DE102006018693B4 - Electric machine - Google Patents
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Abstract
Elektrische Maschine (1), die als Scheibenläufer mit einem relativ zu einem zwei Teile aufweisenden Primärteil um eine Rotationsachse (3) verdrehbar gelagerten Sekundärteil ausgebildet ist, wobei das Sekundärteil eine Magnetscheibe (11) aufweist, die an ihren axialen Stirnseiten eine in Umfangsrichtung verlaufende Abfolge von abwechselnd in zueinander entgegengesetzte Richtungen magnetisierten permanentmagnetischen Magnetpolen aufweist, die über zwei axial zwischen den zwei Teilen des Primärteils und dem Sekundärteil angeordnete Luftspalte (13) mit einer an den zwei Teilen des Primärteils vorgesehenen Wicklung (5) magnetisch zusammenwirken, und mit einer Lagemesseinrichtung zur Erfassung der Lage des Sekundärteils relativ zu dem Primärteil, wobei die Lagemesseinrichtung mindestens einen an dem Primärteil angeordneten Magnetfeldsensor (14) zum Detektieren der Magnetpole aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnetfeldsensor (14) in einem radial außerhalb der Magnetscheibe (11) befindlichen Bereich ortsfest zu dem Primärteil angeordnet ist und das Sekundärteil beidseits der Magnetscheibe (11) an deren axialen Stirnseiten magnetisch leitfähige Deckbleche (15) auf der Magnetscheibe (11) aufweist, die radial über den Außenumfang der Magnetscheibe (11) vorstehen und mit dem Magnetfeldsensor (14) zusammenwirken.Electric machine (1), which is formed as a disc rotor with a relative to a primary part having two parts rotatably mounted about a rotation axis (3) mounted secondary part, wherein the secondary part has a magnetic disc (11), which at its axial end faces a circumferentially extending sequence of magnetized permanent magnet magnetic poles alternately in opposite directions, which magnetically cooperate with a winding (5) provided on the two parts of the primary part via two air gaps (13) arranged axially between the two parts of the primary part and the secondary part, and with a position measuring device for Detecting the position of the secondary part relative to the primary part, wherein the position measuring device has at least one arranged on the primary part magnetic field sensor (14) for detecting the magnetic poles, characterized in that the at least one magnetic field sensor (14) in a radially outward the magnetic disc (11) located region is fixed to the primary part and the secondary part on both sides of the magnetic disc (11) at its axial end faces magnetically conductive cover plates (15) on the magnetic disc (11) radially over the outer periphery of the magnetic disc (11) protrude and interact with the magnetic field sensor (14).
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die als Scheibenläufer mit einem relativ zu einem Primärteil um eine Rotationsachse verdrehbar gelagerten Sekundärteil ausgebildet ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. 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 invention relates to an electrical machine which is designed as a disc rotor with a relative to a primary part rotatably mounted about a rotation axis secondary part, according to the preamble of
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.Such an electric machine, in which the magnetic poles are formed by a magnetic disc arranged on a shaft, which is arranged as an intermediate between two stator halves, is known from practice. In the circumferential direction opposite magnetized magnetic poles alternate each other. Between the magnetic disk and the stator halves, an air gap penetrated axially by a magnetic flux is respectively arranged on both sides of the magnetic disk. The stator has a soft magnetic core with grooves wound with winding coils. In the grooves magnetic field sensors for a position measuring device are arranged, which is provided for detecting the position of the secondary part relative to the primary part. Depending on a position measurement signal detected with the aid of the position measuring device, the winding is electronically commutated via an output stage. The electrical machine has the disadvantage that the grooves are relatively wide, so that the installation space required for the magnetic field sensors is available. The electrical machine therefore still has relatively large dimensions.
Aus der Praxis kennt man auch bereits eine gattungsfremde, als Scheibenläufer ausgebildete 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.From practice, one already knows a non-generic, designed as a disc rotor electric machine, which has a tachometer generator as a position measuring device, which is provided in the axial direction next to the arrangement formed from the primary part and the secondary part. The electric machine has a relatively large length in the axial direction.
Aus der
Aus der
Es besteht deshalb die Aufgabe, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine kompakte Abmessungen und eine kurze Bauform ermöglicht.It is therefore an object to provide an electrical machine of the type mentioned, which allows a compact size and a short design.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.This object is achieved by the measures specified in
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Further advantageous embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims.
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.Advantageously, thereby the slot slots of the primary part can be made relatively narrow, which allows compact dimensions of the electric machine. Since the at least one magnetic field sensor is provided radially outside the magnetic disk, the electric machine also allows a short design. Thanks to the positioning of the magnetic field sensor radially far outside, assembly tolerances of the magnetic field sensor cause only relatively small measurement errors.
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.In a preferred embodiment of the invention, the secondary part on both sides of the magnetic disc on the axial end faces magnetically conductive cover plates on the magnetic disc, the radially above the outer periphery of the magnetic disc protruding, each having a magnetic pole associated teeth axially relative to the primary part during rotation of the secondary part pass on both sides of the at least one magnetic field sensor. By means of the magnetic disk, on the one hand, a certain shielding of the at least one magnetic field sensor against a magnetic interference field occurring when the primary winding is energized is achieved, and on the other hand, part of the magnetic flux generated by the magnetic poles of the magnetic disk is directed to the magnetic field sensor via the teeth. As the teeth move past the magnetic field sensor, there is a significant change in the flux density detected by the sensor, which can then be evaluated for position measurement. The thin cover sheets are preferably made of a soft magnetically highly permeable 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. It is advantageous if in each case two pairs of mutually associated teeth of different cover plates are arranged in the axial direction one behind the other. The passage of the teeth on the magnetic field sensor can then be detected even more trouble-free on the basis of the position measurement signal. The tangential width of the teeth may vary, but preferably corresponds to 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 deviating from a plane, which is selected such that the clear width between the teeth assigned in pairs is smaller than the distance between the cover plates in the region 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.In a preferred embodiment of the invention, the cover plates in the transition region between two mutually adjacent non-identical magnetic poles of the magnetic disk at least one interruption and / or reduction of their wall thickness. The cover plates then have a higher magnetic resistance in the transition region between magnet magnets adjoining one another adjacent to one another than in the middle of the magnetic poles. This reduces the proportion of magnetic flux generated by the magnetic disk, which flows via the cover plates directly from a magnetic pole to a magnetic pole of opposite polarity adjacent thereto. The cover sheets are preferably produced as a bending stamping.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Unterbrechung(en) und/oder Reduzierung(en) derart angeordnet, dass sie die Deckbleche in Segmente unterteilen. An den Deckblechen tritt dann zwischen den Magnetpolen ein noch geringerer magnetischer Streufluss auf.In an advantageous embodiment of the invention, the interruption (s) and / or reduction (s) are arranged such that they divide the cover plates into segments. At the cover plates then occurs between the magnetic poles an even lower magnetic leakage flux.
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.It is advantageous if the interruption is formed as a slit extending in the radial direction and / or as a perforation extending in the radial direction. As a result, the magnetic flux leakage flowing over the cover plates is further reduced. Through the perforation and / or the slots, the cover plates are integrally connected to each other, each associated with a magnetic pole segments. The interconnected segments can be easily mounted to the magnetic disk in the manufacture of the electric machine. Of course, the cover plates can also be designed in several parts and have a plurality of circumferentially spaced by gaps between 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.In a preferred embodiment of the invention, at least one tooth extends in the circumferential direction of the cover plate over the entire width of the associated segment. As the teeth move past the magnetic field sensors, a sharp-edged change of the magnetic field with a large signal deviation results in the area of the tooth flanks. The running past the magnetic field sensors teeth can be reliably detected in a simple manner.
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.In another advantageous embodiment of the invention, at least one tooth in the circumferential direction of the cover plate has a smaller width than the segment assigned to it, wherein this tooth is preferably arranged centrally in the circumferential direction on the segment. As a result, 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.In a preferred embodiment of the invention, the cover sheets of a soft magnetic alloy whose saturation flux density is between 10% and 30% above the operating flux density of the magnetic disk. As a result, the material of the cover plates in the area of the interruptions is relatively early in the saturation, so that the scattering losses 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.In an expedient embodiment of the invention, the magnetic disc on permanent magnets, which are 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 firmly connected to one another by the solidified potting compound to form a mechanically stable unit. The potting compound is preferably a casting resin. Together with the cover plates, it forms a corrosion protection for the permanent magnets, which is also resistant to 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.It is advantageous if the magnetic disk is designed as an annular disc, which is arranged around a preferably designed as a shaft or hub body support member around, wherein at least one of the cover plates is rotatably connected to the magnetic disk and the support member. During acceleration and deceleration of the magnetic disk, a part of the acceleration forces occurring at the magnetic disk is then transmitted via the at least one cover plate to the carrier part, whereby the shear forces in the potting compound reduce correspondingly in particular in the edge region of the potting compound adjacent to the shaft or the hub body. As a result, a higher torque can be transmitted over a long time between the magnetic disk and the carrier part in comparison to a corresponding arrangement without cover plates. The Cover plates can be welded to the carrier part, soldered and / or glued flat. 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 zusammenwirkende 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 designed as an annular disc, which has a toothing on its inner edge, wherein on the support part cooperating with the toothing in the sense of a rotationally fixed profiling is provided. As a result, torques can be transmitted even better from the magnetic disk to the carrier part. In addition, the toothing allows a positionally accurate positioning of the magnetic disk in the manufacture of the electric machine. 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.It is advantageous if the cover plates arranged on both sides of the magnetic disk are of identical construction. The cover plates then allow a particularly simple 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, the wall thickness of the cover sheets is less than or equal to 0.2 mm, in particular less than or equal to 0.15 mm and preferably less than or equal to 0.1 mm. As a result, a magnetic flux sufficient for the measurement is achieved at the magnetic field sensor when passing a magnetic pole to the magnetic field sensor, and yet there are only small magnetic losses in the interspersed by the magnetic flux between the magnetic layer and the stator area. In addition, we allow the relatively thin cover plates a low inertia of the secondary part.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing.
Es zeigen:Show it:
Ein im Ganzen mit
Wie in
Die Wicklungsspulen ragen mit Wickelköpfen aus den radial inneren und äußeren Enden der Nuten heraus.The winding coils project with winding heads out of the radially inner and outer ends of the grooves.
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
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- elektrische Maschineelectric machine
- 22
- Gleit- oder WälzlagerSliding or rolling bearings
- 33
- Rotationsachseaxis of rotation
- 44
- Statorkernstator core
- 55
- Wicklungwinding
- 66
- erstes Gehäuseteilfirst housing part
- 77
- zweites Gehäuseteilsecond housing part
- 88th
- Stegweb
- 99
- 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
Claims (15)
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Effective date: 20130124 |
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R081 | Change of applicant/patentee |
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