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Die
Erfindung bezieht sich auf elektrische Drehfeldmaschinen, die eine
Einrichtung zur Messung des Drehwinkels zwischen dem Stator und
dem Rotor aufweisen, und insbesondere auf bürstenlose Gleichstrommotoren
für Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik.
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In
einigen Typen von elektrischen Drehfeldmaschinen ist es notwendig
oder nützlich, die relative Winkelstellung des Rotors gegenüber
dem Stator bestimmen zu können. Aus dem festgestellten
Drehwinkel kann eine geeignete Schaltung beispielsweise die Zeitpunkte
für das Ein- und Ausschalten von bestimmten Wicklungen
der Drehfeldmaschine ableiten, sodass der Rotor sich in der gewünschten
Weise bezüglich des Stators dreht. Beispielsweise können die
Schaltzeitpunkte so bemessen sein, dass der Rotor sich mit einer
gewünschten, vorab festgelegten Drehzahl dreht.
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Der
Drehwinkel des Rotors kann dabei elektromagnetisch über
einen mehrpoligen Sensormagneten und mindestens einem Hall-IC erfasst
werden.
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Bei
gebräuchlichen Systemen liegt das Senorsystem vor oder
hinter der Lagerebene und der Sensormagnet ist oft mittels Rückschlussring
und einer nicht magnetischen Kappe komplett umschlossen. Bei einer
solchen Anordnung des Sensorsystems vergrößert
sich die Baulänge des Motors, um das Sensorsystem aufzunehmen.
Häufig ist der Sensormagnet direkt an der Rotorwelle befestigt.
Dies ist zwar vorteilhaft in Bezug auf die radiale Ausdehnung des
Motors und der Drehmassenverteilung, führt jedoch dazu,
dass die Segmentbreitenvarianz der Magnetpole am Sensormagnet und
die fertigungstoleranzbedingte Positionsabweichung des Hall-ICs
einen relativ großen Einfluss auf die Genauigkeit der Drehwinkelbestimmung
haben.
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Die
französische Patentanmeldung
FR 2 807 231 A1 zeigt eine elektrische Maschine
mit einer Sensoranordnung, die sich nur geringfügig auf
die Baulänge des Motors auswirkt und die eine größere Genauigkeit
der Drehwinkelbestimmung ermöglicht. Dabei ist die Sensoranordnung
außerhalb eines Gehäuses der Drehfeldmaschine
angebracht, wodurch das innerhalb des Gehäuses vorherrschende
Statormagnetfeld weitgehend vom Magnetfeldsensor abgeschirmt ist.
Daher wird die Drehwinkelbestimmung kaum von dem Statordrehfeld
verfälscht. Durch die Anbringung der Sensoranordnung außerhalb
des Gehäuses ist die Sensoranordnung jedoch möglicherweise
erhöhter Verschmutzung ausgesetzt.
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Die
vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Drehfeldmaschine mit
einer Sensoranordnung bereitzustellen, die den Stand der Technik
hinsichtlich kompakter Bauweise und/oder Schutz der Sensoranordnung
vor Verschmutzung verbessert. Diese Aufgabe wird nach Maßgabe
der Erfindung durch eine elektrische Drehfeldmaschine gelöst,
die ein Motorgehäuse, einen Stator, einen Rotor, ein Lager und
einen Positionssensor umfasst. Das Lager ist zur drehbaren Lagerung
des Rotors am Stator bezüglich einer Drehachse vorgesehen.
Der Positionssensor ist innerhalb des Gehäuses angeordnet
und zur Erfassung einer relativen Position des Rotors bezüglich des
Stators vorgesehen. Das Lager und der Positionssensor sind im Wesentlichen
in einer zu der Drehachse senkrechten Ebene angeordnet. Dadurch dass
der Positionssensor im Bereich der Lagerebene liegt, wird die Baulänge
des Motors reduziert, wodurch wiederum der erforderliche Bauraum
der Drehfeldmaschinen geringer wird. Der Positionssensor ist wegen
seiner Anordnung innerhalb des Motorgehäuses vor äußeren
Verschmutzungseinwirkungen geschützt.
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Der
Positionssensor kann in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse
weiter außen als das Lager angeordnet sein. Im Falle eines
Hall-Effekt-Positionssensors mit Ringmagnet bedeutet dies, dass
der Innendurchmesser des Sensormagneten auf einem größeren
Durchmesser liegt als bei üblichen Sensorsystemen. Dadurch
haben die Segmentbreitenvarianz der Magnetpole am Sensormagnet und
die Positionsabweichung des Hall-ICs einen geringeren Einfluss auf
die Leistung des Motors und dies führt in der Folge auch
zu einer verbesserten Produktqualität des Motors, sowie
geringerer Streuung der Motorparameter.
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Der
Positionssensor kann eine statorseitige Komponente und eine rotorseitige
Komponente umfassen, wobei die rotorseitige Komponente mittels eines
Komponententrägers mit dem Rotor verbunden ist. Vorzugsweise
sind die statorseitige Komponente und die rotorseitige Komponente
derart am Stator bzw. Rotor angeordnet, dass sie sich zumindest
einmal pro Umdrehung des Rotors der Drehfeldmaschine gegenüber
stehen oder sich einander nahe kommen. Mit dem Zusammenspiel einer
statorseitigen Komponente und einer rotorseitigen Komponente kann
der Positionssensor in der Regel zuverlässige Drehwinkelbestimmungen
liefern, da sich die beiden Komponenten des Positionssensors aufeinander
abstimmen lassen. Die Verbindung der rotorseitigen Komponente mit
dem Rotor mittels eines Komponententrägers bietet beispielsweise
die Möglichkeit einer Verwendung derselben rotorseitigen
Komponente in Drehfeldmaschinen unterschiedlicher Größe.
Auch kann der Komponententräger an den inneren Aufbau der
Drehfeldmaschine angepasst sein.
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Der
Komponententräger kann zumindest abschnittsweise aus magnetischem
Werkstoff und vorzugsweise aus ferromagnetischem Werkstoff bestehen.
Dadurch wird der Positionssensor bzw. das Sensorsystem durch den
magnetischen Trägerring vom magnetischen Streufeld der
Leistungskomponenten (Strom durchflossene Statorwicklung und Magnete auf
dem Rotorpaket) abgeschirmt. Der Positionssensor kann durch den
Komponententräger auch thermisch vom Stator abgeschirmt
werden. Damit ergeben sich geringere Anforderungen an die Spezifikation
der elektrischen Komponenten (beispielsweise der Hall-ICs) und der
mechanischen Komponenten (beispielsweise des Sensormagnets). Bezogen
auf die Drehfeldmaschine kann mit reduzierten Bauteilkosten und
verbesserter Produktqualität gerechnet werden.
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Die
elektrische Drehfeldmaschine kann weiterhin eine mit dem Rotor verbundene
Rotorwelle umfassen, wobei der Komponententräger bezüglich der
Drehachse eine im Wesentlichen rotationssymmetrischen Form hat und
drehfest an der Rotorwelle befestigt ist. Durch die im Wesentlichen
rotationssymmetrische Form des Komponententrägers werden
Unwuchten vermieden. Die drehfeste Verbindung des Komponententrägers
an der Rotorwelle sorgt dafür, dass die rotorseitige Komponente
des Positionssensors sich bezüglich des Rotors stets in einer
definierten Position befindet.
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Der
Stator kann einen Lagerträger umfassen, der das Lager und
die statorseitige Komponente des Positionssensors trägt
und ein bezüglich der Drehachse rotationssymmetrische Labyrinth
aufweist. Durch diese zusätzliche Nutzung des Lagerträgers
zur Unterstützung der statorseitigen Komponente werden
die Bauteile und Platzbedarf eingespart.
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Der
Komponententräger kann bezüglich der Drehachse
rotationssymmetrisch sein und eine Vertiefung auf einer dem Lagerträger
zugewandten Seite aufweisen. In dieser Vertiefung kann die rotorseitige Komponente
angeordnet sein. Das Labyrinth und der Komponententräger
können zumindest abschnittsweise komplementäre
Formen aufweisen. Somit bilden die Konstruktion des Komponententrägers
und des Lagerträgers ein hinreichend geschlossenes System.
Sollten beispielsweise während des Motorbetriebs Partikel
vom Sensormagneten absplittern, werden diese durch das ausgebildete
Gehäuse (Komponententräger und Lagerträger)
vom Leistungsteil der Drehfeldmaschine ferngehalten. Eine Kappe,
die den Sensormagneten umschließt und in einigen bekannten
Drehfeldmaschinen verwendet wird, ist nicht erforderlich. Auch diese
Maßnahme kann sich auf reduzierte Bauteilkosten und verbesserte
Produktqualität auswirken. Die komplementären
Formen können statorseitig eine kreisförmige Nut und
rotorseitig einen kreisförmigen, in die Nut eingreifenden
Rand umfassen. Nut und Rand können jeweils zu der Drehachse
konzentrisch sein. Durch diese Gestaltung wird das hinreichend geschlossene System
gebildet, wobei gewährleistet ist, dass der Rotor sich
gegenüber dem Stator drehen können muss.
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Der
Komponententräger kann einen im Wesentlichen ringförmigen äußeren
Abschnitt umfassen. Der Lagerträger kann eine Aussparung
zur Aufnahme eines Teils des Positionssensors aufweisen. Beispielsweise
kann die statorseitige Komponente des Positionssensors in der Aussparung
aufgenommen werden. Dadurch wird die strukturelle Stabilität des
Lagerträgers nur geringfügig reduziert und gleichzeitig
Platz eingespart.
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Die
elektrische Drehfeldmaschine kann ein bürstenloser Gleichstrommotor
sein. In bürstenlosen Gleichstrommotoren ist es häufig
erforderlich, den Drehwinkel zwischen Rotor und Stator fortwährend zu
bestimmen, um daraus Steuersignale für die verschiedenen
Wicklungen der Drehfeldmaschine abzuleiten.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Rahmen der folgenden
Beschreibung der beigefügten Figuren deutlich, die beispielhaft
und nicht einschränkend verstanden werden sollte. In den Figuren
gilt:
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1 zeigt
eine Teilschnittansicht einer Drehfeldmaschine gemäß den
in diesem Dokument offenbarten technischen Merkmalen.
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2 zeigt
zwei Schnittansichten eines Lagerträgers und eines Komponententrägers
gemäß den in diesem Dokument offenbarten technischen Merkmalen.
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Lagerträgers gemäß den
in diesen Dokumenten offenbarten technischen Merkmalen.
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1 zeigt
einen Teil einer elektrischen Drehfeldmaschine im Längsschnitt.
Die elektrische Drehfeldmaschine umfasst ein Gehäuse 15 und
einen Stator 6. Der Stator umfasst einen Statorkern, der
beispielsweise gegossen oder als Blechpaket aufgebaut sein kann.
Der Stator umfasst auch mehrere Wicklungen zur Erzeugung eines Magnetfeldes im
Statorkern und im Rotor 1, 7, 8. Der
Rotor umfasst im Wesentlichen eine Rotorwelle 1, einen
Rotorkern 8 (z. B. Blechpaket oder gegossen) und Rotormagneten 7.
Während des Betriebs der Drehfeldmaschine Wechselwirken
die Rotormagneten 7 mit dem Magnetfeld, das von den Statorwicklungen
zeitlich veränderlich aufgebaut wird. Dadurch erzeugen
die Rotormagnete 7 ein Drehmoment, das über den
Rotorkern 8 auf die Rotorwelle 1 übertragen
wird.
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Der
Positionssensor umfasst einen Sensormagneten 4, der in 1 als
Ringmagnet ausgeführt ist. Der Positionssensor umfasst
auch einen Magnetfeldsensor, zum Beispiel einen Hall-IC 9,
der an einer bestimmten Winkelposition an einem Lagerträger 3 angeordnet
ist. In alternativen Ausführungsformen können
auch mehrere Hall-ICs an unterschiedlichen Winkelpositionen am Lagerträger 3 angebracht
sein. Der Magnetfeldsensor 9 detektiert die Polarität
des von dem Sensormagneten in der Nähe des Magnetfeldsensors
produzierten Magnetfelds und gibt ein entsprechendes elektrisches
Signal aus. Der Sensormagnet 4 wird in 1 als
rotorseitige Komponente von einem Komponententräger 5 getragen.
Der Komponententräger ist drehfest mit der Welle 1 verbunden,
sodass auch der Sensormagnet in demselben Maße rotiert,
wie der Rotor 1, 7, 8.
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2 zeigt
auf der linken Seite eine Schnittansicht des Lagerträgers 3 und
des Komponententrägers 5, wobei der Schnitt in
einer zur Drehachse parallelen Ebene ausgeführt wurde.
Auf der rechten Seite zeigt 2 eine zweite
Schnittansicht der beiden Bauteile La gerträger 3 und
Komponententräger 5, wobei der Schnitt diesmal
senkrecht zur Drehachse durchgeführt wurde. Nicht dargestellt
in 2 sind zwecks besserer Klarheit unter anderem
das Lager 2, die Rotorwelle 1 und der Sensormagnet 4.
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Der
Lagerträger 3 ist ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches
Bauteil, das einen zentralen Bereich zur Aufnahme des Lagers 2 (Lager 2 nicht dargestellt
in 2) bietet. Der zentrale Bereich wird von einer
zylindrischen Wand sowie einem radial nach innen vorspringenden
Ring begrenzt. Der radial nach innen vorspringende Ring dient der
Fixierung des Lagers 2 in axialer Richtung und hat eine
innere Öffnung 13, durch die das Lager 2 zu
Wartungszwecken (z. B. zur Schmierung) zugängig ist. Alternativ kann
die Öffnung 13 auch kleiner dimensioniert sein, sodass
sie im Wesentlichen nur die Rotorwelle 1 hindurch treten
lässt. Der Rotorträger 3 umfasst auch eine
ringförmige Scheibe, die sich von der zylindrischen Wand
radial nach außen erstreckt. Am Übergang zwischen
zylindrischer Wand und ringförmiger Scheibe ist eine kreisförmige
Nut 10 ausgebildet. Alternativ kann die kreisförmige
Nut 10 auch nur in der ringförmigen Scheibe ausgebildet
sein, also nicht am Übergang zwischen zylindrischer Wand
und ringförmiger Scheibe. In der rechten Ansicht in 2 ist
erkennbar, dass sich die Nut 10 an einer Stelle zu einer Aussparung 11 erweitert.
Diese Aussparung 11 ist geeignet zur Aufnahme der statorseitigen
Komponente 9 des Positionssensors, beispielsweise eines Hall-ICs.
Ein eventuell vorhandenes Signalkabel der statorseitigen Komponente 9 des
Positionssensors kann durch ein Loch 12 geführt
werden.
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Ebenfalls
in 2 dargestellt ist der Komponententräger 5.
Der Komponententräger 5 umfasst in dieser Ausführungsform
einen zentralen Zylinder, der zur Aufnahme der Rotorwelle 1 ausgelegt
ist. Die Verbindung zwischen Rotorwelle 1 und dem Komponententräger 5 ist üblicherweise
drehfest gestaltet, beispielsweise mittels Presspassung, Formschluss oder
Verspannen mittels Schrauben. Von dem zentralen Zylinder des Komponententrägers 5 erstreckt sich
radial nach außen eine kreisförmige Scheibe. Der
radial äußere Rand der Scheibe ist zu einem zylindrischen
Ring erweitert. Der zylindrische Ring greift zumindest teilweise
in die Nut 10 des Lagerträgers 3 ein,
sodass ein Rand 14 des zylindrischen Rings einen möglichst
geringen Abstand zum Nutgrund der Nut 10 hat. Dadurch wird
zwischen Komponententräger 5 und Lagerträger 3 ein
Labyrinth gebildet, welches das Eindringen von Schmutz und Flüssigkeit
wirksam verhindert. Der äußere Ring des Komponententrägers 5 trägt
an seiner Innenseite die rotorseitige Komponente(n) 4 des
Positionssensors (nicht dargestellt).
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Lagerträgers 3.
Die Rotorwelle 1, das Lager 2 und die statorseitige
Komponente 9 des Positionssensors sind strichpunktiert
dargestellt. Dabei ist die statorseitige Komponente 9 in
der Aussparung 11 des Lagerträgers 3 aufgenommen.
Zwischen statorseitigen Komponente 9 und der äußeren
Wand der Nut 10 ist ein Abstand, der ausreicht, um den
Rand 14 des Komponententrägers 5 und
die rotorseitige Komponente 4 (Sensormagnet bzw. Magnetring)
des Positionssensors aufzunehmen. Der Rand 14 und die rotorseitige
Komponente 4 können sich somit an der statorseitigen
Komponente 9 vorbeibewegen, wenn der Rotor sich gegenüber
dem Stator dreht.
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Die
Erfindung ist nicht auf die vorangehenden, lediglich beispielhaft
beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern
erstreckt sich auch auf weitere Varianten. Beispielsweise kann anstelle einer
Sensoranordnung auf Grundlage von Hall-Sensoren auch eine auf optischer
Erfassung basierende Sensoranordnung verwendet werden. Auch eine elektromechanische
Sensoranordnung ist gegebenenfalls denkbar, insbesondere bei relativ
langsam rotierenden Drehmaschinen. Unabhängig von der zugrunde
liegenden Erfassungstechnik könne die zuvor erläuterten
technischen Merkmale angewendet werden. Die Form der Aussparung
zur Aufnahme der statorseitigen Komponente des Positionssensors kann
eine andere Form als die dargestellte haben. Es ist auch möglich,
mehrere statorseitige Komponenten an verschiedenen Winkelpositionen
vorzusehen, wodurch zum einen die Genauigkeit verbessert werden
kann, und zum anderen eine Bestimmung der Drehrichtung möglich
gemacht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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