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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung der Rotorstellung
in einem Elektromotor.
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Aus
der WO 2004/059830 A2 ist eine Rotorstellungssensoranordnung für einen
Elektromotor mit einem mehrpoligen Sensormagneten bekannt, bei der
ein Rotorstellungssignal in einen digitalen Wert mit einer Auflösung von
2 Bit umgewandelt wird. Dieser digitale Wert ermöglicht es, auch im Inneren
des Winkelbereichs eines Sensorpols Informationen aus dem Rotorstellungssignal
zu erhalten, sodass ein Absolutwert für die Rotorstellung erzeugt
werden kann.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Anordnung
zur Erfassung der Rotorstellung in einem Elektromotor bereitzustellen.
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Nach
einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen
Elektromotor gemäß Anspruch
1 gelöst.
Dieser Elektromotor weist einen Stator, einen Rotor mit einer Rotorwelle
und einem Rotormagneten, einen drehfest auf der Welle angeordneten
Magnetring und mindestens einen Rotorstellungssensor auf. Der Rotormagnet
hat n Polpaare, wobei n eine positive Ganzzahl (n = 1, 2, ...) ist. Der
Magnetring ist zumindest teilweise zwischen der Rotorwelle und dem
mindestens einen Rotorstellungssensor angeordnet und ist derart
magnetisiert, dass er maximal n Polpaare hat und sich an seinem Umfang
ein im Wesentlichen sinusförmiger
magnetischer Flussverlauf ergibt. Der mindestens eine Rotorstellungssensor
dient zur Erzeugung eines eine Eigenschaft des magnetischen Flusses
abbildenden und zur Bestimmung eines Absolutwerts der Rotorstellung
geeigneten Rotorstellungssignals.
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Man
erhält
so einen Innenläufermotor
mit einer Rotorstellungsanordnung, welche es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt
den Absolutwert der Rotorstellung des Innenläufermotors präzise zu
bestimmen.
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Nach
einem weiteren Aspekt wird diese Aufgabe durch einen Elektromotor
gemäß Anspruch
13 gelöst.
Dieser Elektromotor weist einen Stator mit einem Lagerrohr, einen
Rotor mit einer Rotorwelle, einen Magnetring und mindestens einen
Rotorstellungssensor auf. Das Lagerrohr ist aus einem magnetisch
durchlässigen
Material ausgebildet. Die Rotorwelle ist zumindest teilweise in
dem Lagerrohr angeordnet. Der Magnetring ist drehfest auf der Welle angeordnet
und ebenfalls zumindest teilweise innerhalb des Lagerrohrs angeordnet.
Der mindestens eine Rotorstellungssensor ist außerhalb des Lagerrohrs angeordnet
und dient zur Erzeugung eines Rotorstellungssignals in Abhängigkeit
von der Drehstellung des Magnetrings.
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Man
erhält
so einen Außenläufermotor
mit einer Rotorstellungsanordnung, welche es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt
den Absolutwert der Rotorstellung des Außenläufermotors präzise zu
bestimmen.
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Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten,
in keiner Weise als Einschränkung
der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen. Es zeigt:
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1 ein
Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführung eines ECM mit einer Rotorstellungssensoranordnung,
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2 einen
vergrößerten Längsschnitt durch
einen beispielhaften Außenläufermotor,
der mit einer erfindungsgemäßen Rotorstellungssensoranordnung
versehen ist,
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3 einen
Schnitt entlang der Linie I-I in 2 in vergrößertem Maßstab,
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4 eine
perspektivische Ansicht des zweipoligen Sensormagneten aus 2 und 3,
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5 eine
schematische Darstellung des Magnetfeldes eines vierpoligen Sensormagneten
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
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6 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Sensormagnetringanordnung,
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7 einen
Schnitt durch die Sensormagnetringanordnung entlang der Linie VII-VII
aus 6,
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8 einen
vergrößerten Längsschnitt durch
einen beispielhaften Innenläufermotor,
der mit einer erfindungsgemäßen Rotorstellungssensoranordnung
versehen ist, und
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9 einen
Schnitt entlang der Linie II-II aus 8 in vergrößertem Maßstab.
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In
der nachfolgenden Beschreibung beziehen sich die Begriffe links,
rechts, oben und unten auf die jeweilige Zeichnungsfigur und können in
Abhängigkeit
von einer jeweils gewählten
Ausrichtung (Hochformat oder Querformat) von einer Zeichnungsfigur
zur nächsten
variieren. Gleiche oder gleich wirkende Teile werden in den verschiedenen Figuren
mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nur einmal beschrieben.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm, welches die prinzipielle Funktionsweise einer
Vorrichtung 100 zum Betrieb eines ECM 120 mit
einer Rotorstellungssensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert.
Die Rotorstellungssensoranordnung ist einerseits zur Erzeugung von
Rotorstellungssignalen und andererseits zur Bestimmung von Absolutwerten für die Rotorstellung
des ECM 120 aus den erzeugten Rotorstellungssignalen ausgebildet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung 100 einen ECM 120 mit
einem Rotor 126, welcher einen Sensormagnet 128 (Sensor
Magnet) aufweist, und einem Stator 124 mit mindestens einem
Statorstrang. Dem ECM 120 ist eine Endstufe 122 (Power
Stage) zur Beeinflussung des Motorstroms in dem mindestens einen
Statorstrang des Stators 124 zugeordnet.
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Die
Vorrichtung 100 umfasst des Weiteren eine Steuerung 130 (Controller),
welche zweckmäßig als
Mikrocontroller ausgebildet ist, und welche mit dem ECM 120 verbunden
ist. Die Steuerung 130 umfasst eine Kommutierungssteuerung 160 (COMMUT) und
ist eingangsseitig mit mindestens einem Rotorstellungssensor 140 (Rotor
Position Sensor) verbunden, welcher dem ECM 120 zugeordnet
ist. Die Kommutierungssteuerung 160 erzeugt Kommutierungssignale
für die
Endstufe 122 des ECM 120 in Abhängigkeit
von Rotorstellungssignalen, welche von dem Rotorstellungssensor 140 bereitgestellt
werden.
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Die
Endstufe 122 umfasst des Weiteren eine Rotorstellungsauswertungseinrichtung 150 (Analyzer)
mit einer Normierungseinheit 156 (Normalizing), einer Mittelungseinheit 154 (Averaging)
und einer Verarbeitungseinheit 152 (Processing). Die Rotorstellungsauswertungseinrichtung 150 bildet
zusammen mit dem Rotorstellungssensor 140 und dem Sensormagneten 128 die
erfindungsgemäße Rotorstellungssensoranordnung.
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Der
Rotorstellungssensor 140 ist vorzugsweise ein analoger
Rotorstellungssensor. Die Erfindung ist hierbei jedoch nicht auf
einen bestimmten Rotorstellungssensortyp beschränkt, vielmehr können verschiedene
Arten von Rotorstellungssensoren verwendet werden. Beispielsweise
können
analoge Hallsensoren, wie z.B. analoge Hallsensoren vom Typ A1321,
AMR-Hallsensoren oder GMR- (Giant Magneto Resistor) Sensoren als
Rotorstellungssensoren Anwendung finden. Des Weiteren können auch programmierbare
Sensoren, wie z.B. Sensoren vom Typ Sentron 2SA-10, verwendet werden.
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Im
Betrieb der Vorrichtung 100 wird dem mindestens einen Statorstrang
des Stators 124 des ECM 120 eine Betriebsspannung
zugeführt.
Hierbei werden die durch den mindestens einen Statorstrang fließenden Ströme durch
die von der Kommutierungssteuerung 160 der Endstufe 122 bereit
gestellten Kommutierungssignale derart gesteuert, dass der Rotor 126 sich
mit einer bestimmten Drehzahl ω dreht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung bewirkt die Drehung des Rotors 126 eine Drehung
des Sensormagneten 128 mit derselben Drehzahl ω, mit der
sich der Rotor 126 dreht, wobei von dem Rotorstellungssensor 140 Rotorstellungssignale
erzeugt werden. Diese Rotorstellungssignale werden der Rotorstellungsauswertungseinrichtung 150 zugeführt, welche
dazu dient, zu jedem Zeitpunkt aus dem jeweiligen Rotorstellungssignal
einen entsprechenden Absolutwert für die Rotorstellung des Rotors 126 zu
bestimmen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung werden die Absolutwerte für die Rotorstellung des Rotors 126 von
der Kommutierungssteuerung 160 der Steuerung 130 bei
der Erzeugung von geeigneten Kommutierungssignalen verwendet, um eine
für eine
Drehung des Rotors 126 mit der bestimmten Drehzahl ω erforderliche
elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem mindestens einen
Statorstrang des Stators 124 und dem Rotor 126 zu
bewirken.
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Die
Funktionsweise der Vorrichtung 100 zur Bestimmung von Absolutwerten
für die
Rotorstellung des Rotors 126 wird unten stehend unter Bezugnahme
auf die 2 bis 9 weiter
beschrieben.
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2 zeigt
einen vergrößerten Längsschnitt durch
einen Außenläufermotor 200,
welcher zum Antrieb eines (nicht dargestellten) externen Bauteils, beispielsweise
eines Lüfterrades,
dient. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist der Motor 200 in
einem Gehäuse 202 angeordnet,
welches ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuseteil 204 aufweist,
an dessen oberem Ende ein Befestigungsflansch 206 durch mindestens
eine Schraube 205 befestigt ist.
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Der
Motor 200 hat einen Außenrotor 222 mit einer
Rotorglocke 224 aus Kunststoff, welche auf ihrer Innenseite
einen radial magnetisierten Rotormagneten 228 aufweist.
Der Rotormagnet 228 weist bevorzugt n Polpaare auf, wobei
n eine positive Ganzzahl (n = 1, 2, ...) ist.
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Die
Rotorglocke 224 ist mit einem Boden 230 versehen,
in dem ein unteres Wellenende 232 einer Rotorwelle 234 befestigt
ist, deren oberes, freies Wellenende mit 235 bezeichnet
ist. Mit dem oberen, freien Wellenende 235 kann das externe
Bauteil angetrieben werden. Deshalb wird das obere, freie Wellenende 235 nachfolgend
auch als das "Antriebsende" der Welle 234 bezeichnet.
Die Rotorglocke 224 und der Boden 230 sind vorzugsweise
einstückig ausgebildet,
wobei das untere Wellenende 232 durch Zamak-Spritzen in
dem Boden 230 befestigt werden kann. Das untere Wellenende 232 kann
ebenfalls zum Antrieb genutzt werden. Hierzu wird in dem Gehäuseteil 204 im
Bereich des unteren Wellenendes 232 eine – nicht
dargestellte – Öffnung angebracht. Ein
Vorteil der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
besteht darin, dass unabhängig
vom Motortyp keines der Wellenenden durch die Sensoranordnung belegt
wird.
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In
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Rotorwelle 234 fast
vollständig,
d.h. mit Ausnahme des Antriebsendes 235, in einem magnetisch
durchlässigen
Lagerrohr 238 gelagert, welches bevorzugt einstückig mit
der Befestigungsflansch 206 ausgebildet ist. Zur radialen
Lagerung der Welle 234 dienen ein an der A-Seite des Motors 200 angeordnetes
oberes Wälzlager 236 und
ein an der B-Seite des Motors 200 angeordnetes unteres Wälzlager 237.
Das obere Wälzlager 236 ist
in eine Ausnehmung 292 in der Befestigungsflansch 206 eingepresst
und wird dort von einem Haltering 293 gehalten, welcher
von einem Dichtring 295 abgedeckt wird. Das untere Wälzlager 237 ist
in einer Ausnehmung 294 am unteren Ende des Lagerrohres 238 durch
Einpressen befestigt und liegt mit seinem oberen Ende 240 (in 2)
gegen eine im Lagerrohr 238 angeordnete Druckfeder 242 an.
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Auf
der Außenseite
des Lagerrohres 238 ist der Innenstator 244 des
Motors 200 befestigt. Der Innenstator 244 umfasst
einen Statorträger 282 mit
einem Statorblechpaket 284 und einer Statorwicklung 286.
Am oberen Ende des Statorträgers 282 ist
eine Leiterplatte 246 angeordnet, welche über eine Schraube 299 an
dem Statorträger 282 befestigt
ist und zur Aufnahme der Motorelektronik dient.
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Auf
der Leiterplatte 246 ist beispielhaft eine Anschlussverbindung 272 dargestellt,
welche zum elektrischen Anschluss der Motorelektronik über biegsame
Einzelleitungen 273', 273'', 273'' und 273''' dient,
welche erfindungsgemäß in einer
Leitung 274 gebündelt
sind. Die Leitung 274 wird über eine Dichtung 276 aus
dem Gehäuseteil 204 geführt.
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Auf
der Leiterplatte 246, und somit im Bereich außerhalb
des Lagerrohrs 238, ist des Weiteren mindestens ein Rotorstellungssensor 248 angeordnet.
Dieser Rotorstellungssensor 248 dient zur Erzeugung von
Rotorstellungssignalen in Abhängigkeit von
der Drehstellung eines Magnetrings 250, welcher drehfest
auf der Rotorwelle 234 angeordnet ist und vorzugsweise
nicht lösbar
an dieser befestigt ist.
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Gemäß 2 ist
der Magnetring 250 in axialer Richtung der Rotorwelle 234 im
Wesentlichen auf gleicher Höhe
wie der Rotorstellungssensor 248 angeordnet. Des Weiteren
ist der Magnetring 250 in axialer Richtung der Welle 234 von
dem Rotormagnet 228 beabstandet, um eine Beeinflussung
des Rotorstellungssensors 248 bei der Erzeugung der Rotorstellungssignale
durch das Streufeld des Rotormagneten 228 zu verhindern.
Hierbei sind der Magnetring 250 und der Rotormagnet 228 vorzugsweise
derart relativ zueinander angeordnet, dass jeder Polübergang
des Magnetrings 250 einem Polübergang des Rotormagneten 228 entspricht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist der Magnetring 250 derart magnetisiert, dass
er maximal n Polpaare aufweist, wobei n wie oben beschrieben die
Anzahl der Polpaare des Rotormagneten 228 ist. Hierbei
ist der Magnetring 250 vorzugsweise polorientiert magnetisiert,
d.h. diametral oder sinusförmig,
so dass sich an seinem äußeren Umfang
ein im Wesentlichen sinusförmiger magnetischer
Flussverlauf ergibt.
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Die
Anzahl und Anordnung des bzw. der Rotorstellungssensoren 248 ist
auf die Anzahl und Magnetisierung der Polpaare des Magnetrings 250 abgestimmt,
um die Eindeutigkeit der Rotorstellungssignale für die Steuerung der Bestromung
der Statorwicklung 286 zu gewährleisten. Beispielsweise sind bei
der Verwendung von zwei analogen Hallsensoren diese erfindungsgemäß in einem
Abstand von 90° el. zueinander
angeordnet. Für
den Fall, dass der Magnetring 250 hierbei nur ein Polpaar
aufweist, müssen die
Hallsensoren somit in einem Abstand von 90° mech. zueinander angeordnet
sein. Bei einem Magnetring 250 mit zwei Polpaaren ergibt
sich für
die Hallsensoren ein Abstand von 45° mech., usw. Der Abstand des
bzw. der Rotorstellungssensoren 248 von dem Magnetring 250 kann
in Abhängigkeit
von der Magnetisierung des Magnetrings 250 über einen relativ
großen
Luftspalt mehr als 10 mm betragen.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, schließt der Rotormagnet 228 an
seiner Ober- und Unterseite mit den oberen bzw. unteren Seiten der
Statorwicklung 286 ab. Allerdings kann hierdurch an dem
mindestens einen Rotorstellungssensor 248 das Streufeld des
Rotormagneten 228 wirken und somit das Rotorstellungssignal
verfälschen.
Um nun eine Beeinflussung des mindestens einen Rotorstellungssensors 248 bei
der Erzeugung der Rotorstellungssignale durch das Streufeld des
Rotormagneten 228 zu verhindern, kann der Rotormagnet 228 alternativ
in seiner Höhe
derart verkürzt
werden, dass seine Ober- und Unterseite mit den oberen bzw. unteren
Seiten des Statorblechpakets 284 abschließen.
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Das
Lagerrohr 238 muss so ausgebildet sein, dass es die Messung
des durch den Sensormagneten 250 erzeugten Magnetfelds
am Ort des Rotorstellungssensors 248 außerhalb des Lagerrohrs ermöglicht.
Hierzu ist es bevorzugt zumindest im Bereich zwischen dem Rotorstellungssensor 248 und dem
Sensormagneten 250 aus einem magnetisch durchlässigen Material
ausgebildet.
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Arbeitsweise
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Im
Betrieb des Außenläufermotors 200 wird eine
Versorgungsspannung zur Bestromung der Statorwicklung 286 an
eine dem Motor 200 zugeordnete Endstufe, z.B. die Endstufe 122 von 1,
angelegt. Die Versorgungsspannung ist vorzugsweise eine im Wesentlichen
konstante Gleichspannung, welche von einem Netzgerät oder einer
Batterie erzeugt wird, und durch die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen
der Statorwicklung 286 und dem Rotormagneten 228 in
Drehungen des Außenrotors 222,
und somit der Rotorwelle 234 und des Magnetrings 250, umgewandelt
wird.
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Bei
der Drehung des Magnetrings 250 ändert sich in Abhängigkeit
vom magnetischen Flussverlauf am äußeren Umfang des Magnetrings 250 kontinuierlich
das auf den Rotorstellungssensor 248 wirkende Magnetfeld,
sodass der Rotorstellungssensor 248 sinus- bzw. kosinusförmige Rotorstellungssignale
erzeugt. Aus diesen Rotorstellungssignalen werden erfindungsgemäß Absolutwerte
für die
Rotorstellung des Außenrotors 222 bestimmt.
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Zur
Bestimmung der Absolutwerte werden die Rotorstellungssignale bevorzugt
periodenweise oder durch Periodenmittelwerte normiert, damit Abweichungen
der Rotorstellungssignale von entsprechenden Sollwerten nicht zu
Fehlern bei der Berechnung des Rotorstellungswinkels führen. Dieser
Normierungsschritt wird von einer geeigneten Normierungseinheit,
z.B. der Normierungseinheit 156 aus 1, durchgeführt. Die
normierten Rotorstellungssignale werden von einer Mittelungseinheit,
z.B. Mittelungseinheit 154 aus 1, gemittelt,
um die Messgenauigkeit zu vergrößern und
die Güte
der resultierenden Signale somit zu verbessern. Die resultierenden
Signale werden von einer Verarbeitungseinheit, z.B. Verarbeitungseinheit 152 aus 1,
in Absolutwerte für
den Rotorstellungswinkel und somit für die Rotorstellung des Außenrotors 222 umgewandelt.
Geeignete Aufbereitungsverfahren für die Rotorstellungssignale
sind beispielsweise in der WO 2004/059830 A2 beschrieben und werden
hier nicht näher
erläutert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung werden die Absolutwerte für die Rotorstellung des Außenrotors 222 zur
Erzeugung von Kommutierungssignalen, z.B. durch die Kommutierungssteuerung 160 der
Steuerung 130 aus 1, verwendet.
Die Kommutierungssignale dienen zur Steuerung der durch die Statorwicklung 286 fließenden Ströme. Vorteilhafterweise
ist hier keine Initialisierungsphase erforderlich, bei welcher der
Rotor 222 in einen definierten Ausgangszustand gedreht wird,
um eine anfängliche
Rotorstellung einem absoluten elektrischen Winkel des Rotormagneten 228 zuzuordnen,
welcher für
die Kommutierung erforderlich ist. Erfindungsgemäß ist zu jedem Zeitpunkt der Absolutwert
der Rotorstellung bekannt, sodass auch der absolute elektrische
Winkel des Rotormagneten 228, welcher zur Kommutierung
notwendig ist, jederzeit bekannt ist. Somit kann erfindungsgemäß auf die Initialisierungsphase
verzichtet werden, da zur Erzeugung der Kommutierungssignale auf
die Absolutwerte zurückgegriffen
wird.
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3 zeigt
einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des Außenläufermotors 200 mit
einem zweipoligen Magnetring 250 entlang der Linie I-I
aus 2 in vergrößertem Maßstab. Die
Anzahl n der Polpaare des Magnetrings 250 in 3 ist n
= 1. Der zweipolige Magnetring 250 ist, wie bei 2 beschrieben, drehfest
auf der Rotorwelle 234 und zumindest teilweise innerhalb
des Lagerrohrs 238 angeordnet.
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Wie
aus 3 klar ersichtlich ist, ist die Leiterplatte 246 beispielhaft
mit drei Schrauben 299', 299'', 299''', welche durch
entsprechende Bohrungen 310', 310'', 310'' durchgeführt sind,
an dem nicht sichtbaren Statorträger 282 befestigt.
Die auf der Oberseite der Leiterplatte (vgl. 2) angeordnete Motorelektronik
umfasst beispielhaft die Anschlussverbindung 272 und schematisch
dargestellte Leistungs-MOSFETs 320', 320'', 320'''.
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Des
Weiteren sind auf der Oberseite der Leiterplatte 246 zwei
Hallsensoren 248', 248'', z.B. analoge SMD-Hallsensoren,
in einem Winkel PHI zueinander angeordnet. Da der Magnetring 250 gemäß 3 zweipolig
ist, beträgt
dieser Winkel PHI wie oben beschrieben 90° el., so dass die beiden Hallsensoren
in einem Abstand von 90° mech.
zueinander angeordnet sind.
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Magnetrings 400,
welcher gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung zur Realisierung des Magnetrings 250 von
den 2 und 3 geeignet ist.
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Wie
aus 4 ersichtlich ist, hat der Magnetring 400 eine
im Wesentlichen zylindrische Form und ist diametral magnetisiert,
d.h. der Magnetring 400 weist ein Magnetpolpaar bzw. zwei
Magnetpole auf, einen Nordpol 410 (N) und einen Südpol 420 (S).
Der magnetische Flussverlauf zwischen dem Südpol 420 und dem Nordpol 410 ist
durch magnetische Feldlinien 430', 430'', 430''' dargestellt,
welche zur Verdeutlichung der diametralen Magnetisierung dienen.
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Es
wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Nordpol 410 und
der Südpol 420 des
Magnetrings 400 im Wesentlichen ein kugelförmiges Magnetfeld bilden.
Somit ergibt sich am äußeren Umfang
des Magnetrings 400 ein im Wesentlichen sinusförmiger magnetischer
Flussverlauf. Da die Ausrichtung des Magnetfeldes am äußeren Umfang
des Magnetrings 400 an jedem Magnetpol jeweils einen eindeutigen Rückschluss
auf die jeweilige Rotorstellung zulässt, beruht bei Verwendung
des Magnetrings 400 als Sensormagnet die Erzeugung von
geeigneten Rotorstellungssignalen durch die jeweils verwendeten
Rotorstellungssensoren, z.B. die Rotorstellungssensoren 248', 248'' von 3, bevorzugt
auf der Ausrichtung bzw. Richtung des Magnetfeldes. Hierbei muss der
Abstand zwischen den Rotorstellungssensoren 248', 248'' und dem Magnetring 400 geeignet
gewählt
werden.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung des Magnetfeldes eines beispielhaften
Magnetrings 500, welcher gemäß einer zweiten Ausführungsform zur
Realisierung des Magnetrings 250 von den 2 und 3 geeignet
ist.
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Gemäß 5 ist
der Magnetring 500 vierpolig ausgeführt und in einer Draufsicht
gezeigt. Dementsprechend weist Magnetring 500 zwei Magnetpolpaare
bzw. vier Magnetpole auf, zwei Nordpole 510, 520 (N)
und zwei Südpole 530, 540 (S).
Der Magnetring 500 ist erfindungsgemäß sinusförmig magnetisiert, sodass sich
am äußeren Umfang
des Magnetrings 500 ein im Wesentlichen sinusförmiger magnetischer
Flussverlauf ergibt. Der magnetische Flussverlauf zwischen den einzelnen
Magnetpolen des Magnetrings 500 ist durch entsprechende
magnetische Feldlinien angedeutet. Beispielsweise ist der magnetische
Flussverlauf zwischen dem Südpol 540 und
dem Nordpol 520 durch magnetische Feldlinien 550 abgebildet.
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Bei
Verwendung des Magnetrings 500 als Sensormagnet beruht
die Erzeugung von geeigneten Rotorstellungssignalen durch die jeweils
verwendeten Rotorstellungssensoren, z.B. die Rotorstellungssensoren 248', 248'' aus 3, bevorzugt
auf der Auswertung der Intensität
des Magnetfeldes. Hierbei ist der Abstand zwischen den Rotorstellungssensoren 248', 248'' und dem Magnetring 400 eher
unkritisch Der Magnetring 500 hat bevorzugt eine im Wesentlichen
zylindrische Form. Als Magnetwerkstoff ist beispielsweise Hartferrid-Compound
13/22p nach DIN 17 410 geeignet.
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6 zeigt
eine Draufsicht auf eine Sensormagnetringanordnung 69,
wie sie sowohl bei Innenläufern
als auch bei Außenläufern verwendet
werden kann, und 7 einen Schnitt durch die Sensormagnetringanordnung 69,
wobei die Sensormagnetringanordnung 69 auf einer Welle 87 angeordnet
ist. Die Sensormagnetringanordnung 69 weist den Sensormagneten 82 mit
den vier Sensorpolen 671, 672, 673 und 674,
einen Metallring 107 und einen die Sensorpole 671 bis 674 mit
dem Metallring 107 verbindenden Kunststoffring 109 auf.
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Der
Metallring 107 sitzt auf der Welle 87 und ist
mit dieser drehfest verbunden. Bevorzugt wird für den Metallring 107 Messing
verwendet. Der Kunststoff 109 wird beispielsweise über ein
Spritzgussverfahren zwischen den Metallring 107 und den
Sensormagneten 82 gebracht, um diese zu verbinden und gleichzeitig
einen Ausgleich für
durch thermische Ausdehnung entstehende Spannungen zu ermöglichen,
die ansonsten zu einer Sprengung des Sensormagneten 82 führen könnten.
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Der
Außendurchmesser
des Sensormagneten 82 ist mit 112 bezeichnet,
und er beträgt
beispielsweise 37 mm. Der Außendurchmesser
liegt bevorzugt im Bereich 15 mm bis 50 mm, weiter bevorzugt im
Bereich 20 bis 40 mm.
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Der
Innendurchmesser des Sensormagneten 82 bzw. der Außendurchmesser
des Kunststoffrings 109 ist mit 110 bezeichnet.
Die Länge 110 beträgt beispielsweise
27 mm.
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Der
Innendurchmesser des Kunststoffrings 109 bzw. der Außendurchmesser
des Metallrings 107 ist mit 108 bezeichnet. Die
Länge 108 beträgt beispielsweise
20 mm.
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Der
Durchmesser der Welle 87 ist mit 114 bezeichnet,
und er beträgt
beispielsweise 8 mm. Bevorzugte Werte für den Durchmesser 114 der
Welle liegen im Bereich 5 mm bis 15 mm, es sind jedoch je nach Motorgröße größere und
kleinere Durchmesser möglich.
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Der
Innendurchmesser des Metallrings 107 ist bevorzugt so gewählt, dass
eine gute Verbindung mit der Welle 87 entsteht. Die Verwendung
eines inneren Metallrings 107 ist vorteilhaft, da der Sensormagnet 82 in
einer oder mehreren Standardgrößen gefertigt
werden kann und die Anpassung des Sensormagnetrings 69 an
die Welle 87 über
eine in der Herstellung günstige Änderung
des Innendurchmessers 114 des Metallrings 107 erfolgen
kann.
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Die
Breite des Magnetmaterials 71 bis 74 ist mit 116 bezeichnet,
und die Breite 116 für
einen Sensormagneten beträgt
beispielsweise 7 mm. Die Breite für einen reinen Sensormagneten,
der also nicht gleichzeitig als Rotormagnet dient, liegt bevorzugt
im Bereich 3 mm bis 20 mm, weiter bevorzugt im Bereich 5 mm bis
15 mm, und besonders bevorzugt im Bereich 6 mm bis 12 mm.
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Die
Sensorpolzahl SP beträgt
bevorzugt SP = 2, 4, 6 oder 8 und besonders bevorzugt SP = 2 oder 4.
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In
Anwendungsfällen,
in denen der Sensormagnetring 69 in einer korrosiven Umgebung
angeordnet ist, kann der Sensormagnet 82 zusätzlich von einem – bevorzugt
magnetisch nichtleitenden – korrosionsbeständigen Material
umgeben werden. So ist es beispielsweise möglich, den Sensormagneten in magnetisch
nichtleitendem Edelstahl einzuschweißen. Mit einem solchen Sensormagnetring 69 kann beispielsweise
ein Nassläufer
realisiert werden, bei dem die Welle von Kühlflüssigkeit umgeben ist.
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8 zeigt
einen vergrößerten Längsschnitt durch
einen elektronisch kommutierten Innenläufermotor 20, welcher
zum Antrieb eines (nicht dargestellten) externen Bauteils, beispielsweise
eines Lüfterrades,
dient. Der Innenläufermotor 20 hat
ein Gehäuse 22,
welches ein zylindrisches Gehäuseteil 24, ein
A-Lagerschild 26 sowie einen Befestigungsflansch 29 auf
der A-Seite des Motors 20, und ein B-Lagerschild 66 sowie
einen Gehäusedeckel 17 auf der
B-Seite des Motors 20 aufweist.
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Im
zylindrischen Gehäuseteil 24 ist
das Blechpaket eines Außenstators 28 angeordnet,
dessen Wickelköpfe
bei 30 und 32 angedeutet sind. Der Stator 28 hat
eine Innenausnehmung 34, in der ein Rotor 36 mit
einem Rotormagnet 38 auf einer Rotorwelle 40 angeordnet
ist, deren Antriebsende mit 42 und deren inneres Wellenende
mit 44 bezeichnet ist. Der Rotormagnet hat erfindungsgemäß n Polpaare, wobei
n eine positive Ganzzahl (n = 1, 2, ...) ist. Ein solcher Motor
kann auch als permanent erregte Synchron-Innenläufermaschine bezeichnet werden.
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Im
rechten, offenen Ende des zylindrischen Gehäuseteils 24 ist das
B-Lagerschild 66 befestigt. Dieses hat eine Ausnehmung 68 für ein Wälzlager 72 mit
einem Außenring 70 und
einem Innenring 74. Der Innenring 74 ist auf dem
Wellenende 44 befestigt. Hierzu hat die Rotorwelle 40 einen
Ringbund 78, mit dessen rechter Schulter sie gegen die
linke Seite des Innenrings 74 anliegt. Gegen seine rechte
Seite liegt ein Formstück 80 an,
das durch den Senkkopf 81 eines Halteglieds 10 in
Richtung zur Rotorwelle 40 gepresst wird und das etwa ringförmig ausgebildet
ist. Das Formstück 80 dient
zur Fixierung des Innenrings 74 auf der Rotorwelle 40.
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Zum
sicheren Einspannen des Außenrings 70 dient
ein flaches, ringförmiges
Teil 90, das durch eine Mehrzahl von Schrauben 92,
bevorzugt drei gleichmäßig verteilte
Schrauben, an seiner äußeren Peripherie
am B-Lagerschild 66 befestigt ist und das mit seinem radial
inneren Teil 94 gegen den Außenring 70 anliegt
und diesen nach links presst. (Die Ausnehmung 68 ist etwas
kürzer
als der Außenring 70.)
Im A-Lagerschild 26 ist in üblicher Weise eine Dichtung 46 für die Rotorwelle 40 vorgesehen.
Ferner befindet sich dort eine Ausnehmung 48, in der ein Ring 50 befestigt
ist. Der Ring 50 umgibt einen Außenring 55 eines Wälzlagers 54.
Der Innenring 60 des Wälzlagers 54 ist
auf die Rotorwelle 40 aufgepresst.
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An
dem A-Lagerschild 26 ist des Weiteren eine Leiterplatte 86 befestigt,
welche im Wesentlichen parallel zur Rotorwelle 40 angeordnet
ist. Auf der Unterseite der Leiterplatte 86 befindet sich
mindestens ein Rotorstellungssensor 84, welcher zur Erzeugung
von Rotorstellungssignalen in Abhängigkeit von der Drehstellung
eines Magnetrings 82 dient. Der Magnetring 82 ist
vorzugsweise zwischen dem Wälzlager 54 und
dem Antriebsende 42 drehfest auf der Rotorwelle 40 angeordnet
und vorzugsweise nicht lösbar
mit der Welle 40 verbunden. Des Weiteren ist der Magnetring 82 bevorzugt
derart magnetisiert, dass er maximal n Polpaare hat, wobei n die
Polpaarzahl des Rotormagneten 38 ist, und sich an seinem Umfang 83 ein
im Wesentlichen sinusförmiger
magnetischer Flussverlauf ergibt.
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Gemäß 8 ist
der Magnetring 82 in axialer Richtung der Rotorwelle 40 im
Wesentlichen auf gleicher Höhe
wie der mindestens eine Rotorstellungssensor 84 angeordnet.
Des Weiteren ist der Magnetring 82 bevorzugt in axialer
Richtung der Welle 40 von dem Rotormagnet 38 beabstandet,
um eine Beeinflussung des Rotorstellungssensors 84 bei
der Erzeugung der Rotorstellungssignale durch das Streufeld des
Rotormagneten 38 zu verhindern. Hierbei sind der Magnetring 82 und
der Rotormagnet 38 vorzugsweise derart relativ zueinander
angeordnet, dass jeder Polübergang
des Magnetrings 82 einem Polübergang des Rotormagneten 38 entspricht.
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Die
Anordnung des bzw. der Rotorstellungssensoren 84 ist auf
die Anzahl und Magnetisierung der Polpaare des Magnetrings 82 abgestimmt,
um die Eindeutigkeit der Rotorstellungssignale für die Steuerung der Bestromung
des Stators 28 zu gewährleisten.
Beispielsweise sind bei der Verwendung von zwei analogen Hallsensoren
diese erfindungsgemäß in einem
Abstand von 90° el.
zueinander angeordnet. Für
den Fall, dass der Magnetring 82 hierbei nur ein Polpaar
aufweist, müssen
die Hallsensoren somit in einem Abstand von 90° mech. zueinander angeordnet
sein. Bei einem Magnetring 82 mit zwei Polpaaren ergibt
sich für
die Hallsensoren ein Abstand von 45° mech., usw. Der Abstand des
bzw. der Rotorstellungssensoren 84 von dem Magnetring 82 kann
in Abhängigkeit
von der Magnetisierung des Magnetrings 82 erfindungsgemäß über einen
relativ großen
Luftspalt mehr als 10 mm betragen. Der Aufbau und die Magnetisierung
des Magnetrings 82 ist analog zu den bei den 4 bis 7 beschriebenen
Ausführungsformen
und wird deshalb hier nicht weiter beschrieben.
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Die
Arbeitsweise des Innenläufermotors 20 ist
analog zu der Arbeitsweise des Außenläufermotors 200 aus 2.
Die Steuerung der Kommutierung sowie die Erzeugung von Rotorstellungssignalen
und die Bestimmung von Absolutwerten für die Rotorstellung des Rotors 36 des
Innenläufermotors 20 erfolgen
ebenfalls analog zu denjenigen des Außenläufermotors 200 aus 2.
Deshalb werden die Arbeitsweise des Innenläufermotors 20, die
Steuerung der Kommutierung, sowie die Erzeugung von Rotorstellungssignalen
und die Bestimmung von Absolutwerten für den Innenläufermotor 20 hier
nicht weiter beschrieben.
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9 zeigt
einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des Innenläufermotors 20 mit einem
vierpoligen Magnetring 82 entlang der Linie II-II in
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8 in
vergrößertem Maßstab. Die
Anzahl n der Polpaare des Magnetrings 82 in 9 ist
n = 2. Der vierpolige Magnetring 82 ist, wie bei 8 beschrieben,
zwischen dem Antriebsende 42 und dem A-Lagerschild 26 drehfest
auf der Rotorwelle 40 angeordnet.
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Wie
aus 9 klar ersichtlich ist, sind die Ober- und Unterseite
der Leiterplatte 86 im Wesentlichen parallel zur axialen
Ausrichtung der Rotorwelle 40 angeordnet und an dem A-Lagerschild 26 befestigt.
Auf der Unterseite der Leiterplatte 86 sind beispielhaft
zwei Rotorstellungssensoren 84', 84'' vorgesehen.
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Im
Folgenden werden beispielhafte Werte für einzelne Komponenten des
Innenläufermotors 20 mit dem
vierpoligen Magnetring 82 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
angegeben:
Abstand D (Unterseite Leiterplatte 86 zu
Außenseite Magnetring 82):
10 mm
Abstand H (Mitte Sensor 84' zu Mitte Sensor 84'', Sensortyp: SMD-Hall): 19 mm
Winkel
PHI (Sensor 84' zu
Sensor 84''):90° el. bzw. 45° mech.
Durchmesser
Rotorwelle 40: 6 mm
Durchmesser Magnetring 82:
36,6 mm
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Naturgemäß sind im
Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen
möglich.