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Die
Erfindung betrifft eine Läuferanordnung für eine elektrische
Maschine, insbesondere einen Synchronmotor, mit einem integrierten
Lagedetektor zur Bestimmung der absoluten Winkellage der Läuferanordnung,
eine elektrische Maschine, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer
Läuferanordnung.
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Zur
Bestimmung einer absoluten Winkellage eines rotatorischen Läufers (Rotor)
werden elektrische Maschinen mit integrierten Lagedetektoren versehen.
Bei solchen Lagedetektoren sind zwei bezüglich des Läufers zueinander vorzugsweise
um 90° versetzte
Magnetfeldsensoren, wie beispielsweise Hall-Sensoren oder AMR-Sensoren
(AMR: anisotroper Magnetowiderstand) so angeordnet, dass abhängig von
der Winkellage des Läufers
der elektrischen Maschine eine damit gekoppelte Anordnung von Permanentmagneten
verschiedene magnetische Flussdichten durch die beiden Magnetfeldsensoren
erzeugt. Die Permanentmagnete werden üblicherweise separat gefertigt
und an der Welle des Läufers
fixiert. Die Geberradanordnung ist in der Regel zweipolig, d. h.
sie weist einen Nordpol und einen Südpol auf, die nach außen, d.
h. in radialer Richtung, bezüglich
des Läufers
ausgerichtet sind. Dabei ist die Anordnung der Magnetpole so, dass
ein Bereich von 180° einem magnetischen
Nordpol und ein Bereich von 180° einem
magnetischen Südpol
entspricht, wenn die absolute Winkellage über die gesamten 360° einer vollständigen Umdrehung
des Läufers
detektiert werden soll.
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Die
Magnetfeldsensoren detektieren somit je nach Lage des Läufers eine
bestimmte Flussdichte, wobei sich die absolute Winkellage aus dem
Arcustangens des Verhältnisses
der Sensorsignale bei normierten Amplituden der Sensorsignale ergibt.
Dadurch kann eine absolute lineare Winkelposition des Läufers ermittelt
werden.
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Zur
Ansteuerung einer Synchronmaschine ist die Kenntnis der Winkellage
des Läufers
notwendig, um die Statorspulen ordnungsgemäß ansteuern zu können. Um
sicherzustellen, dass die absolute Winkellage des Läufers der
gemessenen Winkellage entspricht, muss die Magnetanordnung bezüglich des
Läufers
in vordefinierter Weise gekoppelt werden, was einen aufwändigen Justageschritt
bei der Fertigung einer solchen elektrischen Maschine erforderlich
macht. Dies ist nachteilig und erhöht die Kosten bei der Herstellung
eines solchen Synchronmotors.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Läuferanordnung,
eine elektrische Maschine und ein Verfahren zur Herstellung einer
Läuferanordnung
zur Verfügung
zu stellen, wobei in einfacher Weise sichergestellt werden kann,
dass die Permanentmagnetanordnung (Geberradanordnung) in vordefinierter
Weise an dem Läufer
gekoppelt ist, um dessen absolute Winkelposition stets exakt mit den
entsprechenden Magnetfeldsensoren zu detektieren.
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Diese
Aufgabe wird durch die Läuferanordnung
gemäß Anspruch
1 sowie, durch die elektrische Maschine bzw. durch das Verfahren
zum Herstellen einer elektrischen Maschine gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt ist eine Läuferanordnung
für eine
elektrische Maschine, insbesondere einen permanentmagneterregten
Synchronmotor, vorgesehen. Die Läuferanordnung
umfasst eine Welle sowie einen ersten Abschnitt der Läuferanordnung
und einen davon magnetisch entkoppelten zweiten Abschnitt der Läuferanordnung,
die mit gleichartigen aufeinander gestapelten magnetischen Plattenelementen
ausgebildet sind, wobei die Plattenelemente Strukturen zur Aufnahme
von Permanentmagneten aufweisen, und wobei die Plattenelemente des
ersten und zweiten Abschnittes an der Welle so ausgerichtet angebracht
sind, dass die Strukturen bezüglich
einer axialen Richtung der Welle übereinander angeordnet sind.
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Die
Läuferanordnung
hat den Vorteil, dass sie einfach herstellbar ist, da sowohl zum
Aufbau des Antriebsteils als der erste Abschnitt als auch zum Aufbau
des Geberrades als der zweite Abschnitt gleichartige Plattenelemente
verwendet werden. Darüber
hinaus kann ein gleichartiger Montageprozess zum Aufbau der Läuferanordnung
verwendet werden, wodurch gewährleistet
wird, dass die Ausrichtung der Plattenelemente sowohl für den ersten Bereich
als auch für
den zweiten Bereich identisch ist.
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Weiterhin
können
der erste Abschnitt des Läufers
und der zweite Abschnitt des Läufers
voneinander durch einen Bereich separiert sein, der aus einem amagnetischen
Material gefertigt ist, so dass keine magnetische Kopplung zwischen
den Abschnitten auftreten kann, die die Detektion der Winkellage
störend
beeinflusst.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung können
die Strukturen der aufeinander gestapelten Plattenelemente Aufnahmen
bilden, in denen Permanentmagnete aufgenommen sind. Auf diese Weise
lässt sich
eine Läuferanordnung
mit vergrabenen Permanentmagneten realisieren.
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Weiterhin
können
die Strukturen der Plattenelemente die Aufnahme einer geraden Anzahl
von Permanentmagneten ermöglichen,
wobei in dem ersten Abschnitt jeweils benachbarte Permanentmagnete
eine zueinander entgegen gesetzte Polung aufweisen und in dem zweiten
Abschnitt jeweils eine Hälfte der
Permanentmagnete, die einander benachbart sind, eine gleiche Polung
aufweisen.
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Weiterhin
können
die Plattenelemente an der Welle formschlüssig oder kraftschlüssig gehalten sein,
um eine permanente Fixierung der Plattenelemente zu erreichen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist eine elektrische Maschine mit
der obigen Läuferanordnung
vorgesehen, die ihrem ersten Abschnitt innerhalb einer Statoranordnung
drehbar angeordnet ist.
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Weiterhin
können
zwei Magnetfeldsensoren vorgesehen sein, die um den zweiten Abschnitt
der Läuferanordnung
angeordnet sind, wodurch eine Lagedetektor gebildet wird. Insbesondere
können
dazu zwei Magnetfeldsensoren zueinander in einem Winkel von 90° bezüglich der
Mittenachse der Läuferanordnung
angeordnet sein.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung
einer Läuferanordnung
für eine
elektrische Maschine, insbesondere einen permanentmagneterregten
Synchronmotor, vorgesehen. Das Verfahren umfasst ein erstes Aufbringen
von einem oder mehreren gleichartigen Plattenelementen in axialer
Richtung auf eine Welle in einer bestimmten Ausrichtung, so dass
ein erster Abschnitt gebildet wird, und ein zweites Aufbringen von einem
oder mehreren weiteren der gleichartigen Plattenelemente in axialer
Richtung auf der Welle in der bestimmten Ausrichtung, so dass ein
davon magnetisch entkoppelter zweiter Abschnitt gebildet wird. Das
erste und das zweite Aufbringen werden so durchgeführt, dass
Strukturen aller gleichartiger Plattenelemente so in axialer Richtung übereinander
angeordnet sind, dass in axialer Richtung übereinander angeordnete Aufnahmen
für Permanentmagnete
in dem ersten Abschnitt und zweiten Abschnitt gebildet werden. Durch
dieses Verfahren zur Herstellung einer Läuferanordnung können die
oben genannten Vorteile realisiert werden.
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Weiterhin
können
zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt ein amagnetischer Bereich
auf der Welle aufgebracht werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
können
die Strukturen der aufeinander gestapelten Plattenelemente Aufnahmen
bilden, in denen Permanentmagnete eingesetzt werden.
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Weiterhin
können
die Strukturen der Plattenelemente die Aufnahme einer geraden Anzahl
von Permanentmagneten ermöglichen,
wobei die Permanentmagnete in die Aufnahmen des ersten Abschnittes
eingesetzt werden, dass in dem ersten Abschnitt jeweils benachbarte
Permanentmagnete eine zueinander entgegen gesetzte Polung aufweisen,
und wobei die Permanentmagnete in die Aufnahmen des zweiten Abschnittes
eingesetzt werden, dass in dem zweiten Abschnitt jeweils eine Hälfte der
Permanentmagnete, die einander benachbart sind, eine gleiche Polung
aufweisen. Insbesondere können
die Plattenelemente formschlüssig
oder kraftschlüssig
an der Welle angebracht werden.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Lagedetektors zur Detektion einer absoluten
Winkellage im Bereich von 360°;
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2 Signalverläufe der
einzelnen Magnetfeldsensoren der
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1 und
der daraus errechnete Winkellagewert in einer Diagrammdarstellung;
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3 eine
Schnittdarstellung durch einen Synchronmotor entlang einer Achsrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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4 eine
Ansicht des Rotors des Synchronmotors der 3;
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5 eine
Draufsicht auf eine Stirnseite (Sensorseite) des Rotors des Synchronmotors
in axialer Richtung;
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6 eine
Draufsicht auf eine Stirnseite (Antriebsseite) des Rotors des Synchronmotors
in axialer Richtung.
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Gleiche
Bezugszeichen bezeichnen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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Bei
der Ansteuerung eines Synchronmotors ist die Kenntnis der absoluten
Winkellage essentiell. Bei der Herstellung eines Synchronmotors
werden daher in integrierter Weise Lagedetektoren in den Synchronmotor
eingebaut, wobei das entsprechende Geberrad in auf den Läufer des
Synchronmotors angepasste Ausrichtung an dem Läufer befestigt werden muss.
Dies erforderte bislang besondere Maßnahmen bei der Herstellung
eines solchen Synchronmotors, um die korrekte Ausrichtung des Geberrades sicherzustellen.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Querschnittes eines Lagedetektors
zum Einsatz in einer elektrischen Maschine, wie beispielsweise einem
Synchronmotor. Der Lagedetektor umfasst ein an der Welle des Läufers des
Synchronmotors angebrachtes Geberrad 1, das so mit einem
oder mehreren Magneten versehen ist, so dass sich in einem Bereich
von 180° des
Geberrades 1 ein magnetischer Nordpol N und den übrigen 180° des Geberrades 1 ein
magnetischer Südpol
S ergibt. Magnetfeldsensoren 2 sind mit gleichem Abstand
von dem Geberrad 1 angeordnet und bezüglich der Drehachse des Geberrades 1 in
einem Winkel von 90° zueinander
versetzt angeordnet.
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Die
Magnetfeldsensoren 2 können
beispielsweise als Hall-Sensoren
bzw. AMR-Sensoren ausgebildet sein und können so jeweils ein Sensorsignal abhängig von
der Stärke
des magnetischen Flusses durch eine Detektionsfläche des Magnetfeldsensors 2 bereitstellen.
Bei einer konstanten Drehung des Geberrades 1 ergibt sich
ein Sensorsignalverlauf, wie er in 2 dargestellt
ist. Die Ausgangssignale 3, 4 (S1, S2) der Magnetfeldsensoren 2 sind
sinusförmig
und zueinander um 90°,
d. h. π/2,
entsprechend der versetzten Anordnung der Magnetfeldsensoren 2 zueinander
Phasen verschoben. Bei Verwendung von gleichartigen Magnetfeldsensoren 2 und
gleichem Abstand von dem Geberrad 1 ergibt sich für beide
Ausgangssignale die gleiche Amplitude. Die absolute Winkellage 5 (WL)
lässt sich durch
den Arcustangens des Quotienten der Werte der normierten Ausgangssignale
ermitteln.
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Um
diese Schwierigkeit zu vermeiden und die Herstellung eines derartigen
Synchronmotors zu vereinfachen, kann der Synchronmotor wie in 3 und 4 gezeigt
aufgebaut werden. Bei dem Synchronmotor 10 der 1 ist
ein unterteilter Läufer 11 vorgesehen,
die einen ersten Abschnitt 12 und einen zweiten Abschnitt 13 aufweist,
die durch einen amagnetischen Bereich 14 voneinander separiert
sind. Der erste Abschnitt 12 beinhaltet die Rotoranordnung zum
Antreiben des Synchronmotors und verfügt über eine gerade Anzahl von
innen liegenden Taschen, die jeweils als Aufnahmen für einzelne
Permanentmagnete 15 dienen, die wechselweise in radialer
Richtung entgegengesetzt gepolt sind. D. h. jeweils zwei benachbarte
Permanentmagnete 15 weisen eine zueinander entgegen gesetzte
Polung auf. Die Taschen sind entlang einer Umfangslinie in konstantem
Abstand zueinander angeordnet.
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Der
erste Abschnitt 12 des Läufers 11 ist, wie in
der 4 dargestellt, mit gleichartigen Stanzelementen 16,
insbesondere aus Stanzblechen, als Plattenelemente aus einem magnetischen
Material zusammengesetzt, die so auf der Welle 17 angeordnet
werden, dass sie deckend aufeinander liegen. Auf diese Weise können in
die durch die Stanzelemente 16 gebildeten Taschen die Permanentmagnete 15 eingesetzt
werden. Die Stanzelemente 16 werden mit der Welle 17 fest
verbunden, so dass diese nicht gegen die Welle verrutschen können.
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Der
Läufer 11 befindet
sich im Inneren einer Statoranordnung 18, so dass im Bereich
der Statoranordnung 18 der erste Abschnitt 12 des
Läufers 11 angeordnet
ist. In axialer Richtung an den ersten Abschnitt 12 angrenzend
ist ein amagnetischer Bereich 14 auf der Welle 17 angebracht,
der im Wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der erste Bereich 12 aufweist.
Der Bereich 14 ist vorzugsweise aus einem amagnetischen
Material, wie z. B. einem Kunststoff oder dergleichen, gefertigt
und kann ebenso wie der erste Bereich aus flachen Elementen zusammengesetzt
sein oder einstückig
ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der amagnetische Bereich 14 abgesehen von
der Mittenöffnung
als Durchlaß für die Welle 17 ohne Öffnungen
in axialer Richtung ausgeführt.
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Der
zweite Abschnitt 13 bildet das Geberrad des Lagedetektors
und wird so an der Welle 17 angeordnet, dass er von dem
ersten Abschnitt 12 durch den amagnetischen Bereich 14 getrennt
ist. Der zweite Abschnitt 13 wird vorzugsweise in gleicher Weise
wie der erste Abschnitt 12 hergestellt. Dazu werden die
gleichen Stanzelemente 16, mit denen der erste Abschnitt 12 aufgebaut
ist, auch für
den Aufbau des zweiten Abschnitts 13 verwendet. 4 zeigt
einen Querschnitt durch den Läufer 11,
wobei erkennbar ist, dass sowohl der erste Abschnitt 12 als auch
der zweite Abschnitt 13 durch die Stanzelemente 16 zusammengesetzt
sind. Dabei kann durch eine geeignete Montagetechnik und/oder durch
eine geeignete Strukturierung der Welle 17 sichergestellt werden,
dass die Ausrichtung der Stanzelemente 16 sowohl in dem
ersten Abschnitt 12 als auch in dem zweiten Abschnitt 13 übereinstimmt,
d. h. die Verläufe
der Taschen in dem ersten Abschnitt 12 und dem zweiten
Abschnitt 13 in axialer Richtung stimmen überein.
Die in dem zweiten Abschnitt 13 gebildeten Taschen werden
dann mit weiteren Permanentmagneten 20 versehen, wobei
die weiteren Permanentmagnete 20 in den Taschen einer Hälfte (hinsichtlich der
Ebene rechtwinklig zur Achsrichtung) des zweiten Abschnittes 13 gleichgerichtet
sind und die weiteren Permanentmagnete 20 in den Taschen
der gegenüberliegenden
Hälfte
des zweiten Abschnittes 13 dazu eine entgegen gesetzte
Polung aufweisen. Somit kann aus den mehreren weiteren Permanentmagneten
ein Geberrad mit virtuell einem einzelnen Permanentmagneten geschaffen
werden, der im wesentlichen die Eigenschaften des Geberrads der 1 aufweist.
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An
dem durch den zweiten Abschnitt 13 gebildeten Geberrad
sind ein erster Magnetfeldsensor 21 und ein zweiter Magnetfeldsensor 22 in
bezüglich der
Mittenachse des Läufers 11 um
90° zueinander versetzten
Weise angeordnet. Die Magnetfeld sensoren 21, 22 ermitteln
aus dem von den weiteren Permanentmagneten 20 hervorgerufenen
Magnetfluß, wie
zuvor mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben,
die absolute Winkellage des Läufers 11.
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Die 5 und 6 zeigen
Ansichten auf die Stirnseiten des Läufers 11, wobei 5 die
Stirnseite des zweiten Abschnitts 13 darstellt, bei dem
jeweils vier zueinander benachbarte weitere Permanentmagnete 20 gleich
gepolt sind, d. h. in radialer Richtung nach außen den gleichen Magnetpol
aufweisen.
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Dagegen
zeigt 6 die Stirnansicht des ersten Abschnitts 12 des
Läufers 11,
wobei die Permanentmagneten 15 in den Taschen abwechselnd bezüglicher
ihrer radialen Richtung nach außen
entgegengesetzt gepolt sind.
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Die
Position der Standelemente 16 an der Welle 17 kann
durch Zähne 25 realisiert
werden, die am inneren Rand einer Mittenausnehmung 26 des Läufers 11 angeordnet
sind. Die Stanzelemente 16 können mithilfe dieser Zähne 25 auf
der Welle 17 durch Formschluss als auch durch Kraftschluss
in definierter Weise in einem geeigneten Montageprozess positioniert
werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Winkelposition der Taschen
in dem ersten Abschnitt 12 und dem zweiten Abschnitt 13 des
Läufers 11 zueinander
identisch sind, so dass keine weitere Anpassung der detektierten
absoluten Winkellage des Läufers
zur Berechnung der Steuersignale zum Betreiben des Synchronmotors
benötigt
werden, da die absolute Winkellage direkt als Eingangsgröße für die Motorsteuerung
verwendet werden kann. Anstelle der Zähne 25 können auch
andere Mittel zur positionsfesten Fixierung der Standelemente 16 an
der Welle 17 vorgesehen werden.
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Insbesondere
vorteilhaft ist bei der vorliegenden Erfindung, dass ein Synchronmotor
in kompakter Weise mit einem Lagedetektor versehen werden kann,
dessen Geberrad eine erhöhte
Sicherheit gegen Verdrehen gegenüber
dem Rotor des Synchronmotors aufweist.