flusses in dem Jochabschnitt und einem Sensor, der zur Erfassung einer magnetischen Größe in/an dem Jochabschnitt angeordnet ist, wobei der Sensor an einem freien Ende des Jochabschnitts zwei Sensorelemente aufweist, die beim gleichen magnetischen Fluss durch den Jochabschnitt in beiden Sensorelementen unterschiedlich gerichtete Spannungen bewirken, um abhängig von der Position der Sensorelemente gegenüber einem der Polzähne der Maschinenkomponente entsprechend hohe und gerichtete Spannungen an den Sensorelementen zu erzeugen.
Bei dieser Ausführungsform ändert sich das Verhältnis der magnetischen Flüsse in den beiden Magnetspulen an einem der freien Enden des Jochs. Wegen der unterschiedlich gerichteten Spannungen in den Sensorelementen kann ein entsprechend präzises Positionssignal gegebenenfalls mit Nulldurchgang gewonnen werden.
Auch hier können die beiden Sensorelemente als Hall-Sensoren oder Messspulen ausgestaltet sein. Sie sind kostengünstig in der Anschaffung und dennoch ausreichend genau.
An den Jochabschnitt kann auch bei dieser Ausgestaltung ein weiterer Schenkel angeformt sein, so dass sich ein E-förmiges Joch ergibt und außerdem an dem freien Ende des weiteren Schenkels ebenfalls zwei Sensorelemente der genannten Art angeordnet sein. Mit dieser Anordnung lassen sich zwei um 90° phasenverschobene Signale mit Nulldurchgang gewinnen.
Auch bei dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn an beiden frei endenden Schenkeln des Jochabschnitts jeweils zwei Sensorelemente angeordnet sind, die die entsprechend gerichteten Spannungen liefern. In diesem Fall treten insbesondere z.B. durch Hintereinanderschaltung der Sensorelemente höhere Spannungen auf.
Erfindungsgemäß ist außerdem vorgesehen eine Gebervorrichtung für eine elektrische Maschine, die eine mit Polzähnen versehene Maschinenkomponente aufweist, zum Erfassen einer Position oder einer Bewegung relativ zu der Maschinenkomponente mit einem E-förmigen, symmetrisch quer zur Bewegungsrichtung in zwei Jochteile geteilten Joch, einem zwischen den beiden Jochteilen angeordneten Sensor und einem an den Enden beider Jochteile angeordneten, gerichteten oder richtbaren Magneten.
Diese Ausführungsform ermöglicht die Realisierung des erfindungsgemäßen Prinzips mit nur einem einzigen Magneten. Daher geht in die Messung nur eine einzige Magnettoleranz ein.
Insbesondere ist es vorteilhaft, die vorliegende Erfindung bei einem Linearmotor einzusetzen, wobei die oben genannte Maschinenkomponente dem Sekundärteil entspricht und die Gebervorrichtung an dem Primärteil befestigt oder Teil des Primärteils ist. Somit lässt sich kostengünstig eine Positionsregelung des Linearmotors bewerkstelligen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Gebervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 einen Längsschnitt durch eine Gebervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform mit E-förmigem Joch;
3 einen Längsschnitt durch eine Gebervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform mit einem einzigen Permanentmagneten;
4 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Gebervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform;
5 ein Transformationsdiagramm für erfindungsgemäße Anordnungen von Gebervorrichtungen;
6 einen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gebervorrichtung;
7 eine 3D-Ansicht einer sechsten Ausführungsform und
8 eine Vorderansicht der Ausführungsform von 7.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Linearmotoren, sie können aber sinngemäß auch auf rotatorische Motoren, insbesondere Torquemotoren übertragen werden.
Der in 1 wiedergegebene Längsschnitt eines Teils eines Linearmotors zeigt einen Abtastkopf 1 bzw. einen Abschnitt eines Primärteils und ein Sekundärteil 2. Das Primärteil 1 verfügt über ein Joch 3, das im Wesentlichen U-förmig ausgestaltet ist. An den freien Enden 4 und 5 des Jochs 3 sind Permanentmagnete 6, 7, 8 und 9 als Polzähne angeordnet. Sämtliche Permanentmagnete 6 bis 9 sind in Richtung vom Abtastkopf 1 zum Sekundärteil 2 oder umgekehrt magnetisiert. An jedem der freien Enden 4, 5 befinden sich jeweils zwei Permanentmagnete 6, 7 bzw. 8, 9, die parallel, aber entgegengesetzt magnetisiert sind.
Zwischen den beiden freien Enden 4 und 5 befindet sich in dem Joch 3 ein Hall-Sensor 10. Gegebenenfalls teilt der Hall-Sensor 10 das Joch 3 in zwei Hälften.
Das Sekundärteil 2 besteht hier aus einer Zahnstange mit den Zähnen 11, 12 und 13. Die Zähne des Sekundärteils 2 besitzen den gleichen Abstand wie die Zähne 6 und 8 bzw. 7 und 9 des Abstandkopfs 1.
Das Joch 3 und das Sekundärteil 2 bestehen aus einem ferromagnetischen Material. Vorzugsweise sind sie geblecht ausgebildet.
In der in 1 dargestellten Position, in der die Permanentmagnete 6 und 8 des Primärteils über den Zähnen 11 und 12 des Sekundärteils 2 stehen, wird der Hall-Sensor 10 von einem Magnetfeld bzw. Magnetfluss 101 von „links nach rechts" durchsetzt. Bewegt sich nun der Abtastkopf 1, d.h. die Gebervorrichtung, weiter nach links in Bewegungsrichtung 18, so nimmt das Magnetfeld durch den Hall-Sensor 10 immer weiter ab, bis es zu Null wird. Bei der weiteren Bewegung wechselt die Richtung des Magnetfelds und es nimmt schließlich einen Maximalwert an. Dies ist dann der Fall, wenn der Abtastkopf so steht, dass die Permanentmagnete 7 und 9 über den Zähnen 11 und 12 des Sekundärteils stehen. Bei weiterer Bewegung nach links sinkt das Magnetfeld wieder, wechselt die Richtung und nimmt schließlich wieder einen Maximalwert an, wenn die Permanentmagnete 6 und 8 über den Zähnen 13 und 11 stehen. Bei dieser Bewegung um eine Zahnteilung wird somit genau einer Gebersignalperiode mit Nulldurchgängen durchlaufen.
2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Ausführungsbeispiels von 1. Bei der Abwandlung sind mehrere Abwandlungsschritte vorgenommen, die auch einzeln oder in Zweierkombinationen durchgeführt werden können.
Der erste Abwandlungsschritt besteht darin, dass nur an einem einzigen freien Ende des Jochs Permanentmagnete 6, 7 angeordnet sind. Da der Permanentmagnet 6 ein in der 2 nach oben gerichtetes Magnetfeld erzeugt und über einem Polzahn des Sekundärteils 2 angeordnet ist, ergibt sich der durch den Hall-Sensor 10 eingezeichnete Fluss 102. Steht hingegen der Perma nentmagnet 7, dessen Magnetisierung nach unten gerichtet ist, über einem Polzahn des Sekundärteils 2, so ist der Magnetfluss durch den Hall-Sensor 10 entgegengesetzt gerichtet.
Ein zweiter Abwandlungsschritt besteht darin, dass der Hall-Sensor nicht im Verbindungsschenkel zwischen den beiden frei endenden Schenkeln des U-förmigen Jochs, sondern in einem der frei endenden Schenkel angeordnet ist.
Ein dritter Abwandlungsschritt besteht darin, dass an das Joch ein dritter frei endender Schenkel angefügt ist. Im Beispiel der 2 ergibt sich damit ein einteiliges, E-förmiges Joch 14. Der für die Bewegungs- bzw. Positionsbestimmung maßgebliche Fluss durchläuft im Wesentlichen aber nur einen U-förmigen Jochabschnitt, es sei denn, der Positionssensor befindet sich in einer symmetrischen Position zu den Polzähnen des Sekundärteils 2.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gebervorrichtung mit einem E-förmigen Joch. Das Joch ist symmetrisch in zwei Jochhälften 15 und 16 geteilt. Zwischen ihnen befindet sich ein Luftspalt, in dem der Hall-Sensor 10 angeordnet ist. Der mittlere Schenkel 17 besteht somit aus zwei parallelen Schenkelhälften, die durch den Luftspalt, in welchem sich der Hall-Sensor 10 befindet, getrennt sind. Am freien Ende beider Schenkelhälften befindet sich ein einziger Permanentmagnet 19. In dem Beispiel von 3 ist dieser Permanentmagnet 19 nach oben magnetisiert, so dass sich der eingezeichnete Fluss 103 ergibt. Da sich die linke Hälfte des Schenkels 17 über dem Polzahn 11 des Sekundärteils 2 befindet, verläuft der magnetische Fluss in der linken Schenkelhälfte nach oben und von links nach rechts durch den Hall-Sensor 10. Wenn sich die rechte Hälfte des mittleren Schenkels 17 über dem Polzahn 11 oder einem anderen Polzahn befindet, verläuft der magnetisch Fluss im Wesentlichen in der rechten Hälfte und durchläuft den Hall-Sensor 10 von rechts nach links. In diesem Fall ergibt sich eine Messspannung umgekehrten Vorzeichens. Der Vorteil dieser Ausführungsform be steht darin, dass lediglich ein Permanentmagnet für die Gebervorrichtung vorzusehen ist.
Das erfindungsgemäße Messprinzip lässt sich auch auf einen Induktivmesskopf nach dem Reluktanzresolverprinzip übertragen, indem die Permanentmagnete und der Hall-Sensor durch entsprechende Spulen ersetzt werden. Demnach ist gemäß 4 die alternative Gebervorrichtung 20 an den freien Enden ihres Jochs 21 mit Erregerspulen 22, 23, 24, 25 versehen. Da die so gebildeten Elektromagnete an den freien Enden des Jochs 21 unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen aufweisen müssen, sind sie entsprechend elektrisch verschaltet. Im vorliegenden Beispiel sind die Erregerspulen 22 bis 25 in Serie geschaltet. Um die entgegengesetzten Magnetisierungsrichtungen zu erzielen, sind bei gleichen Wicklungssinnen der Spulen 22 bis 25 dieser Spulen derart in Reihe geschaltet, dass der untere Anschluss der Spule 22 mit dem unteren Anschluss der Spule 23, der obere Anschluss der Spule 23 mit dem unteren Anschluss der Spule 24 und der obere Anschluss der Spule 24 mit dem oberen Anschluss der Spule 25 verbunden ist. Ein Erregersignal wird an den (von daher noch freien) oberen Anschluss der Spule 22 und den (von daher noch freien) unteren Anschluss der Spule 25 gelegt.
Um den Verbindungsschenkel, der die beiden Schenkel mit den freien Enden des Jochs 21 verbindet, ist eine Messspule 26 gewickelt. An ihr lässt sich eine Spannung abgreifen, die durch den im Joch 21 fließenden magnetischen Fluss erzeugt wird.
Das Sekundärteil 27 des Linearantriebs besitzt die gleiche Form, wie die des Sekundärteils 2 von 1. Ebenso ist die Geometrie des Primärteils bzw. der Gebervorrichtung 20 die gleiche, wie die des Teils 1 von 1.
Die Funktionsweise der Gebervorrichtung von 4 entspricht im Prinzip der der Vorrichtung von 1. Die Permanentmagnete sind hier lediglich durch Erregerspulen und der Hall- Sensor durch eine Messspule ersetzt. Da die Elektromagnete 22 bis 25 mit Wechselstrom betrieben werden, gilt die Äquivalenz mit dem oben geschilderten Ausführungsbeispiel gemäß 1 nur in entsprechend kleinen Zeitfenstern. Dies bedeutet, dass in diesem kleinen Zeitfenster die Richtung des magnetischen Flusses im Joch unmittelbar von der Position der Magnetspulen gegenüber den Polzähnen der Maschinenkomponente abhängt.
Die in dem Ausführungsbeispiel von 2 eingesetzten Spulen lassen sich auch mit umgekehrter Funktion betreiben. So können die Spule 26 als Erregerspule und die Spulen 22 bis 25 an den freien Enden des Jochs 21 als Messspulen verwendet werden. In diesem Fall addieren sich die Messsignale der Einzelspulen zu einem resultierenden Messsignal. Auch dieses erreicht seine Maximalwerte, wenn die Zähne über denen des Sekundärteils 27 liegen. Dazwischen ergeben sich Nulldurchgänge wie in dem Ausführungsbeispiel von 1.
Wie oben angedeutet ist, kann man eine Anordnung mit Hall-Sensoren und Permanentmagneten in eine Anordnung nach dem Reluktanzresolverprinzip überführen. Ebenso können Mess- und Erregerspulen untereinander vertauscht werden. Generell kann diese Variation der Anordnungen durch das Bild von 5 beschrieben werden. Ausgehend von einer Anordnung A1 mit einem Hall-Sensor und Permanentmagneten gemäß 1 kann durch Vertauschen des Hall-Sensors und der Permanentmagnete die Anordnung A2 erreicht werden, bei der die Hall-Sensoren an den freien Enden des Jochs angeordnet sind und ein Permanentmagnet sich im Joch befindet. Werden von dieser Anordnung A2 die Hall-Sensoren durch Messspulen und der Permanentmagnet durch eine Erregerspule ersetzt, so gelangt man zur Anordnung A3. Vertauscht man nun von der Anordnung A3 die Messspulen und Erregerspulen erhält man eine Anordnung A4 nach dem Reluktanzresolverprinzip, wie sie exemplarisch in 4 mit Erregerspulen 22 bis 25 und der Messspule 26 wiedergegeben ist. Werden von dieser Anordnung A4 die Messspulen durch einen Hall-Sensor und die Erregerspulen durch Permanentmagnete ersetzt, so gelangt man wieder zu der Anordnung A1. Der Aus tausch der Komponenten kann selbstverständlich auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden. Der Begriff „Hall-Sensor" steht hier allgemein für einen (statischen) Magnetfeldsensor und der Begriff „Permanentmagnet" für eine Einrichtung zur Erzeugung eines zeitlich konstanten Magnetfelds. Wenn beim Ersetzen bzw. Tauschen Anordnungen mit mehreren Hall-Sensoren entstehen, so sind deren Ausgangssignale entsprechend zu addieren bzw. zu subtrahieren.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gebervorrichtung ist in 6 dargestellt. Mit dieser Gebervorrichtung ist es möglich, nicht nur eines sondern zwei um 90° phasenverschobene Signale jeweils mit Nulldurchgang zu generieren. Hierzu ist um den mittleren Schenkel eines E-förmigen Jochs 30 eine Erregerspule 31 gewickelt. An dem freien Ende des linken Schenkels des Jochs 30 befinden sich zur Erzeugung eines Kosinus-Signals zwei Messspulen 32 und 33. Gleichermaßen befinden sich am Ende des rechten Schenkels des Jochs 30 zur Erzeugung eines Sinus-Signals zwei Messspulen 34 und 35. Die Messspulen 32 und 33 sind bei gleichem Wicklungssinn derart in Reihe geschaltet, dass die unteren Anschlüsse beider Spulen verbunden sind. Das Gleiche gilt für die Messspulen 34 und 35.
Zur Optimierung der Messsignale ist die Dimension des Jochs 30 auf die Polpaarlänge PPL bzw. elektrische Periode des Sekundärteils 2 abgestimmt. Demnach beträgt der Mittenabstand der äußeren Schenkel des Jochs 30 2,25 PPL. Somit lassen sich mit einem einzigen Kopf ein Sinus- und ein Kosinus-Signal jeweils mit Nulldurchgang zur Positionsbestimmung gewinnen.
Auch die in 6 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gebervorrichtung lässt sich nach dem Prinzip von 5 abwandeln. Allerdings können hier nur die Transformationen in senkrechter Richtung durchgeführt werden, weil hier aus einer Erregung zwei Messsignale erzeugt werden.
Die im Zusammenhang mit den 1 bis 6 geschilderten Anordnungen eignen sich für Sekundärteile von sogenannten Längsflussmaschinen, d.h. für Maschinen, bei denen sich der vom Motor erzeugte Fluss im Sekundärteil in Bewegungsrichtung schließt. Das Sekundärteil solcher Längsflussmaschinen zeichnet sich dadurch aus, dass die einzelnen Zähne des Sekundärteils magnetisch leitend miteinander verbunden sind. Bei Querflussmaschinen hingegen, bei denen sich der vom Motor erzeugte Fluss quer zur Bewegungsrichtung und damit innerhalb jeweils eines Zahns schließt, müssen die Zähne 40 demzufolge nicht magnetisch leitend miteinander verbunden sein. 7 zeigt in der Draufsicht eine Anordnung für ein solches Sekundärteil aus voneinander magnetisch isolierten Zähnen 40. 8 zeigt eine entsprechende Vorderansicht. Das Joch 41 bzw. der Jochabschnitt ist auch hier im Wesentlichen U-förmig ausgestaltet. An den freien Enden des Jochs 41 befinden sich jeweils zwei Permanentmagnete 42, 43 und 44, 45. Die Magnetisierungsrichtungen der Magnete 42 und 43 sind ebenso entgegengesetzt gerichtet, wie die Magnetisierungsrichtungen der Magnete 44 und 45. Ein Hall-Sensor 46 in der Mitte des Jochs 41 registriert den magnetischen Fluss. Verfährt das Joch 41 mit seinen Magneten in Verfahrrichtung 15 über den Polzähnen 40 des Sekundärteils, so ändert sich auch hier die Flussrichtung durch den Hall-Sensor 46.
Durch eine entsprechende Gestaltung des Abtastkopfs bzw. der Gebervorrichtung 1, 20 und eventuell des Sekundärteils 2, 27 lässt sich die Sinusförmigkeit des Sensorsignals optimieren. Dabei spielt nicht nur die Gestalt der Polzähne, sondern auch deren Abstand eine Rolle.
Zur Realisierung der Erfindung genügt es, wenn nur an einem freien Ende eines Jochs 3, 21 Permanentmagnete oder Spulen angeordnet sind. Das andere freie Ende des Jochs 3, 21 muss nicht zwangsläufig auch mit Magneten besetzt sein. Bei dieser Ausführungsform sinkt jedoch die Qualität des Sensorsignals.
In vorteilhafter Weise wird durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Gebervorrichtung eine Aufwandsreduzierung gegenüber dem Stand der Technik erreicht. Insbesondere sind Anordnungen mit einem einzigen Sensor möglich, wobei dennoch ein Sensorsignal mit Nulldurchgang bereitgestellt werden kann.

Claims

Gebervorrichtung (1) für eine elektrische Maschine, die eine mit Polzähnen (11, 12, 13) versehene Maschinenkomponente (2) aufweist, zum Erfassen einer Position oder einer Bewegung relativ zu der Maschinenkomponente mit – einem U-förmigen Jochabschnitt (3, 30, 41) und – einem Sensor (10, 26), der zur Erfassung einer magnetischen Größe in/an dem Jochabschnitt (3, 30, 41) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – an einem freien Ende des Jochabschnitts (3, 30, 41) zwei entgegengesetzt gerichtete oder richtbare Magnete (6 bis 9, 22 bis 25) angeordnet sind, um abhängig von der Position der Magnete gegenüber einem der Polzähne (11, 12, 13) der Maschinenkomponente (2) entgegengesetzt gerichtete, von dem Sensor (10, 26) detektierbare, magnetische Flüsse in dem Jochabschnitt (3, 30, 41) zu erzeugen.
Gebervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sensor (10, 26) ein Hall-Sensor oder eine um den Jochabschnitt gewickelte Messspule ist.
Gebervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei an beiden freien Enden (4,5) des Jochabschnitts (3, 30, 41) jeweils zwei entgegengesetzt gerichtete oder richtbare Magnete (6 bis 9, 22 bis 25) angeordnet sind.
Gebervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnete (6 bis 9) am freien Ende (4, 5) des Jochabschnitts (3, 41) Permanentmagnete sind.
Gebervorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 4, wobei an den Jochabschnitt ein weiterer Schenkel angeformt ist, so dass sich ein E-förmiges Joch (14) ergibt.
Gebervorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Sensor (10) in/an dem mittleren Schenkel des E-förmigen Jochs (14) angeordnet ist.
Gebevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnete an dem freien Ende des Jochabschnitts (41) in Bewegungsrichtung (18) der Gebervorrichtung hintereinander angeordnet sind.
Gebervorrichtung (20) für eine elektrische Maschine, die eine mit Polzähnen versehene Maschinenkomponente (27) aufweist, zum Erfassen einer Position oder einer Bewegung relativ zu der Maschinenkomponente (27) mit – einem U-förmigen Jochabschnitt (21), – einer in oder an dem Jochabschnitt (21) angeordneten Magneteinrichtung (26) zum Erzeugen eines magnetischen Flusses in dem Jochabschnitt (21) und – einem Sensor (22 bis 25), der zur Erfassung einer magnetischen Größe in/an dem Jochabschnitt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Sensor (22 bis 25) an einem freien Ende des Jochabschnitts zwei Sensorelemente aufweist, die beim gleichen magnetischen Fluss durch den Jochabschnitt (21) in beiden Sensorelementen unterschiedlich gerichtete Spannungen bewirken, um abhängig von der Position der Sensorelemente gegenüber einem der Polzähne der Maschinenkomponente entsprechend hohe und gerichtete Spannungen an den Sensorelementen zu erzeugen.
Gebervorrichtung nach Anspruch 8, wobei die beiden Sensorelemente Hall-Sensoren oder Messspulen sind.
Gebevorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei an den Jochabschnitt ein weiterer Schenkel angeformt ist, so dass sich ein E-förmiges Joch (30) ergibt, und an dem freien Ende des weiteren Schenkels ebenfalls zwei Sensorelemente (32, 33) der genannten Art angeordnet sind.
Gebervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei an beiden frei endenden Schenkeln des Jochabschnitts (21) jeweils zwei der genannten Sensorelemente angeordnet sind.
Gebervorrichtung für eine elektrische Maschine, die eine mit Polzähnen versehene Maschinenkomponente (2) aufweist, zum Erfassen einer Position oder einer Bewegung relativ zu der Maschinenkomponente mit – einem E-förmigen, symmetrisch quer zur Bewegungsrichtung (18) in zwei Jochteile (15, 16) geteilten Joch, – einem zwischen den beiden Jochteilen (15, 16) angeordneten Sensor (10) und – einem an den Enden beider Jochteile angeordneten, gerichteten oder richtbaren Magneten (19).
Gebervorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Sensor (10) ein Hall-Sensor oder eine um den Jochabschnitt gewickelte Messspule ist.
Gebervorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Magnet (19) an den Enden beider Jochteile (15, 16) ein Permanentmagnet ist.
Elektrische Maschine mit einer Gebervorrichtung (1, 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrische Maschine nach Anspruch 15, die als Linearmotor ausgestaltet ist, wobei die Maschinenkomponente (2, 27) mit den Polzähnen dem Sekundärteil entspricht und die Gebervorrichtung (1, 20) an dem Primärteil befestigt oder Teil des Primärteils ist.