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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Elektromotor. Der elektronisch kommutierte Elektromotor weist einen Stator und einen insbesondere permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor auf. Der Elektromotor weist auch wenigstens einen Rotorpositionssensor auf. Der Rotorpositionssensor ist ausgebildet, wenigstens eine Rotorposition des Rotors zu erfassen und ein die Rotorposition repräsentierendes Rotorpositionssignal zu erzeugen. Der Elektromotor weist auch eine mit dem Stator und mit dem Rotorpositionssensor verbundene Steuereinheit auf. Die Steuereinheit ist ausgebildet, den Stator zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes in Abhängigkeit des Rotorpositionssignals zu bestromen.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten elektronisch kommutierten Elektromotoren mit einem Rotorpositionssensor besteht das Problem, dass von dem Rotor erzeugte magnetische Felder den Rotorpositionssensor beeinflussen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist der Rotor mit wenigstens einem Gebermagnet für den Rotorpositionssensor verbunden. Der Elektromotor weist ein Abschirmblech auf, welches angeordnet und ausgebildet ist, den Rotorpositionssensor oder zusätzlich den Gebermagneten, von insbesondere vom Stator und/oder Rotor erzeugten – magnetischen Feldern abzuschirmen. Dadurch ist das Rotorpositionssignal vorteilhaft frei von dem permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor oder vom Stator erzeugten Störsignalen, oder die Störsignale sind in dem Rotorpositionssignal reduziert.
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Weiter vorteilhaft ist das Abschirmblech angeordnet und ausgebildet, den Rotorpositionssensor vor Störfeldern einer Leistungselektronik des Elektromotors abzuschirmen.
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Die Leistungselektronik ist beispielsweise Bestandteil einer Steuereinheit, welche ausgebildet ist, den Stator zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes zum Drehbewegen des Rotors zu bestromen.
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Der Elektromotor ist beispielsweise eine Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Abschirmblech entlang einer Rotordrehachse, im Folgenden auch Motorwellenlängsachse genannt, zwischen dem Rotor und dem Gebermagnet angeordnet.
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Weiter bevorzugt ist das Abschirmblech zwischen dem Rotor und dem Gebermagnet derart angeordnet, dass magnetische Feldlinien des permanentmagnetisch ausgebildeten Rotors ausreichend abgeschirmt sind. So können vorteilhaft nur Feldlinien des Gebermagnets den Rotorpositionssensor erreichen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Elektromotors ist das Abschirmblech mit dem Rotor drehverbunden. So kann das Abschirmblech vorteilhaft gemeinsam mit dem Rotor rotieren. Das Abschirmblech ist bevorzugt mit einer Motorwelle des Elektromotors insbesondere kraftschlüssig und/oder formschlüssig drehfest verbunden. Weiter vorteilhaft kann der Elektromotor so aufwandsgünstig hergestellt werden, weil so vorteilhaft eine Abmessung des Abschirmblechs einer Abmessung des Gebermagneten entsprechen kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Elektromotors ist das Abschirmblech wenigstens durch eine insbesondere kreisförmige Scheibe gebildet. Weiter vorteilhaft ist das Abschirmblech als becherförmig ausgebildeter Abschirmbecher ausgebildet.
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Dazu kann beispielsweise an die vorab genannte Scheibe eine Wand angeformt sein. Weiter bevorzugt ist der Abschirmbecher ausgebildet, den Gebermagneten wenigstens teilweise, oder vollständig aufzunehmen. So kann der Gebermagnet vorteilhaft magnetische Feldlinien nur im Bereich einer Öffnung des Abschirmbechers, weiter bevorzugt in Richtung zum Rotorpositionssensor hin aussenden. Das Abschirmblech ist bevorzugt weichmagnetisch ausgebildet.
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Bevorzugt ist das Abschirmblech ringförmig mit U-förmigem, insbesondere hufeisenförmigen Ringquerschnitt ausgebildet. Beispielsweise weist das Abschirmblech in dieser Ausführungsform eine Toroid-Hufeisenform auf, bei der das Abschirmblech ringförmig ausgebildet ist und einen hufeisenförmigen Ringquerschnitt aufweist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Elektromotors ist der Gebermagnet ringförmig ausgebildet, und weiter bevorzugt in dem Abschirmbecher angeordnet. Weiter bevorzugt ist der Abschirmbecher zylinderförmig ausgebildet, und ist ausgebildet, den ringförmig ausgebildeten Gebermagneten wenigstens teilweise oder vollständig aufzunehmen. Bevorzugt ist der Gebermagnet mit dem Abschirmbecher verbunden.
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Der Gebermagnet ist beispielsweise durch einen Kunststoffring gebildet, wobei in den Kunststoff des Kunststoffrings permanentmagnetisch ausgebildete Magnetpartikel eingeschlossen sind.
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Durch den ringförmig ausgebildeten Gebermagneten kann der Gebermagnet vorteilhaft radial von der Motorwellenlängsachse beabstandet sein, ohne eine Unwucht für den Rotor zu bilden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Elektromotors weist der Abschirmbecher einen Boden, vorab auch Scheibe genannt, und eine Becherwand, insbesondere eine Zylinderwand auf. Weiter bevorzugt ist der Gebermagnet mit der Zylinderwand des Bechers verbunden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Elektromotors ist der Rotorpositionssensor des Elektromotors derart angeordnet, dass der Rotorpositionssensor in den Abschirmbecher hineinragt. So kann vorteilhaft eine Anordnung, umfassend den Rotorpositionssensor und den Gebermagneten mittels des Abschirmblechs vollständig von magnetischen Störfeldern, insbesondere magnetischen Störfeldern des permanentmagnetisch ausgebildeten Rotors oder des Stators, abgeschirmt sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotorpositionssensor und der Gebermagnet radial von der Motorwellenlängsachse beabstandet angeordnet. Weiter bevorzugt ist der Rotorpositionssensor im Vergleich zu dem Gebermagneten radial von der Motorwellenlängsachse in einem kleineren oder größeren Abstand zur Motorwellenlängsachse angeordnet, als der bevorzugt ringförmig ausgebildete Gebermagnet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gebermagnet radial von der Motorwellenlängsachse weiter oder näher beabstandet als der Rotorpositionssensor. Dadurch kann der Gebermagnet um den Rotorpositionssensor rotieren.
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Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den in den Figuren und der Figurenbeschreibung beschriebenen Merkmalen, sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
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1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen elektronisch kommutierten Elektromotor, bei dem ein Rotorpositionssensor durch in ein becherförmig ausgebildetes und mit einer Motorwelle drehfest verbundenes, als Abschirmbecher ausgebildetes Abschirmblech hineinragt und ein magnetisches Feld eines in dem Abschirmbecher angeordneten, mit dem Abschirmbecher mitrotierernden Gebermagnets erfassen kann und so vor magnetischen Störfeldern anderer Magnetfeldquellen geschützt ist;
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2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen elektronisch kommutierten Elektromotor, dessen Rotorpositionssensor wie bei dem in 1 gezeigten Elektromotor durch einen Abschirmbecher vor magnetischen Störfeldern abgeschirmt ist, bei dem der Rotorpositionssensor zwischen einem Rotor und einem abtriebsseitigen Ende der Motorwelle angeordnet ist;
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3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für ein toroid-hufeisenförmiges Abschirmblech für einen Elektromotor in einer Schnittdarstellung.
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1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen elektronisch kommutierten Elektromotor 1 in einer Schnittdarstellung. Der Elektromotor 1 weist einen Stator 5 auf, wobei der Stator 5 Statorspulen aufweist, welche jeweils ausgebildet sind, ein Magnetfeld 46 zum Drehbewegen des Rotors 5 zu erzeugen. Der Elektromotor 1 weist auch einen permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor 7 auf.
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Der Rotor 7 ist mit einer Motorwelle 20 verbunden, welche um eine Motorwellenlängsachse 30 mittels zwei Lagern, nämlich mittels eines Lagers 24 abtriebsseitig, und mittels eines Lagers 26 drehbar gelagert ist.
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Der Elektromotor 1 weist auch ein Gehäuse 32 auf, welches in diesem Ausführungsbeispiel als Becher ausgebildet ist. Das Gehäuse 32 ist ausgebildet, den Stator 5 und den Rotor 7 in einem ersten Hohlraum aufzunehmen. Das Gehäuse 32 weist einen Steg 34 auf, welcher sich radial zur Motorwelle 20 hin ins Innere des Gehäuses 32 erstreckt und welcher ausgebildet ist, das Lager 26 zu halten und zu zentrieren.
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Der Elektromotor 1 weist auch eine Leistungsendstufe 14 auf, welche ausgangsseitig über eine Verbindung 56 mit dem Stator 5 verbunden ist. Die Verbindung 56 kann beispielsweise für jede Statorspule eine Verbindungsleitung aufweisen. Der Stator 5 kann beispielsweise drei oder mehrere Statorspulen umfassen. Die Leistungsendstufe 14 ist auch über eine Verbindungsleitung 55 mit einem Energiespeicher 54 verbunden. Der Energiespeicher 54 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Kondensator ausgebildet.
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Der Elektromotor 1 weist auch eine Steuereinheit 16 auf. Die Steuereinheit 16 ist – in diesem Ausführungsbeispiel über eine Leiterplatte 58 – mit einem Hall-Sensor 10 verbunden. Die Steuereinheit 16 ist auch eingangsseitig mit einem weiteren Rotorpositionssensor, nämlich einem AMR-Sensor 12 (AMR = Anisotrope-Magneto-Resistive) verbunden. Denkbar ist auch ein GMR-Sensor (Giant-Magneto-Resistive) oder ein TMR-Sensor (TMR = Tunnel-Magneto-Resistive).
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Die Rotorpositionssensoren 10 und 12 sind jeweils ausgebildet, in Abhängigkeit eines Magnetfeldes eines mit der Motorwelle 20 verbundenen Gebermagneten 44 eine Rotorposition des Rotors 7 zu erfassen und ein die Rotorposition repräsentierendes Rotorpositionssignal zu erzeugen.
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Die Motorwelle 20 ist im Bereich eines von dem Antriebsrad 22 abgewandten Endes mit einem becherförmig ausgebildeten Abschirmblech 40 verbunden. Der ringförmig ausgebildete Gebermagnet 44 ist an einer zylinderförmig ausgebildeten Innenwand des Abschirmbleches 40 angeordnet und mit dem Abschirmblech 40 verbunden. Die Rotorpositionssensoren 10 und 12 ragen jeweils in einen von dem becherförmig ausgebildeten Abschirmblech 40 umschlossenen Hohlraum hinein. Die Rotorpositionssensoren 10 und 12 können so vorteilhaft nur Feldlinien von dem Magnetfeld des ringförmig ausgebildeten Gebermagneten 44 erfassen. Das Abschirmblech 40 kann so zusammen mit dem Gebermagneten um die Rotorpositionssensoren 10 und 12 rotieren. Feldlinien des von dem Stator 5 erzeugten Magnetfeldes 46 können so nicht die Rotorpositionssensoren 10 und 12 erreichen, da die Rotorpositionssensoren 10 und 12 mittels des gemeinsam mit dem Rotor 7 rotierenden Abschirmbleches 40 von störenden Magnetfeldern, beispielsweise dem Magnetfeld 46 des Stators 5, dem Magnetfeld von Stromleitungen der Leistungsendstufe 14 oder des Rotors 7, oder eines – in dieser Figur nicht dargestellten – EMV-Filters (EMV = Elektro-Magnetische Verträglichkeit) ausreichend abgeschirmt sind.
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Das Gehäuse 32 weist auch ein Verschlussteil 36 auf. Das Gehäuse 32 ist so ausgebildet, die Leistungsendstufe 14, den Energiespeicher 18, die Steuereinheit 16, die Leiterplatte 58 mit den Rotorpositionssensoren 10 und 12, sowie einen Längsabschnitt der Motorwelle 20 zusammen mit dem ringförmig ausgebildeten Gebermagnet 44 und dem Abschirmblech 40 in einem Hohlraum einzuschließen, welcher sich entlang der Motorwellenlängsachse 30 zwischen dem Steg 34 und dem Verschlussteil 36 erstreckt.
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Das Verschlussteil 36 ist in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise wärmeleitend ausgebildet. Denkbar ist auch eine Wärmeleitung von der Leistungsendstufe 14 zum Gehäuse 32 hin.
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Das Verschlussteil 36 ist mit der Leistungsendstufe 14 wärmeleitend verbunden. Von der Leistungsendstufe 14 erzeugte Wärme kann so über das Verschlussteil 36, welches beispielsweise aus Aluminiumguss gebildet ist. Das Verschlussteil 36 weist eine Anschlussbuchse 50 zum elektrischen Verbinden des Elektromotors 1 auf. Die Leistungsendstufe 14 ist mit elektrischen Kontakten 52 der Anschlussbuchse 50 verbunden.
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2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Elektromotor 2. Der Elektromotor 2 weist – wie der in 1 gezeigte Elektromotor 1 – einen Stator 5, einen Rotor 7, eine mit dem Rotor 7 verbundene Motorwelle 20 auf. Die Motorwelle 20 ist mittels eines Wellenlagers 23 und mittels eines Wellenlagers 25 um eine Motorwellenlängsachse 30 drehbar gelagert.
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Der Elektromotor 2 weist ein – beispielsweise durch Tiefziehen hergestelltes – Gehäuse 33 auf, welches ausgebildet ist, – wie ein Topf – den Stator 5, den Rotor 7 mit der Motorwelle 20, die Lager 23 und 25, sowie weitere elektronische Komponenten, aufzunehmen.
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Der Elektromotor 2 weist ein plattenförmig ausgebildetes Verschlussteil 37 auf, welches ausgebildet ist, gemeinsam mit dem Gehäuse 33 die zuvor beschriebenen Komponenten in einem von dem Gehäuse 33 umschlossenen Hohlraum einzuschließen. Das Verschlussteil 37 ist in diesem Ausführungsbeispiel wärmeleitend ausgebildet, sodass eine von einer Leistungsendstufe 14 des Elektromotors 2 erzeugte Wärme an das Verschlussteil 37 abgeführt werden kann. Das Verschlussteil 37 bildet in diesem Ausführungsbeispiel einen Anschlussflansch zum Verbinden des Elektromotors 2 mit einem Lenkgetriebe.
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Die Motorwelle 20 des Elektromotors 2 weist dazu im Bereich eines Endes der Motorwelle 20 abtriebsseitig ein Antriebsrad 22 auf. Die Leistungsendstufe 14 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 56 mit dem Stator 5, und dort mit Statorspulen des Stators 5 verbunden. Die Statorspulen des Stators 5 sind ausgebildet, im bestromten Zustand ein Magnetfeld 46 zu erzeugen. Die Leistungsendstufe 14 ist über eine Verbindungsleitung 55 mit einem Zwischenkreiskondensator 18 verbunden.
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Der Elektromotor 2 weist auch eine Steuereinheit 16 auf, welche beispielsweise mit einer Leiterplatte 58 (Printed-Circuit-Board) verbunden ist. Die Steuereinheit 16 ist eingangsseitig – über die Leiterplatte 58 – mit einem Rotorpositionssensor 10 und einem Rotorpositionssensor 12 verbunden. Der Rotorpositionssensor 10 ist wie in 1 als Hall-Sensor ausgebildet, wohingegen der Rotorpositionssensor 12 als AMR-Sensor, GMR-Sensor oder TMR-Sensor ausgebildet ist.
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Der Elektromotor 2 weist auch ein mit der Motorwelle 20 verbundenes, becherförmig ausgebildetes Abschirmblech 40 auf. Das Abschirmblech 40 weist an einer Innenseite einer Becherwand des Abschirmblechs 40 einen ringförmig ausgebildeten Gebermagneten 44 auf. Der ringförmig ausgebildete Gebermagnet 44 ist beispielsweise an die Innenwand des Abschirmbleches 40 aufgespritzt und weist permanentmagnetisch ausgebildete Magnetpartikel, beispielsweise Hartferrit oder Neodym®. Der ringförmig ausgebildete Gebermagnet 44 weist beispielsweise entlang eines Ringumlaufes mehrere, jeweils aufeinander folgende Magnetpol-Paare auf. Ein formgebendes Trägermaterial des Gebermagnets ist beispielsweise Kunststoff, insbesondere ein Thermoplast wie Polypropylen, Polyvinylsulfid, oder Polyamid.
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Das Abschirmblech 40 ist beispielsweise weichmagnetisch ausgebildet und umfasst dazu Eisen.
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Die Rotorpositionssensoren 10 und 12 sind in diesem Ausführungsbeispiel jeweils mit der Leiterplatte 58 verbunden und sind jeweils angeordnet, in den mittels des Abschirmbleches 40 gebildeten Abschirmbecher hineinzuragen. So erreichen vorteilhaft nur die Magnetfeldlinien des ringförmig ausgebildeten Gebermagnets 44 die Rotorpositionssensoren 10 und 12. Magnetfeldlinien 46, welche von dem Stator 5, stromführenden Leitungen oder dem permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor 7 erzeugt worden sind, werden von dem Abschirmblech 40 abgeschirmt und erreichen nicht die Rotorpositionssensoren 10 und 12, da diese im Inneren des becherförmigen Abschirmblechs 40 angeordnet sind.
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Denkbar ist auch eine Ausführung des Abschirmbleches 40 als eine Art Dose, welche im Bereich der Rotorpositionssensoren 10 und 12 jeweils einen ringförmigen Schlitz, oder eine zentrale Öffnung aufweist, durch welche die Motorwellenachse 20, und radial von der Motorwellenachse 20 beabstandet, die Rotorpositionssensoren 10 und 12 in die Dose hineinragen. Die zuvor beschriebenen Ränder der Dose sind in 2 gestrichelt gekennzeichnet und erstrecken sich ausgehend von einer Zylinderwand des zuvor beschriebenen becherförmigen Abschirmblechs 40 radial nach innen zur Motorwellenlängsachse 30 hin.
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Der Elektromotor 2 weist wie der Elektromotor in 1 eine Anschlussbuchse 50 und Kontakte 52 auf, wobei die Kontakte 52 mit elektrischen Komponenten, beispielsweise mit der Leistungsendstufe 14 des Elektromotors 2 verbunden sind.
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3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Variante für ein Abschirmblech 41. Das Abschirmblech 41 ist in diesem Ausführungsbeispiel wie ein Toroid ausgebildet, welcher im Vergleich zu einem Toroid keinen kreisrunden, sondern einen hufeisenförmigen Querschnitt aufweist.
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Das Abschirmblech 41 ist mit der Motorwelle 20, welche in 3 abschnittsweise dargestellt ist, drehfest, insbesondere formschlüssig oder kraftschlüssig verbunden. Beispielsweise ist das Abschirmblech 41 auf die Motorwelle 21 aufgepresst.
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Der ringförmige Gebermagnet 44 ist in diesem Ausführungsbeispiel mittels eines Verbindungsmittels 43, beispielsweise eines Klebers oder eines Lotes, mit dem Abschirmblech 41 an einer Innenwand des Abschirmbleches 41 verbunden. Dargestellt ist auch ein Rotorpositionssensor 10, in diesem Ausführungsbeispiel ein Hall-Sensor, welcher mit einer Leiterplatte, in 3 abschnittsweise dargestellt, verbunden ist, und welcher in einen von dem hufeisen-toroidförmig ausgebildeten Abschirmblech 41 umschlossenen Hohlraum hineinragt. So ist der Rotorpositionssensor 10 optimal vor magnetischen Störfeldern abgeschirmt. Der Rotorpositionssensor 10 kann in diesem Ausführungsbeispiel nur von dem ringförmig ausgebildeten Gebermagnet 44 ausgesendete Magnetfeldlinien empfangen.
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Denkbar ist auch eine Ausführungsform, wobei das zuvor beschriebene Verbindungsmittel 43 selbst permanentmagnetisiert ist. So kann vorteilhaft der ringförmig ausgebildete Gebermagnet 44, welcher beispielsweise zur Herstellung der in 3 gezeigten Anordnung in einem Montageschritt mit dem hufeisen-toroidförmigen Abschirmblech 41 verbunden wird, entfallen.
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Anstelle des Verbindungsmittels 43 kann beispielsweise ein Kunststoff in den von dem Abschirmblech 41 umschlossenen Hohlraum hineingespritzt werden, welcher magnetisierbare Partikel aufweist, und in einem weiteren Fertigungsschritt nachträglich mit einem vorbestimmten Magnetisierungsmuster permanentmagnetisch magnetisiert wird.
