DE102006032144A1 - Anordnung zur Erfassung der Rotorstellung in einem Elektromotor - Google Patents

Anordnung zur Erfassung der Rotorstellung in einem Elektromotor Download PDF

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Abstract

Elektromotor, welcher aufweist: einen Stator (244) mit einem Lagerrohr (238) aus einem magnetisch durchlässigen Material; einen Rotor (222) mit einer Rotorwelle (234), welche zumindest teilweise in dem Lagerrohr angeordnet ist, einen Magnetring (250), welcher drehfest auf der Welle und zumindest teilweise innerhalb des Lagerrohrs (238) angeordnet ist, mindestens einen Rotorstellungssensor (248) zur Erzeugung eines Rotorstellungssignals in Abhängigkeit von der Drehstellung des Magnetrings (250), wobei der mindestens eine Rotorstellungssensor außerhalb des Lagerrohrs (238) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung der Rotorstellung in einem Elektromotor.
  • 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.
  • Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Anordnung zur Erfassung der Rotorstellung in einem Elektromotor bereitzustellen.
  • 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.
  • Man erhält so einen Innenläufermotor mit einer Rotorstellungsanordnung, welche es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt den Absolutwert der Rotorstellung des Innenläufermotors präzise zu bestimmen.
  • 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.
  • Man erhält so einen Außenläufermotor mit einer Rotorstellungsanordnung, welche es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt den Absolutwert der Rotorstellung des Außenläufermotors präzise zu bestimmen.
  • 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:
  • 1 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführung eines ECM mit einer Rotorstellungssensoranordnung,
  • 2 einen vergrößerten Längsschnitt durch einen beispielhaften Außenläufermotor, der mit einer erfindungsgemäßen Rotorstellungssensoranordnung versehen ist,
  • 3 einen Schnitt entlang der Linie I-I in 2 in vergrößertem Maßstab,
  • 4 eine perspektivische Ansicht des zweipoligen Sensormagneten aus 2 und 3,
  • 5 eine schematische Darstellung des Magnetfeldes eines vierpoligen Sensormagneten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
  • 6 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Sensormagnetringanordnung,
  • 7 einen Schnitt durch die Sensormagnetringanordnung entlang der Linie VII-VII aus 6,
  • 8 einen vergrößerten Längsschnitt durch einen beispielhaften Innenläufermotor, der mit einer erfindungsgemäßen Rotorstellungssensoranordnung versehen ist, und
  • 9 einen Schnitt entlang der Linie II-II aus 8 in vergrößertem Maßstab.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Arbeitsweise
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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'''.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Innendurchmesser des Sensormagneten 82 bzw. der Außendurchmesser des Kunststoffrings 109 ist mit 110 bezeichnet. Die Länge 110 beträgt beispielsweise 27 mm.
  • Der Innendurchmesser des Kunststoffrings 109 bzw. der Außendurchmesser des Metallrings 107 ist mit 108 bezeichnet. Die Länge 108 beträgt beispielsweise 20 mm.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Sensorpolzahl SP beträgt bevorzugt SP = 2, 4, 6 oder 8 und besonders bevorzugt SP = 2 oder 4.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 9 zeigt einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des Innenläufermotors 20 mit einem vierpoligen Magnetring 82 entlang der Linie II-II in
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich.

Claims (35)

  1. Elektromotor, welcher aufweist: einen Stator; einen Rotor mit einer Rotorwelle und einem Rotormagnet mit n Polpaaren, wobei n eine positive Ganzzahl (n = 1, 2, ...) ist; einen drehfest auf der Welle angeordneten Magnetring, welcher derart magnetisiert ist, dass er maximal n Polpaare hat und sich an seinem Umfang ein im Wesentlichen sinusförmiger magnetischer Flussverlauf ergibt; mindestens einen Rotorstellungssensor zur Erzeugung eines eine Eigenschaft des magnetischen Flusses abbildenden und zur Bestimmung eines Absolutwerts der Rotorstellung geeigneten Rotorstellungssignals, wobei der Magnetring zumindest teilweise zwischen der Rotorwelle und dem mindestens einen Rotorstellungssensor angeordnet ist.
  2. Elektromotor nach Anspruch 1, bei welchem der Magnetring polorientiert magnetisiert ist.
  3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Magnetring und die Rotorwelle fest miteinander verbunden sind.
  4. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Magnetring in axialer Richtung der Welle von dem Rotormagnet beabstandet ist, um eine Beeinflussung des Rotorstellungssignals durch den magnetischen Fluss des Rotormagneten zu verhindern.
  5. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Rotorwelle ein freies Antriebsende zum Antrieb eines externen Bauteils aufweist, und wobei der Magnetring zwischen dem freien Antriebsende und dem Rotormagnet angeordnet ist.
  6. Elektromotor nach Anspruch 5, welcher in einem Gehäuse angeordnet ist, aus welchem das freie Antriebsende ragt, und wobei der Magnetring zwischen dem freien Antriebsende und dem Gehäuse angeordnet ist.
  7. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Magnetring und der Rotormagnet derart relativ zueinander angeordnet sind, dass jeder Polübergang des Magnetrings einem Polübergang des Rotormagneten entspricht.
  8. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Magnetring ein Polpaar (n = 1) aufweist, und welcher Elektromotor zwei Rotorstellungssensoren aufweist, welche in einem Abstand von 90° el. zueinander angeordnet sind.
  9. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem der Magnetring zwei Polpaare (n = 2) aufweist, und welcher Elektromotor zwei Rotorstellungssensoren aufweist, welche in einem Abstand von 45° el. zueinander angeordnet sind.
  10. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der mindestens eine Rotorstellungssensor als analoger Rotorstellungssensor ausgebildet ist.
  11. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher eine Rotorstellungsauswertungseinrichtung aufweist, welche als Absolutwertgeber für die Rotorstellung ausgebildet ist und dazu dient, zu jedem Zeitpunkt den Absolutwert der Rotorstellung aus dem Rotorstellungssignal zu bestimmen.
  12. Elektromotor nach Anspruch 11, welcher einen Mikroprozessor aufweist, welcher zumindest einen Teil der Rotorstellungsauswertungseinrichtung bildet.
  13. Elektromotor, welcher aufweist: einen Stator mit einem Lagerrohr, welches zumindest in einem Teilbereich aus einem magnetisch durchlässigen Material ausgebildet ist; einen Rotor mit einer Rotorwelle, welche zumindest teilweise in dem Lagerrohr angeordnet ist, einen Magnetring, welcher drehfest auf der Welle und zumindest teilweise innerhalb des Lagerrohrs angeordnet ist, mindestens einen Rotorstellungssensor zur Erzeugung eines Rotorstellungssignals in Abhängigkeit von der Drehstellung des Magnetrings, wobei der mindestens eine Rotorstellungssensor außerhalb des Lagerrohrs angeordnet ist.
  14. Elektromotor nach Anspruch 13, bei welchem der mindestens eine Rotorstellungssensor und der Magnetring in axialer Richtung der Rotorwelle auf gleicher Höhe angeordnet sind.
  15. Elektromotor nach Anspruch 13 oder 14, bei welchem der Magnetring zwischen der Rotorwelle und dem mindestens einen Rotorstellungssensor angeordnet ist.
  16. Elektromotor nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei welchem der Rotor einen Rotormagnet aufweist, welcher außerhalb des Lagerrohrs angeordnet ist.
  17. Elektromotor nach Anspruch 16, bei welchem der Rotormagnet n Polpaare aufweist, wobei n eine positive Ganzzahl (n = 1, 2, ...) ist, und der Magnetring derart magnetisiert ist, dass er maximal n Polpaare aufweist und sich an seinem Umfang ein im Wesentlichen sinusförmiger magnetischer Flussverlauf ergibt.
  18. Elektromotor nach Anspruch 17, bei welchem der Magnetring und der Rotormagnet derart relativ zueinander angeordnet sind, dass jeder Polübergang des Magnetrings einem Polübergang des Rotormagneten entspricht.
  19. Elektromotor nach Anspruch 17 oder 18, bei welchem der Magnetring ein Polpaar (n = 1) aufweist, und welcher Elektromotor zwei Rotorstellungssensoren aufweist, welche in einem Abstand von 90° el. zueinander angeordnet sind.
  20. Elektromotor nach Anspruch 17 oder 18, bei welchem der Magnetring zwei Polpaare (n = 2) aufweist, und welcher Elektromotor zwei Rotorstellungssensoren aufweist, welche in einem Abstand von 45° el. zueinander angeordnet sind.
  21. Elektromotor nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei welchem der mindestens eine Rotorstellungssensor als analoger Rotorstellungssensor ausgebildet ist.
  22. Elektromotor nach einem der Ansprüche 16 bis 21, bei welchem der Magnetring in axialer Richtung der Welle von dem Rotormagnet beabstandet ist, um eine Beeinflussung des Rotorstellungssignals durch den magnetischen Fluss des Rotormagneten zu verhindern.
  23. Elektromotor nach einem der Ansprüche 16 bis 22, welcher ein Gehäuse aufweist, wobei der Magnetring in einem ersten Bereich des Gehäuses angeordnet ist und der Rotormagnet in einem zweiten Bereich des Gehäuses angeordnet ist, wobei der erste und zweite Bereich durch eine Leiterplatte zur Aufnahme der Motorelektronik voneinander getrennt sind.
  24. Elektromotor nach Anspruch 23, wobei der mindestens eine Rotorstellungssensor auf der dem ersten Bereich zugewandten Seite der Leiterplatte ausgebildet ist.
  25. Elektromotor nach einem der Ansprüche 13 bis 24, bei welchem der Magnetring polorientiert magnetisiert ist.
  26. Elektromotor nach einem der Ansprüche 13 bis 25, bei welchem der Magnetring und die Rotorwelle nicht lösbar miteinander verbunden sind.
  27. Elektromotor nach einem der Ansprüche 13 bis 26, welcher eine Rotorstellungsauswertungseinrichtung aufweist, welche als Absolutwertgeber für die Rotorstellung ausgebildet ist und dazu dient, zu jedem Zeitpunkt den Absolutwert der Rotorstellung aus dem Rotorstellungssignal zu bestimmen.
  28. Elektromotor nach Anspruch 27, welcher einen Mikroprozessor aufweist, welcher zumindest einen Teil der Rotorstellungsauswertungseinrichtung bildet.
  29. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zwischen der Welle (87) und dem Magnetring (82) ein elastischer Bereich (109) angeordnet ist, um eine thermische Ausdehnung zu ermöglichen.
  30. Elektromotor nach Anspruch 29, bei welchem zwischen dem elastischen Bereich (109) und der Welle (87) ein Metallring (107) angeordnet ist.
  31. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Breite (116) des Magnetrings (82) im Bereich von 3 mm bis 20 mm liegt.
  32. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Breite (116) des Magnetrings (82) im Bereich von 5 mm bis 15 mm liegt.
  33. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Außendurchmesser (112) des Magnetrings (82) im Bereich von 15 mm bis 50 mm liegt.
  34. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Außendurchmesser (112) des Magnetrings (82) im Bereich von 20 mm bis 40 mm liegt.
  35. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Polpaarzahl des Magnetrings (82) den Wert 1, 2, 3 oder 4 hat.
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