DE102006018693A1 - Electric machine has a magnetic disk with magnetically teethed conductive cover plates mounted with magnetic field sensor for capturing flux density which changes when teeth rotate past the sensor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die als Scheibenläufer mit einem relativ zu einem Primärteil um eine Rotationsachse verdrehbar gelagerten Sekundärteil ausgebildet ist, wobei das Sekundärteil eine Magnetscheibe aufweist, die an ihren axialen Stirnseiten eine in Umfangsrichtung verlaufende Abfolge von abwechselnd in zueinander entgegengesetzte Richtungen magnetisierten permanentmagnetischen Magnetpolen aufweist, die über mindestens einen axial zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil angeordneten Luftspalt mit einer am Primärteil vorgesehenen Wicklung magnetisch zusammenwirken, und mit einer Lagemesseinrichtung zur Erfassung der Lage des Sekundärteils relativ zum Primärteil, wobei die Lagemesseinrichtung mindestens einen an dem Primärteil angeordneten Magnetfeldsensor zum Detektieren der Magnetpole aufweist. Dabei wird unter einer Rotationsachse eine mechanische Achse oder eine gedachte Gerade verstanden, um die das Primärteil und das Sekundärteil relativ zueinander verdrehbar sind.The The invention relates to an electrical machine, which is used as a pancake with one relative to a primary part formed around a rotational axis rotatably mounted secondary part is, where the secondary part a magnetic disc having at its axial end faces a in the circumferential direction sequence of alternating in opposite directions Directions magnetized having permanent magnetic magnetic poles, the above at least one arranged axially between the primary part and the secondary part Air gap with one at the primary part magnetically cooperate provided winding, and with a position measuring device for detecting the position of the secondary part relative to the primary part, wherein the position measuring device arranged at least one on the primary part Magnetic field sensor for detecting the magnetic poles. there is under a rotation axis, a mechanical axis or a imaginary line understood to be relative to the primary part and the secondary part are rotatable to each other.
Eine derartige elektrische Maschine, bei der die Magnetpole von einer auf einer Welle angeordneten Magnetscheibe gebildet werden, die als Zwischenläufer zwischen zwei Statorhälften angeordnet ist, ist aus der Praxis bekannt. In Umfangsrichtung wechseln entgegengesetzt zueinander magnetisierte Magnetpole einander ab. Zwischen der Magnetscheibe und den Statorhälften ist beidseits der Magnetscheibe jeweils ein axial von einem Magnetfluss durchsetzter Luftspalt angeordnet. Der Stator hat einen weichmagnetischen Kern mit Nuten, die mit Wicklungsspulen bewickelt sind. In den Nuten sind Magnetfeldsensoren für eine Lagemesseinrichtung angeordnet, die zur Erfassung der Lage des Sekundärteils relativ zum Primärteil vorgesehen ist. In Abhängigkeit von einem mit Hilfe der Lagemesseinrichtung erfassten Lagemesssignal wird die Wicklung über eine Endstufe elektronisch kommutiert. Die elektrische Maschine hat den Nachteil, dass die Nuten relativ breit sind, damit der für die Magnetfeldsensoren benötigte Bauraum zur Verfügung steht. Die elektrische Maschine weist deshalb noch relativ große Abmessungen auf.A Such electrical machine, in which the magnetic poles of a Magnetic disc arranged on a shaft are formed, the as an intermediate between two stator halves is arranged, is known from practice. Change in the circumferential direction Magnetic poles magnetized opposite each other from each other. Between the magnetic disk and the stator halves is the magnetic disk on both sides arranged in each case an axially traversed by a magnetic flux air gap. The stator has a soft magnetic core with grooves, with winding coils are wound. In the grooves magnetic field sensors are arranged for a position measuring device, provided for detecting the position of the secondary part relative to the primary part is. Dependent on from a position measurement signal detected by means of the position measuring device the winding is over an amplifier electronically commutated. The electric machine has the disadvantage that the grooves are relatively wide, so that for the magnetic field sensors needed Space available stands. The electrical machine therefore still has relatively large dimensions on.
Aus der Praxis kennt man auch bereits eine gattungsfremde, als Scheibenläufer ausgebildeten elektrische Maschine, die als Lagemesseinrichtung einen Tachogenerator aufweist, der in Axialrichtung neben der aus dem Primärteil und dem Sekundärteil gebildeten Anordnung vorgesehen ist. Die elektrische Maschine weist in axialer Richtung relativ große Länge auf.Out In practice, one already knows a non-generic, trained as a disc rotor electrical Machine having a tachogenerator as a position measuring device, in the axial direction next to the formed from the primary part and the secondary part Arrangement is provided. The electric machine has in axial Towards relatively large length.
Es besteht deshalb die Aufgabe, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine kompakte Abmessungen und eine kurze Bauform ermöglicht.It There is therefore the task of an electric machine of the beginning called type to create a compact size and a short design allows.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der mindestens eine Magnetfeldsensor in einem radial außerhalb der Magnetscheibe befindlichen Bereich ortsfest zum Stator angeordnet ist.These Task is inventively characterized solved, that the at least one magnetic field sensor in a radially outside the magnetic disk located stationary to the stator is.
In vorteilhafter Weise können dadurch die Nutschlitze des Primärteils relativ schmal ausgebildet sein, was kompakte Abmessungen der elektrischen Maschine ermöglicht. Da der mindestens eine Magnetfeldsensor radial außerhalb der Magnetscheibe vorgesehen ist, ermöglicht die elektrische Maschine außerdem eine kurze Bauform. Dank der Positionierung des Magnetfeldsensors radial weit außen, bewirken Montagetoleranzen des Magnetfeldsensors nur relativ kleine Messfehler.In can advantageously thereby the slot slots of the primary part be formed relatively narrow, which compact dimensions of the electric machine allows. Since the at least one magnetic field sensor is radially outward the magnetic disc is provided, the electric machine also allows a short design. Thanks to the positioning of the magnetic field sensor radially far out, cause assembly tolerances of the magnetic field sensor only relatively small Measurement error.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Sekundärteil beidseits der Magnetscheibe an deren axialen Stirnseiten magnetisch leitfähige Deckbleche auf der Magnetscheibe auf, die radial über den Außenumfang der Magnetscheibe vorstehende, jeweils einem Magnetpol zugeordnete Zähne haben, die beim Verdrehen des Sekundärteils relativ zu dem Primärteil axial beidseits an dem mindestens einen Magnetfeldsensor vorbeilaufen. Durch die Magnetscheibe wird einerseits eine gewisse Abschirmung des mindestens einen Magnetfeldsensors gegen ein beim Bestromen der Wicklung des Primärteils auftretendes magnetisches Störfeld erreicht, und andererseits wird ein Teil des von den Magnetpolen der Magnetscheibe erzeugten Magnetflusses über die Zähne gezielt zu dem Magnetfeldsensor geleitet. Beim Vorbeilaufen der Zähne am Magnetfeldsensors ergibt sich dann eine deutliche Änderung der vom Sensor erfassten Flussdichte, die zur Lagemessung ausgewertet werden kann. Die dünnen Deckbleche bestehen vorzugsweise aus einem weichmagnetisch hochpermeablen Werkstoff.at a preferred embodiment The invention has the secondary part on both sides of the magnetic disk at its axial end faces magnetically conductive cover sheets on the magnetic disk projecting radially beyond the outer periphery of the magnetic disk, each have a magnetic pole associated teeth during rotation of the abutment relative to the primary part Pass axially on both sides of the at least one magnetic field sensor. By the magnetic disk on the one hand a certain shield of the at least one magnetic field sensor against during energization the winding of the primary part occurring magnetic interference field reached, and on the other hand, a part of the magnetic poles the magnetic disk generated magnetic flux through the teeth targeted to the magnetic field sensor directed. When passing the teeth on the magnetic field sensor results then a significant change in the detected by the sensor flux density, which evaluated for position measurement can be. The thin cover sheets preferably consist of a soft magnetic high permeability material.
Vorteilhaft ist, wenn jeweils zwei paarweise einander zugeordnete Zähne unterschiedlicher Deckbleche in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Das Vorbeilaufen der Zähne an dem Magnetfeldsensor kann dann anhand des Lagemesssignals noch störungsfreier detektiert werden. Die tangentiale Breite der Zähne kann variieren, entspricht jedoch vorzugsweise der Polteilung minus einer kleinen Schlitzbreite oder einem Bruchteil der Polteilung.Advantageous is, if in each case two pairs of mutually associated teeth of different cover sheets are arranged one behind the other in the axial direction. The passing the teeth on the magnetic field sensor can then still on the basis of the position measurement signal trouble-free be detected. The tangential width of the teeth can vary, but it is equivalent preferably the pole pitch minus a small slot width or a fraction of the pole pitch.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens ein Deckblech zumindest im Bereich der Zähne einen von einer Ebene abweichenden Verlauf auf, der derart gewählt ist, dass die lichte Weite zwischen den paarweise einander zugeordneten Zähnen kleiner ist als der Abstand der Deckbleche im Bereich der Magnetscheibe. Der mindestens eine Magnetsensor weist in diesem Fall eine geringere Dicke auf als die Magnetscheibe.In an expedient embodiment of the invention, at least one cover plate, at least in the area of the teeth, has a course which deviates from a plane and is selected such that the clear width between the teeth assigned in pairs is smaller than the distance between them Cover plates in the area of the magnetic disk. The at least one magnetic sensor in this case has a smaller thickness than the magnetic disk.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Deckbleche im Übergangsbereich zwischen zwei zueinander benachbarten ungleichnamigen Magnetpolen der Magnetscheibe mindestens eine Unterbrechung und/oder Reduzierung ihrer Wandstärke auf. Die Deckbleche haben dann im Übergangsbereich zwischen zueinander benachbart aneinander angrenzenden Magnetpolen einen höheren magnetischen Widerstand als in der Mitte der Magnetpole. Dadurch reduziert sich der Anteil des von der Magnetscheibe erzeugten magnetischen Streuflusses, der über die Deckbleche direkt von einem Magnetpol zu einem dazu benachbarten Magnetpol mit entgegengesetzter Polarität fließt. Die Deckbleche werden bevorzugt als Biegestanzteil hergestellt.at a preferred embodiment the invention, the cover plates in the transition region between two mutually adjacent unlike magnetic poles of the magnetic disk at least one interruption and / or reduction of its wall thickness. The cover plates then have in the transition area between mutually adjacent magnetic poles a higher one magnetic resistance than in the middle of the magnetic poles. Thereby reduces the proportion of magnetic flux generated by the magnetic disk, the over the cover sheets directly from a magnetic pole to an adjacent thereto Magnetic pole with opposite polarity flows. The cover sheets are preferred manufactured as a bending stamping.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Unterbrechungen) und/oder Reduzierungen) derart angeordnet, dass sie die Deckbleche in Segmente unterteilen. An den Deckblechen tritt dann zwischen den Magnetpolen ein noch geringerer magnetischer Streufluss auf.at an advantageous embodiment the invention is the interruptions) and / or reductions) arranged such that they divide the cover plates into segments. At the cover plates then occurs between the magnetic poles still lower magnetic leakage flux on.
Vorteilhaft ist, wenn die Unterbrechung als sich in radialer Richtung erstreckender Schlitz und/oder als in radialer Richtung verlaufende Perforierung ausgebildet ist. Dadurch wird der über die Deckbleche fließende magnetische Streufluss noch weiter reduziert. Durch die Perforierung und/oder die Schlitze sind die Deckbleche in einstückig miteinander verbundene, jeweils einem Magnetpol zugeordnete Segmente unterteilt. Die miteinander verbundenen Segmente lassen sich bei der Fertigung der elektrischen Maschine auf einfache Weise an die Magnetscheibe montieren. Selbstverständlich können die Deckbleche auch mehrteilig ausgebildet sein und mehrere, in Umfangsrichtung durch Zwischenräume voneinander beabstandete Segmente aufweisen.Advantageous is when the interruption as extending in the radial direction Slot and / or as running in the radial direction perforation is trained. As a result, the flowing over the cover sheets magnetic Leakage flux further reduced. Through the perforation and / or the slots are the cover sheets in one piece, divided each associated with a magnetic pole segments. The each other Connected segments can be used in the production of electrical Mount the machine to the magnetic disk in a simple way. Of course, the cover plates also be formed in several parts and several, in the circumferential direction through spaces between each other have spaced segments.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich zumindest ein Zahn in Umfangsrichtung des Deckblechs über die gesamte Breite des ihm zugeordneten Segments. Beim Vorbeilaufen der Zähne an den Magnetfeldsensoren ergibt sich dann im Bereich der Zahnflanken ein steilflankige Änderung des magnetischen Felds mit einem großen Signalhub. Die an den Magnetfeldsensoren vorbeilaufenden Zähne können dadurch auf einfache Weise zuverlässig detektiert werden.at a preferred embodiment According to the invention, at least one tooth extends in the circumferential direction of the cover sheet over the entire width of the segment assigned to it. When passing by the teeth At the magnetic field sensors then results in the region of the tooth flanks a steep change of the magnetic field with a large signal swing. The passing by the magnetic field sensors Teeth can do this reliable in a simple way be detected.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist zumindest ein Zahn in Umfangsrichtung des Deckblechs eine geringere Breite auf als das ihm zugeordnete Segment, wobei dieser Zahn in Umfangsrichtung vorzugsweise mittig an dem Segment angeordnet ist. Dadurch kann der magnetische Streufluss an dem Deckblech zusätzlich reduziert werden.at another advantageous embodiment of the invention has at least a tooth in the circumferential direction of the cover plate on a smaller width as the segment associated with it, this tooth being in the circumferential direction is preferably arranged centrally on the segment. This can the magnetic leakage flux on the cover plate can be additionally reduced.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Deckbleche aus einer weichmagnetischen Legierung, deren Sättigungsflussdichte zwischen 10% und 30% über der Betriebsflussdichte der Magnetscheibe liegt. Hierdurch geht der Werkstoff der Deckbleche im Bereich der Unterbrechungen relativ früh in die Sättigung, so dass die Streuverluste entsprechend gering ausfallen.at a preferred embodiment According to the invention, the cover plates are made of a soft magnetic material Alloy, their saturation flux density between 10% and 30% over the operational flux density of the magnetic disk is located. This is possible the material of the cover plates relative to the interruptions early in the saturation, so that the scattering losses are correspondingly low.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weist die Magnetscheibe Permanentmagnete auf, die in eine Vergussmasse eingebettet sind, wobei die mindestens eine Unterbrechung zumindest bereichsweise mit der Vergussmasse befüllt ist. Die Permanentmagnete und die Deckbleche sind dann durch die verfestigte Vergussmasse zu einer mechanisch stabilen Einheit fest miteinander verbunden. Die Vergussmasse ist bevorzugt ein Gießharz. Sie bildet zusammen mit den Deckblechen einen Korrosionsschutz für die Permanentmagnete, der auch widerstandsfähig gegen mögliche Partikel im Luftspalt ist.at an expedient embodiment the invention, the magnetic disk on permanent magnets, the embedded in a potting compound, wherein the at least one Interruption is at least partially filled with the potting compound. The permanent magnets and the cover plates are then solidified by the Potting compound to a mechanically stable unit firmly together connected. The potting compound is preferably a casting resin. It forms corrosion protection for the permanent magnets together with the cover plates, also resistant against possible Particles in the air gap.
Vorteilhaft ist, wenn die Magnetscheibe als Ringscheibe ausgebildet ist, die um ein vorzugsweise als Welle oder Nabenkörper ausgebildetes Trägerteil herum angeordnet ist, wobei mindestens eines der Deckbleche drehfest mit der Magnetscheibe und dem Trägerteil verbunden ist. Beim Beschleunigen und Abbremsen der Magnetscheibe wird dann ein Teil der an der Magnetscheibe auftretenden Beschleunigungskräfte über das mindestens eine Deckblech auf das Trägerteil übertragen, wodurch sich die Scherkräfte in der Vergussmasse insbesondere in dem an die Welle oder den Nabenkörper angrenzenden Randbereich der Vergussmasse entsprechend reduzieren. Zwischen der Magnetscheibe und dem Trägerteil kann dadurch im Vergleich zu einer entsprechenden Anordnung ohne Deckbleche ein höheres Drehmoment langzeitstabil übertragen werden. Die Deckbleche können mit dem Trägerteil verschweißt, verlötet und/oder flächig verklebt sein. Das Trägerteil besteht bevorzugt aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, beispielsweise aus Edelstahl, Aluminium, Messing oder einem Faserverbundwerkstoff.Advantageous is when the magnetic disk is formed as an annular disc, the around a preferably designed as a shaft or hub body carrier part is arranged around, wherein at least one of the cover plates rotatably with the magnetic disk and the carrier part connected is. When accelerating and decelerating the magnetic disk Then, a part of the acceleration forces occurring at the magnetic disk on the transferred at least one cover plate on the support member, whereby the shear forces in the Potting compound in particular in the adjacent to the shaft or the hub body Reduce the edge area of the potting compound accordingly. Between the Magnetic disk and the carrier part This can be compared to a corresponding arrangement without Cover sheets a higher Torque transmitted long-term stable become. The cover sheets can with the carrier part welded, soldered and / or areal be glued. The carrier part is preferably made of a non-magnetic material, for example made of stainless steel, aluminum, brass or a fiber composite material.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eines der Deckbleche als Ringscheibe ausgebildet, die an ihrem Innenrand eine Verzahnung aufweist, wobei an dem Trägerteil eine mit der Verzahnung im Sinne einer drehfesten Verbindung zusammenwir kende Profilierung vorgesehen ist. Dadurch können Drehmomente noch besser von der Magnetscheibe auf das Trägerteil übertragen werden. Außerdem ermöglicht die Verzahnung bei der Fertigung der elektrischen Maschine eine lagegenaue Positionierung an der Magnetscheibe. Letztere kann eine entsprechende, mit der Profilierung zusammenwirkende Verzahnung aufweisen.In a preferred embodiment of the invention, at least one of the cover plates is formed as an annular disc, which has a toothing on its inner edge, wherein on the support member zusammenwir Kende profiling is provided with the teeth in the sense of a rotationally fixed connection. As a result, torques can be transmitted even better from the magnetic disk to the carrier part. In addition, the teeth in the manufacture of the electric machine allows a positionally accurate positioning on the magnetic disk. The latter may have a corresponding, interacting with the profiling toothing.
Vorteilhaft ist, wenn die beidseits der Magnetscheibe angeordneten Deckbleche baugleich ausgebildet sind. Die Deckbleche ermöglichen dann eine besonders einfache Montage und eine kostengünstige Serienfertigung.Advantageous is when the cover plates arranged on both sides of the magnetic disk identical design. The cover plates then allow a special easy assembly and cost-effective mass production.
Vorteilhafterweise ist die Wandstärke der Deckbleche kleiner oder gleich 0,2 mm, insbesondere kleiner oder gleich 0,15 mm und bevorzugt kleiner oder gleich 0,1 mm. Dadurch wird beim Vorbeilaufen eines Magnetpols an dem Magnetfeldsensor ein für die Messung ausreichender Magnetfluss am Magnetfeldsensor erreicht, und dennoch ergeben sich nur geringe magnetische Verluste in dem von dem Magnetfluss zwischen der Magnetschicht und dem Stator durchsetzten Bereich. Außerdem wir durch die relativ dünnen Deckbleche eine geringe Massenträgheit des Sekundärteils ermöglicht.advantageously, is the wall thickness the cover sheets less than or equal to 0.2 mm, in particular smaller or equal to 0.15 mm and preferably less than or equal to 0.1 mm. Thereby becomes as a magnetic pole passes by the magnetic field sensor one for the Measurement reaches sufficient magnetic flux at the magnetic field sensor, and yet there are only small magnetic losses in the from the magnetic flux between the magnetic layer and the stator Area. Furthermore we through the relatively thin Cover plates a low inertia of the secondary part allows.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.following are exemplary embodiments the invention explained in more detail with reference to the drawing.
Es zeigen:It demonstrate:
Ein
im Ganzen mit
Wie
in
Der
Statorkern
Die
Magnetscheibe
Zur
Erfassung der Lage des Sekundärteils relativ
zum Primärteil
weist die elektrische Maschine
Bei
den in
Jeweils
zwei paarweise einander zugeordnete Zähne unterschiedlicher Deckbleche
In
In
Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß
Bei
dem in
Bei
dem in
Die
beiden Deckbleche
Die
Wandstärke
der als Biegestanzteile hergestellten Deckbleche
Die
Permanentmagnete sind zwischen den Deckblechen
Bei
dem in
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- elektrische Maschineelectrical machine
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- Gleit- oder Wälzlagerlubricant or rolling bearings
- 33
- Rotationsachseaxis of rotation
- 44
- Statorkernstator core
- 55
- Wicklungwinding
- 66
- erstes Gehäuseteilfirst housing part
- 77
- zweites Gehäuseteilsecond housing part
- 88th
- Stegweb
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- Wellewave
- 1010
- Nabenkörperhub body
- 1111
- Magnetscheibemagnetic disk
- 1212
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 1313
- Luftspaltair gap
- 1414
- Magnetfeldsensormagnetic field sensor
- 1515
- Deckblechcover sheet
- 1616
- Zahntooth
- 1717
- Perforierungperforation
- 1818
- Vergussmassepotting compound
- 1919
- Verzahnunggearing
- 2020
- Segmentsegment
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