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Elektrische Motoren weisen regelmäßig einen Rotor und einen Stator auf. Insbesondere im Bereich der Fahrzeugtechnik setzen sich zunehmend sogenannte bürstenlose Gleichstrommotoren durch, die auch als BLDC-Motoren bezeichnet werden. Derartige BLDC-Motoren sind Synchronmaschinen, die durch einen Gleichstrom angetrieben werden und eine elektrische Kommutierungseinrichtung aufweisen, anstatt mechanischer Kommutatoren und Bürsten.
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Auf diese Weise ist eine geringere Reibung im Vergleich zu Motoren mit Kommutatoren und Bürsten gewährleistet, was sich somit positiv auf den Wirkungsgrad auswirkt. Darüber hinaus kann ein sogenanntes Bürstenfeuer vermieden werden, welches zum einen zu elektrischen Verlusten führt und andererseits auch zu einem verstärkten mechanischen Verschleiß beiträgt.
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Der Rotor des BLDC-Motors weist Rotormagnete auf, die als Permanentmagnete ausgebildet sind. Aufgrund der Tatsache, dass sich keine Wicklungen von Spulen auf dem Rotor befinden müssen, sind diese auch nicht zentrifugalen Kräften ausgesetzt. Ferner sind Wicklungen lediglich auf dem Stator angeordnet, mit der Folge, dass zum Kühlen keine Luftkühlung in dem Bereich des Rotors erforderlich ist und somit der innere Bereich, insbesondere der Bereich des Rotors, in dem die Rotormagnete angeordnet sind, nach außen hin abgekapselt sein kann und so auch von Schmutzpartikeln und anderen externen Partikeln geschützt sein kann.
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Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines BLDC-Motors zu schaffen, das einen Beitrag leistet, für einen hohen Wirkungsgrad während des Betriebs des so hergestellten BLDC-Motors.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß einem ersten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren zum Herstellen eines BLDC-Motors, bei dem ein Stator mit Spulen, die mindestens zwei verschiedenen Phasen zugeordnet sind, bereitgestellt wird. Es wird ein Rotor bereitgestellt, der eine Welle umfasst und auf der Welle angeordnete Rotormagnete umfasst. Der Rotor ist in einem Hohlraum des Stators angeordnet. Die Welle ist mittels eines ersten Lagers gelagert, das zwischen der Welle und dem Stator angeordnet ist. Ein Trägerelement wird bereitgestellt, das eine Ausnehmung aufweist, die von der Welle durchdrungen wird und eine orthogonal zu der Welle, also insbesondere ihrer Mittelachse, ausgebildete Oberfläche aufweist, auf der mehrere Hallsensoren winkelversetzt bezüglich des Mittelpunktes der Welle zueinander angeordnet sind. Das Trägerelement ist fix zu dem Stator angeordnet.
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Ein Permanentmagnetrad mit winkelversetzt angeordneten Gebermagneten wird auf der Welle vorfixiert, und zwar auf einer den Rotormagneten abgewandten Seite des Trägerelements. Das Permanentmagnetrad ist axial zu dem Trägerelement derart beabstandet, dass bei einer Drehbewegung der Welle hervorgerufen durch die Magnetfelder der Gebermagnete entsprechend gewünschte Messsignalverläufe in den Hallsensoren hervorgerufen werden.
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Die Welle wird in eine Drehbewegung versetzt und Messsignalverläufe der Hallsensoren werden erfasst. Ferner werden auch Messsignalverläufe erfasst, die repräsentativ sind für in den Spulen abhängig von den Rotormagneten, also der von ihnen hervorgerufenen Magnetfelder, induzierten Spannungen. Abhängig von den Messsignalverläufen der Hallsensoren und den zeitlich korrelierenden Messsignalverläufen, die repräsentativ sind für in den Spulen induzierten Spannungen, wird ein Justagewinkel für das Magnetrad ermittelt. Das Permanentmagnetrad wird entsprechend des ermittelten Justagewinkels bezüglich der Welle rotiert und anschließend wird das Permanentmagnetrad auf der Welle fixiert.
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Auf diese Weise kann besonders wirkungsvoll und einfach ein Beitrag geleistet werden, dass bei einem späteren Betrieb des BLDC-Motors die relative Position des Rotors zu dem Stator sehr präzise ermittelt werden kann und zwar insbesondere im Hinblick auf die relative Position der jeweiligen Spulen auf dem Stator und den jeweiligen Rotormagneten auf dem Rotor. Auf diese Weise kann dann eine abhängig von den jeweiligen Messsignalverläufen der Hallsensoren erfolgende Ansteuerung der Spulen besonders präzise sein und so ein wichtiger Beitrag geleistet werden zu einem hohen Wirkungsgrad beim Betrieb des BLDC-Motors.
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Gemäß einem zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren zum Herstellen eines BLDC-Motors bei dem ein Stator mit Spulen, die mindestens zwei verschiedenen Phasen zugeordnet sind, bereitgestellt wird. Es wird ein Rotor bereitgestellt, der eine Welle umfasst und auf der Welle angeordnete Rotormagnete umfasst. Der Rotor ist in einem Hohlraum des Stators angeordnet. Die Welle ist mittels eines ersten Lagers gelagert, das zwischen der Welle und dem Stator angeordnet ist. Ein Trägerelement wird bereitgestellt, das eine Ausnehmung aufweist, die von der Welle durchdrungen wird und eine orthogonal zu der Welle, also insbesondere ihrer Mittelachse, ausgebildete Oberfläche aufweist, auf der mehrere Hallsensoren winkelversetzt bezüglich des Mittelpunktes der Welle zueinander angeordnet sind. Das Trägerelement ist fix zu dem Stator angeordnet.
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Die Welle wird in eine Drehbewegung versetzt und zeitlich korrelierend dazu werden Messsignalverläufe erfasst, die repräsentativ sind für in den Spulen induzierte Spannungen abhängig von den Rotormagneten und insbesondere von den durch sie bewirkten Magnetfelder.
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Bei Erkennen einer Referenzwinkelstellung der Welle relativ zu dem Stator, die abhängig von den Messsignalverläufen erkannt wird, die repräsentativ sind für in den Spulen induzierte Spannungen, wird die Welle in der erkannten Referenzwinkelstellung gehalten. Anschließend wird ein Permanentmagnetrad mit winkelversetzt angeordneten Gebermagneten auf der Welle aufgebracht, und zwar auf einer den Rotormagneten abgewandten Seite des Trägerelements. Grundsätzlich kann das Permanentmagnetrad auch schon vor dem Versetzen der Welle in eine Drehbewegung zum Erkennen der Referenzwinkelstellung auf der Welle aufgebracht werden.
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Das Permanentmagnetrad wird bezüglich der Welle so lange rotiert, bis eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, die abhängt von einem erfassten Messsignalverlauf der Hallsensoren während des Rotierens, wobei bei diesem Rotieren die Welle weiterhin in der Referenzwinkelstellung gehalten wird. Nach Erfüllen der vorgegebenen Bedingung wird das Permanentmagnetrad auf der Welle fixiert und das Halten der Welle in der Referenzwinkelstellung aufgehoben.
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Die Vorteile des zweiten Aspekts entsprechen grundsätzlich denjenigen des ersten Aspekts.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung hängt das Erfüllen der vorgegebenen Bedingung davon ab, dass der Messsignalverlauf zumindest eines der Hallsensoren einen Schaltpunkt repräsentiert. Der jeweilige Schaltpunkt korreliert insbesondere mit Polwechseln des relativ zu dem Trägerelement rotierenden Magnetrades. Dabei kann sich der jeweilige Schaltpunkt auf einen der Hallsensoren beziehen oder auch die Schaltpunkte mehrerer Hallsensoren betreffen und ein vorgegebenes Zusammenspiel der jeweiligen Schaltpunkte zur Bedingung haben.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Fixieren des Permanentmagnetrads auf der Welle ein Laserschweißen. Auf diese Weise kann das Permanentmagnetrad besonders präzise und einfach in der jeweiligen Position fixiert werden, und zwar dauerhaft fixiert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird nach dem Fixieren des Permanentmagnetrads ein Lagerschild mit einem Lager montiert und die Welle auf dem Lager gelagert. Das Lager wird auf einer dem Rotormagneten abgewandten Seite des Permanentmagnetrads angeordnet. Auf diese Weise kann dann vor dem Fixieren des Permanentmagnetrads auf der Welle dieses einfach für entsprechende Werkzeuge zugänglich sein und danach die Welle zuverlässig gelagert werden und gegebenenfalls gleichzeitig eine entsprechende Abdichtung des Hohlraums des Stators durchgeführt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen BLDC-Motor, der fertig hergestellt ist,
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2 eine Draufsicht auf ein Permanentmagnetrad des BLDC-Motors gemäß 1,
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3 ein erstes Ablaufdiagramm eines Verfahrens im Zusammenhang mit einem Herstellen des BLDC-Motors und
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4 ein zweites Ablaufdiagramm im Zusammenhang mit dem Herstellen des BLDC-Motors.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein BLDC-Motor weist auf einen Stator mit einem Statorgehäuse 1 (siehe 1), in dem Spulen 3 angeordnet sind. Die Spulen 3 sind mindestens zwei verschiedenen Phasen zugeordnet, beispielsweise drei verschiedenen Phasen. Ferner umfasst der BLDC-Motor einen Rotor, der eine Welle 5 umfasst und auf dieser angeordnete Rotormagnete 7. Die Rotormagnete 7 können beispielsweise auf die Welle geklebt sein und/oder mittels eines Käfigs, beispielsweise eines Blockkäfigs, auf dieser fixiert sein. Der Rotor ist in einem Hohlraum des Stators angeordnet. Die Welle 5 ist mittels eines ersten Lagers 23 gelagert, das zwischen der Welle 5 und dem Stator, insbesondere dem Statorgehäuse 1 angeordnet ist. Das erste Lager 23 ist bevorzugt in einem ersten Endbereich der Welle 5 angeordnet.
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Ferner ist ein Trägerelement 13 vorgesehen, das eine Ausnehmung aufweist, die von der Welle 5 durchdrungen wird und eine orthogonal zu der Welle 5, insbesondere ihrer Mittelachse, ausgebildete Oberfläche aufweist, auf der mehrere Hallsensoren 15, 17, 19, 21 (2) winkelversetzt bezüglich des Mittelpunkts der Welle 5 zueinander angeordnet sind. Das Trägerelement 13 ist fix zu dem Stator angeordnet. Bevorzugt umfasst das Trägerelement eine Leiterplatte mit elektrischen Leiterbahnen und/oder elektrischen oder elektronischen Bauelementen und/oder Sensoren. Die Sensoren sind beispielsweise als die Hallsensoren 15, 17, 19, 21 ausgebildet.
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Ferner ist auf einer den Rotormagneten 7 abgewandten Seite des Trägerelements 13 ein Permanentmagnetrad 9 angeordnet, das bei dem fertig hergestellten BLDC-Motor auf der Welle 5 fixiert ist. Das Permanentmagnetrad 9 hat winkelversetzt angeordnete Gebermagnete 11 (siehe 2), die als Permanentmagnete ausgebildet sind, und ist axial derart beabstandet zu dem Trägerelement 13 angeordnet, dass die durch die Gebermagnete 11 erzeugten Magnetfelder in gewünschter Art und Weise auf die Hallsensoren 15, 17, 19, 21 einwirken und zwar bei einer relativen Drehbewegung zwischen dem Permanentmagnetrad 9 und dem Trägerelement 13.
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In der 2 ist lediglich ein Gebermagnet mit dem Bezugszeichen 11 versehen. Das Permanentmagnetrad 9 weist jedoch bevorzugt eine Vielzahl an Gebermagneten 11 auf, wie dies anhand der 2 auch näher ersichtlich ist.
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Die Hallsensoren 15, 17, 19, 21 sind in der 2 in ihrer Position, die sie relativ zueinander auf dem Trägerelement 13 haben, dargestellt, ohne dass das Trägerelement 13 in der 2 dargestellt ist. Ihre Lage in radialer Richtung ausgehend von dem Mittelpunkt der Welle 5 bezüglich des Permanentmagnetrades 9 ist aus der 2 ersichtlich, wobei selbstverständlich die Darstellung in der 2 lediglich eine Position darstellt, die das Permanentmagnetrad 9 relativ zu den auf dem Trägerelement 13 angeordneten Hallsensoren 15, 17, 19, 21 einnimmt.
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Das Trägerelement 13 weist Leistungsschalter auf, mittels derer eine Stromzufuhr zu den Spulen 3 gesteuert wird. Die Leistungsschalter werden insbesondere abhängig von charakteristischen Messsignalverläufen der ihnen jeweils zugeordneten Hallsensoren 15, 17, 19 geschaltet und bewirken so eine Stromzufuhr bzw. Stromunterbrechung zu den jeweiligen Spulen und somit bezüglich der jeweiligen Phasen. Der charakteristische Messsignalverlauf ist insbesondere eine starke Veränderung des Messsignals, was auch als Schaltpunkt bezeichnet wird, die hervorgerufen ist durch eine starke Änderung des den Hallsensor 15, 17, 19 durchsetzenden Magnetfeldes.
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Ferner weist der BLDC-Motor ein Lagerschild 25 auf, mit einem zweiten Lager 27, in dem die Welle 5 ebenfalls gelagert ist. Das Lagerschild 25 lagert die Welle 5 auf einer bezüglich der Rotormagnete 7 abgewandten Seite im Vergleich zu dem ersten Lager 23. Das zweite Lager 27 ist ferner auf einer den Rotormagneten 7 abgewandten Seite des Permanentmagnetrads 9 angeordnet. Bevorzugt umfasst das Lagerschild 25 auch eine Dichtung, die den Hohlraum des Stators abdichtet.
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Ferner weist der BLDC-Motor ein Steckerelement 29 auf, welches zur elektrischen Kontaktierung des BLDC-Motors mit einer externen Steuer- und Versorgungseinheit vorgesehen ist und welches Kontakte aufweist, die elektrisch leitend mit dem Trägerelement 13 gekoppelt sind.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des Herstellens des BLDC-Motors wird der Stator mit den Spulen 3 bereitgestellt in einem Schritt S1. Ferner wird der Rotor bereitgestellt mit der Welle 5 und der auf dieser angeordneten Rotormagnete 7. Dabei ist der Rotor in dem Hohlraum des Stators angeordnet, und die Welle 5 ist mittels des ersten Lagers 23 gelagert. Ferner wird in dem Schritt S1 das Trägerelement 13 bereitgestellt, und zwar bereits in seinem montierten Zustand in dem Stator.
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In einem Schritt S3 wird das Permanentmagnetrad 9 auf der Welle 5 vorfixiert. Es wird somit so auf der Welle 5 angebracht, dass es bei einer Drehung der Welle 5 sich mit dieser mitbewegt ohne eine Relativbewegung zu dieser auszuführen aber ohne schon fest fixiert zu sein, was die Möglichkeit gibt, insbesondere mittels eines geeigneten Werkzeugs das Permanentmagnetrad 9 noch relativ zu der Welle 5 zu verdrehen.
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In einem Schritt S5 wird die Welle 5 in eine Drehbewegung versetzt, und Messsignalverläufe der Hallsensoren 15, 17, 19, 21 werden erfasst. Ferner werden zeitlich korrelierend dazu auch Messsignalverläufe erfasst, die repräsentativ sind für in den Spulen 3 abhängig von den Rotormagneten 7 und deren Magnetfeldern induzierten Spannungen. Dies kann beispielsweise durch entsprechendes Erfassen des durch die induzierten Spannungen hervorgerufenen Stroms in den Spulen 3 erfolgen.
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Das Versetzen der Welle 5 in die Drehbewegung erfolgt mittels eines für diese Zwecke vorgesehenen externen Antriebs, der auf die Welle 5 einwirkt. Ferner ist bevorzugt während der Durchführung des Schrittes S5 die Welle auch mittels eines Hilfslagers abgestützt, das auf einer den Rotormagneten 7 bezüglich des Permanentmagnetrads 9 abgewandten Seite auf die Welle 5 einwirkt.
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In einem Schritt S7 wird abhängig von den Messsignalverläufen der Hallsensoren 15, 17, 19, 21 und den zeitlich korrelierenden Messsignalverläufen, die repräsentativ sind für in den Spulen 3 induzierte Spannungen, ein Justagewinkel für das Permanentmagnetrad 9 ermittelt. In diesem Zusammenhang wird die Erkenntnis genutzt, dass die Messsignalverläufe, die repräsentativ sind für in den Spulen induzierte Spannungen, charakteristisch sind für die jeweilige Winkelposition des Stators zu dem Rotor und die zeitlich zugeordneten Messsignalverläufe der Hallsensoren wiederum repräsentativ sind für die jeweilige Winkelposition zwischen dem Permanentmagnetrad 9 und dem Stator. Der Justagewinkel wird in diesem Zusammenhang bevorzugt so ermittelt, dass die Messsignalverläufe der Hallsensoren 15, 17, 19, 21 insbesondere im Hinblick auf ihre Schaltpunkte den jeweils gewünschten Bezug zu der jeweiligen relativen Winkelposition zwischen dem Stator und dem Rotor aufweisen.
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In einem Schritt S9 wird das Permanentmagnetrad 9 entsprechend des ermittelten Justagewinkels bezüglich der Welle 5 rotiert.
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In einem Schritt S11 wird das Permanentmagnetrad 9 dann auf der Welle 5 fixiert. Dies erfolgt bevorzugt beispielsweise mittels Laserschweißens.
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Im Anschluss daran wird in einem Schritt S12 zunächst das Hilfslager und der externe Antrieb wieder entfernt und dann das Lagerschild 25 montiert.
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Eine zweite beispielhafte Ausgestaltung zum Herstellen des BLDC-Motors ist anhand des Ablaufdiagramms der 4 näher erläutert. Der Schritt S13 entspricht dem Schritt S1. In einem Schritt S15 wird die Welle 5 in eine Drehbewegung versetzt und dabei Messsignalverläufe erfasst, die repräsentativ sind für in den Spulen 3 induzierte Spannungen. Das Versetzen der Welle 5 in eine Drehbewegung erfolgt in dem Schritt S15 mittels eines zu dem BLDC-Motor externen Antriebs, der für diese Zwecke mit der Welle 5 gekoppelt ist. Ferner ist bei der Durchführung der Schritte bevorzugt ein Hilfslager vorgesehen entsprechend des Vorgehens gemäß der 3.
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In einem Schritt S17 wird bei Erkennen einer Referenzwinkelstellung der Welle 5 relativ zu dem Stator, die abhängig von Messsignalverläufen erkannt wird, die repräsentativ sind für in den Spulen 3 induzierte Spannungen, die Welle 5 dann in dieser erkannten Referenzstellung gehalten, und zwar über die Abarbeitung des Schrittes S17 hinaus.
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In einem Schritt S19 wird das Permanentmagnetrad 9 auf die Welle 5 aufgebracht. In einem Schritt S21 wird das Permanentmagnetrad 9 bezüglich der Welle 5 solange rotiert, bis eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, die abhängt von dem erfassten Messsignalverlauf der Hallsensoren 15, 17, 19, 21 während des Rotierens. Dabei hängt das Erfüllen der vorgegebenen Bedingung bevorzugt davon ab, dass der Messsignalverlauf zumindest eines der Hallsensoren den Schaltpunkt repräsentiert.
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Die hinsichtlich des Ausführungsbeispiels gemäß der 3 gemachten Aussagen sind grundsätzlich auch bezüglich des Ausführungsbeispiels gemäß der 4 anwendbar.
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In einem Schritt S23 wird das Permanentmagnetrad 9 auf der Welle 5 fixiert, und zwar beispielsweise ebenfalls mittels Laserschweißens. In einem Schritt S25 wird dann das Halten der Welle in der Referenzwinkelstellung aufgehoben. In einem Schritt S27 wird nach Entfernen des externen Antriebs und des Hilfslagers das Lagerschild montiert.
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Bezüglich der Zuordnung der relativen Winkelposition des Rotors zu dem Stator kann bei dem Herstellen insbesondere bezüglich der Messsignalverläufe, die repräsentativ sind für in den Spulen 3 induzierte Spannungen, ein Nulldurchgang der jeweiligen induzierten Spannung entsprechend ausgewertet werden. Darüber hinaus kann im Rahmen des Herstellens auch ein entsprechendes Justieren des axialen Abstandes zwischen dem Permanentmagnetrad 9 und dem Trägerelement 13 erfolgen. Durch das beschriebene Vorgehen kann ein Beitrag für sehr geringe Fertigungstoleranzen geleistet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Statorgehäuse
- 3
- Spulen
- 5
- Welle
- 7
- Rotormagnete
- 9
- Permanentmagnetrad
- 11
- Gebermagnete
- 15, 17, 19, 21
- Hallsensor
- 13
- Trägerelement
- 23
- erstes Lager
- 25
- Lagerschild
- 27
- zweites Lager
- 29
- Steckerelement
