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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem relativ zum Stator beweglichen Rotor, wobei über eine Polfläche des Rotors verteilt eine Anzahl von Rotormagneten oder Rotormagnetpolen angeordnet ist, und wenigstens einer Sensoreinrichtung mit je einem Flussleitelement und je einem magnetischen Sensorelement zum Erfassen einer relativen Lage zwischen Stator und Rotor.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2005 004 322 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt, bestehend aus einem Stator und einem drehbar gelagerten Rotor, die mit einer Sensoreinrichtung zur Erfassung der Relativposition des Rotors bezogen auf den Stator ausgestattet ist. Mithilfe der Sensoreinrichtung kann die aktuelle Winkellage des Rotors bestimmt werden. Hierfür ist ein Hallsensor vorgesehen, der in der Lage ist, Änderungen der magnetischen Flussdichte zu sensieren. Der Rotor ist mit einem Rotormagneten ausgerüstet, dessen Magnetfeld auf Grund der Rotation des Rotors sich bezogen auf den ortsfesten Hallsensor ändert, was von diesem detektiert werden kann. Auf diese Weise können die Rotorlage und die Rotordrehzahl bestimmt werden.
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Aus der
DE 10 2007 060 241 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt, die einen Stator und einen Rotor aufweist sowie eine Sensoreinrichtung zum Erfassen der Relativlage zwischen Stator und Rotor. Dabei ist die Sensoreinrichtung mit einem Flussleitelement und einem magnetischen Sensorelement ausgestattet. Das Sensorelement ist mit Abstand zum Rotor angeordnet, wobei ein sich zwischen dem Sensorelement und dem Rotor befindender Luftspalt von dem Flussleitelement überbrückt wird. Insbesondere weist die in dieser Druckschrift beschriebene elektrische Maschine einen ringförmigen Rotormagneten mit radialer Magnetisierung auf. Das Sensorelement befindet sich mit axialem Abstand zur Rotorstirnseite. Das Flussleitelement übergreift die axial überstehende Wandung des Rotormagneten mit seinem außenliegenden Polabschnitt, der zweite Polabschnitt ist dagegen mit radialem Abstand zur Innenseite der Rotorwandung zum mittleren Bereich des Rotors geführt, wodurch es möglich ist, den Rotorrückschluss zur Flussführung zu nutzen. An der freien Stirnseite des zweiten Polabschnittes befindet sich ein quer zur Rotorachse gerichteter Polschuh. In dieser Anordnung dient vorzugsweise ein Hallsensor als Sensorelement. Das Flussleitelement verstärkt die magnetische Flussdichte des Rotorfeldes an der Position des Hallsensors. Hierzu wird über das Flussleitelement ein Rückschluss zur Führung des Rotorflusses zwischen gegensinnigen Polen des Rotormagneten gebildet. Das Flussleitelement besteht aus einem Material mit hoher magnetischer Leitfähigkeit, insbesondere aus einem weichmagnetischen Material wie zum Beispiel Eisen, diversen anderen magnetisch leitfähigen Metallen bzw. deren Legierungen oder aus einem so genannten „Soft Magnetic Composit” (SMC).
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Bei der bekannten elektrischen Maschine wird durch die mit dem Flussleitelement ausgestattete Sensoreinrichtung ausschließlich das sich mit der Bewegung des Rotors am Messort verändernde Rotor fällt detektiert. Dadurch wird eine Rotorlageerkennung ermöglicht.
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Bei elektrischen Maschinen, insbesondere bei Synchronmaschinen, ist zu deren Steuerung eine Messung des so genannten Polradwinkels wünschenswert, da diese Messgröße vorteilhaft zur lastabhängigen Steuerung der elektrischen Maschine verwendet werden kann. Die Bestimmung des Polradwinkels ist jedoch aus der Rotorlageerkennung allein noch nicht möglich. Dazu bedarf es weiterer Mess- und Auswerteeinrichtungen. Diese vorsehen zu müssen, erfordert einen zusätzlichen, hohen Geräte- bzw. Schaltungsaufwand.
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Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Die Erfindung hat die Aufgabe, bei einer elektrischen Maschine der beschriebenen Art in einfacher Weise eine Bestimmung des Polradwinkels zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird bei einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das wenigstens eine Flussleitelement im Wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung des Rotors angeordnet ist und eine magnetisch leitende Überbrückung zwischen dem Stator und dem Rotor bildet.
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Bei einer derartigen elektrischen Maschine bildet in an sich üblicher Weise der Stator den feststehenden Teil und der Rotor den beweglichen Teil. Stator und Rotor sind mit ihren Polflächen einander zugekehrt. In diesen Polflächen liegen die im Folgenden Stirnflächen der Rotormagnete bzw. der Rotormagnetpole genannten Flächen, aus denen die magnetischen Feldlinien des Hauptmagnetfeldes der Rotormagnete bzw. der Rotormagnetpole austreten. Der Rotor bewegt sich zumindest in Wesentlichen parallel zur Polfläche. Bei einem Linearmotor ist dies zumindest im Wesentlichen eine geradlinige Bewegung entlang der Polflächen von Stator und Rotor; bei einer rotierenden Maschine bildet der Rotor zumindest im Wesentlichen einen Kreiszylinder und die Bewegung erfolgt in Umfangsrichtung dieses Kreiszylinders. Bei einer rotierenden Maschine bedeutet eine Ausrichtung quer zur Bewegungsrichtung eine radiale Anordnung. Entsprechend ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem relativ zum Stator drehbeweglichen Rotor, bei dem die Anzahl der Rotormagnete oder Rotormagnetpole über den Umfang des Rotors verteilt angeordnet ist, das wenigstens eine Flussleitelement im Wesentlichen radial zur Rotationsachse angeordnet, d. h. ausgerichtet.
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Die Erfindung ermöglicht in einfacher Weise eine unmittelbare Messung des Polradwinkels an der elektrischen ohne zusätzlichen apparativen Aufwand. Insbesondere sind eine zusätzliche Gewinnung eines Signals, das eine Information über die Lage und Richtung des magnetischen Feldes im Stator enthält, und eine Verknüpfung eines solchen Signals mit einem aus einer Rotorlageerkennung gewonnenen Signal nicht mehr erforderlich. Dadurch kann die elektrische Maschine gemäß der Erfindung wesentlich vereinfacht und die Bestimmung des Polradwinkels einfacher, direkter und genauer durchgeführt werden. Auch wird zum Beispiel keine zusätzliche Anbringung eines Drehgebers auf der Rotorwelle erforderlich. Dies wird dadurch ermöglicht, dass durch die magnetisch leitende Überbrückung zwischen dem Stator und dem Rotor unmittelbar der Streufluss zwischen dem vom Stator erzeugten Magnetfeld und dem Magnetfeld der Rotormagnete gemessen wird. Dieser Streufluss hängt in seiner Größe und in der Orientierung seiner magnetischen Feldlinien direkt von der relativen Lage zwischen dem Stator und dem Rotor, d. h. dem Polradwinkel, ab. Der vom Flussleitelement gebündelte Streufluss zwischen dem Stator und dem Rotor ist somit ein direktes Maß für den Polradwinkel. Das Flussleitelement bewirkt dabei in der an sich bekannten Weise eine Verstärkung des vom magnetischen Sensorelement zu messenden magnetischen Flusses. Die so ermöglichte Gestaltung der Sensoreinrichtung ist von der Anzahl der Polpaare des Rotors unabhängig. Die Sensoreinrichtung ist somit universeller einsetzbar und auch leichter austauschbar. Der Platzbedarf wird reduziert.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich insbesondere bei Verwendung von Permanentmagneten als Rotormagnete. Da die magnetische Remanenz der Permanentmagnete in einem bestimmten Temperaturbereich mit steigender Temperatur linear abnimmt und sich diese Änderung in dem durch das magnetische Sensorelement gemessenen magnetischen Fluss niederschlägt, kann mit der erfindungsgemäßen Konfiguration der elektrischen Maschine auch die Temperatur der Rotormagnete erfasst werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine bildet das wenigstens eine Flussleitelement eine magnetisch leitende Überbrückung zwischen dem Stator und einer im Wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung weisenden, d. h. im Wesentlichen parallel zur Hauptmagnetisierungsrichtung der Rotormagnete verlaufende Seitenfläche der Rotormagnete bzw. der Rotormagnetpole. Dementsprechend bildet bei einer elektrischen Maschine mit einem relativ zum Stator drehbeweglichen Rotor, bei dem die Anzahl der Rotormagnete oder Rotormagnetpole über den Umfang des Rotors verteilt angeordnet ist, das wenigstens eine Flussleitelement eine magnetisch leitende Überbrückung zwischen dem Stator und einer im Wesentlichen axialen Seitenfläche der Rotormagnete bzw. der Rotormagnetpole. Dies erlaubt eine unmittelbare Ankopplung an das Streufeld der Rotormagnete und ermöglicht eine einfache und kompakte Bauweise.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine umfasst das wenigstens eine Flussleitelement einen ersten magnetisch leitenden Schenkel, der mit einem ersten Ende wenigstens nahezu in Berührung mit dem Stator angeordnet ist. Dadurch wird eine gute magnetische Leitfähigkeit und damit eine enge magnetische Ankopplung an den Stator erreicht.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine umfasst das wenigstens eine Flussleitelement einen zweiten magnetisch leitenden Schenkel, der mit einem ersten Ende vor der im Wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung weisenden bzw. axialen Seitenfläche der Rotormagnete bzw. der Rotormagnetpole und von dieser Seitenfläche durch einen Luftspalt beabstandet angeordnet ist. Der Luftspalt, der bei gegenüber dem Stator ortsfester Anordnung der Sensoreinrichtung zur Gewährleistung der Beweglichkeit des Rotors vorgesehen ist, soll dabei für eine möglichst gute magnetische Leitfähigkeit zwischen dem Rotor und der Sensoreinrichtung möglichst gering dimensioniert werden.
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Eine elektrische Maschine der hier beschriebenen Art kann jedoch mit einer so genannten Wuchtscheibe ausgestattet sein, die einen Massenausgleich, d. h. einen Ausgleich der Unwucht des Rotors, individuell für jedes Exemplar der elektrischen Maschine gestattet. Für den Fall, dass diese Wuchtscheibe räumlich zwischen den Rotormagneten und der Sensoreinrichtung, insbesondere also vor der quer zur Bewegungsrichtung weisenden bzw. axialen Seitenfläche der Rotormagnete bzw. der Rotormagnetpole, positioniert ist, bedingt sie eine Vergrößerung des Abstandes zwischen der Sensoreinrichtung und der Seitenfläche der Rotormagnete bzw. der Rotormagnetpole. Das Flussleitelement ist derart dimensioniert, dass der Einfluss der kubisch mit dem genannten Abstand einhergehenden Schwächung der Dichte des magnetischen Flusses wenigstens weitgehend kompensiert wird.
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Nach einer weiteren bevorzugten Fortbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist in der wenigstens einen Sensoreinrichtung das magnetische Sensorelement zwischen zweiten Enden des wenigstens einen Flussleitelements angeordnet. Der zu messende magnetische Fluss kann damit präzise dem magnetischen Sensorelement beaufschlagt werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist in der wenigstens einen Sensoreinrichtung das magnetische Sensorelement mit einem Hallelement ausgebildet. Ein Hallelement bzw. Hallsensor ist einfach aufgebaut und ermöglicht eine präzise Messung des magnetischen Flusses.
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Nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung ist die elektrische Maschine in der einfachsten Ausführung mit einer einzelnen Sensoreinrichtung der vorstehend beschriebenen Bauweise ausgestattet. Um jedoch die Genauigkeit der Messung des Polradwinkels zu erhöhen und den Einfluss der Geometrie des Rotors auf die gewonnenen Messwerte für den Polradwinkel zu reduzieren, kann gemäß einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine eine Konfiguration mit drei Sensoreinrichtungen vorgesehen werden, die entlang der Bewegungsrichtung des Rotors in Abständen zueinander angeordnet sind, wobei die Abstände je wenigstens nahezu einem Drittel der Ausdehnung der Polfläche des Rotors in seiner Bewegungsrichtung, geteilt durch die Polpaarzahl des Rotors, entsprechen. Das bedeutet, dass die drei Sensoreinrichtungen in einem elektrischen Winkel von 60° zueinander angeordnet sind, wobei dieser elektrische Winkel von 60° einem mechanischen Winkel von 60°, geteilt durch die Polpaarzahl des Rotors, entspricht.
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Ein besonders einfacher Aufbau der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sowie ein definiertes magnetisches Streufeld der Rotormagnete und damit definierte Messwerte werden erzielt, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Rotormagnete als Permanentmagnete ausgebildet sind.
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Nach einer anderen Weiterbildung ist die erfindungsgemäße elektrische Maschine als Synchronmaschine ausgebildet. Vorzugsweise weist die elektrische Maschine einen mit Permanentmagneten ausgebildeten Rotor auf und wird dann als Permanentmagnet-Synchronmaschine bezeichnet. Derartige Maschinen sind besonders einfach und robust.
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Bei einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weist bevorzugt der Stator eine Anzahl von in der Bewegungsrichtung des Rotors aufeinanderfolgenden Statorzähnen auf, die zur Erzeugung eines sich bewegenden Statormagnetfeldes mit je einer mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Wicklung umgeben sind, und ist das Flussleitelement der wenigstens einen Sensoreinrichtung mit dem ersten Ende seines ersten magnetisch leitenden Schenkels seitlich vor einem der Statorzähne, d. h. vor einer im Wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung weisenden und damit im Wesentlichen parallel zur Hauptmagnetisierungsrichtung der Statorzähne verlaufenden Seitenfläche der Statorzähne, angeordnet. Die Seitenfläche der Statorzähne ist somit wenigstens weitgehend parallel zur Seitenfläche der Rotormagnete bzw. der Rotormagnetpole ausgerichtet.
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Bevorzugt ist eine elektrische Maschine weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass das Flussleitelement der wenigstens einen Sensoreinrichtung benachbart zum ersten Ende seines ersten magnetisch leitenden Schenkels mit einer Fixiereinrichtung versehen ist, mit der die Sensoreinrichtung seitlich vor dem Statorzahn in einer definierten Position fixiert ist. Damit ist insbesondere im Reparaturfall bei einem Wechsel der Sensoreinrichtung eine erneute Kalibrierung entbehrlich. Vorteilhaft wird eine definierte Positionierung dadurch erreicht, dass die Fixiereinrichtung zum Fixieren der Sensoreinrichtung in der definierten Position vor dem Statorzahn mit den Statorzahn von seiner Seitenfläche her umgreifenden Fixierungsfingern ausgestaltet ist. Die Fixierungsfinger ragen dabei von der Seitenfläche des Statorzahns her in je eine der Lücken beiderseits des Statorzahns. In einer Abwandlung dieser Konfiguration kann auch ein einzelner Fixierungsfinger in eine Ausnehmung in der Seitenfläche des Statorzahns fassen. Vorteilhaft ist die Fixiereinrichtung andererseits an einem Lagerschild der elektrischen Maschine befestigt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im nachfolgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße elektrische Maschine in einer schematischen Schnittdarstellung quer zur Bewegungsrichtung,
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2 eine Einzelheit der elektrischen Maschine gemäß 1,
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3 eine Teilansicht der elektrischen Maschine gemäß 1 in axialer Blickrichtung,
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4 die Teilansicht der elektrischen Maschine gemäß 3 im Betrieb,
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5 ein erstes Beispiel für eine konstruktive Ausgestaltung einer Sensoreinrichtung in einer elektrischen Maschine gemäß 1,
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6 ein zweites Beispiel für eine konstruktive Ausgestaltung einer Sensoreinrichtung in einer elektrischen Maschine gemäß 1, und
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7 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße elektrische Maschine in einer schematischen Darstellung senkrecht zur Bewegungsrichtung.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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In 1 ist mit dem Bezugszeichen 100 eine elektrische Maschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung bezeichnet, die schematisch im Längsschnitt dargestellt ist. Bei dieser rotierenden elektrischen Maschine 100 läuft ein mittels einer Rotorwelle 110 um eine Rotationsachse 121 drehbar gelagerter, im Wesentlichen kreiszylindrischer Rotor 111 in einem dem Rotor 111 umgebenden Stator 112. Der Stator 112 ist mit einer Anzahl in Bewegungsrichtung 117 des Rotors 111 aufeinanderfolgender, über den Umfang des Stators 112 verteilter Statorzähne 113 ausgebildet. Jeder Statorzahn 113 trägt eine zur Erzeugung eines rotierenden Statormagnetfeldes mit einem elektrischen Strom beaufschlagbare Wicklung 114, die vor einer im Wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung 117, d. h. Drehrichtung des Rotors 111 weisenden und somit im Wesentlichen parallel zur Hauptmagnetisierungsrichtung der Statorzähne 113 verlaufenden Seitenfläche 115 der Statorzähne 113 je einen Wicklungskopf 116 bildet.
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Der Rotor 111 ist mit ferromagnetischem Material 118 ausgebildet, in das eine Anzahl hier plattenartig geformter Permanentmagnete 119 eingebettet ist, die die Rotormagnete bilden. Die Permanentmagnete 119 sind radial magnetisiert und in der Ausführungsform nach 1 flächig über den Umfang des Rotors 111 verteilt. In axialer Richtung des Rotors 111 sind hier beispielhaft je sechs Permanentmagnete 119 hintereinander angeordnet. In Umfangsrichtung des Rotors 111, d. h. in seiner Dreh- bzw. Bewegungsrichtung 117, sind aufeinanderfolgend angeordnete Permanentmagnete 119 jeweils gegensinnig magnetisiert, so dass entlang der Umfangsfläche des Rotors 111, die eine Polfläche 120 des Rotors 111 darstellt, abwechselnd magnetische Nordpole und Südpole vorhanden sind, insgesamt eine gerade Anzahl magnetischer Pole. Die der Polfläche 120 gegenüberliegenden Flächen der Statorzähne 113 bilden eine Polfläche 122 des Stators 112.
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Vor einer axialen Seitenfläche des Rotors 111 und damit vor einer axialen Seitenfläche 123 der Permanentmagnete 119, die quer zur Bewegungsrichtung 117 des Rotors 111 weist, ist bei der elektrischen Maschine gemäß 1 eine Wuchtscheibe 124 angeordnet, mit deren Hilfe ein Ausgleich der Massenverteilung individuell für jedes Exemplar der elektrischen Maschine 100, d. h. ein Auswuchten des Rotors 111, vorgenommen werden kann.
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Die elektrische Maschine 100 gemäß 1 umfasst weiterhin eine Sensoreinrichtung 125, die mit einem Flussleitelement 126, 127 und einem Sensorelement 128 ausgebildet ist. Das Flussleitelement 126, 127 ist mit einem ersten magnetisch leitenden Schenkel 126 und einem zweiten magnetisch leitenden Schenkel 127 ausgestaltet. Das Flussleitelement 126, 127 ist in der elektrischen Maschine gemäß 1 vor der axialen Seitenfläche 123 der Permanentmagnete 119 angeordnet und radial zur Rotationsachse 121 ausgerichtet. In dieser Konfiguration bildet das Flussleitelement 126, 127 eine magnetisch leitende Überbrückung zwischen dem Stator 112 und dem Rotor 111.
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2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Flussleitelements 126, 127 nach 1. Darin sind übereinstimmende Elemente wieder mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In der Anordnung nach 2 weist der erste magnetisch leitende Schenkel 126 des Flussleitelements 126, 127 ein erstes Ende 129 auf, das dicht vor der Seitenfläche 115 des Statorzahns 113 positioniert ist. Dabei ist eine möglichst enge magnetische Kopplung zwischen dem ersten magnetisch leitenden Schenkel 126 und dem Statorzahn 113 angestrebt. Zwar ist eine unmittelbare Berührung dafür besonders günstig, jedoch kann eine dünne, elektrisch isolierende Zwischenschicht zur Vermeidung von Wirbelströmen vorgesehen sein.
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Der zweite magnetisch leitende Schenkel 127 des Flussleitelements 126, 127 umfasst weiterhin einen zweiten magnetisch leitenden Schenkel 127, der mit einem ersten Ende 131 vor der im Wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung 117 weisenden bzw. axialen Seitenfläche 123 der Rotormagnete, d. h. Permanentmagnete 119 bzw. der Rotormagnetpole und von dieser Seitenfläche 123 durch einen Luftspalt 133 beabstandet angeordnet ist. Der Luftspalt 133 beinhaltet zum einen den Abstand zwischen dem zweiten magnetisch leitenden Schenkel 127 und der Wuchtscheibe 124, der für eine reibungslose Bewegung des Rotors 111 erforderlich ist, zum anderen auch die Dicke der Wuchtscheibe 124, insbesondere soweit diese aus magnetisch nichtleitendem Material gefertigt ist. Zwar schwächt der Luftspalt 133 das vom Sensorelement 128 gemessene Magnetfeld, jedoch dient das Flussleitelement 126, 127 als Ausgleich, in dem es den zu messenden Streufluss auf das Sensorelement 128 bündelt.
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Zwischen einem zweiten Ende 130 des ersten magnetisch leitenden Schenkels 126 und einen zweiten Ende 132 des zweiten magnetisch leitenden Schenkels 127 ist des Flussleitelements 126, 127 ist das Sensorelement 128 so angeordnet, dass es von dem die magnetisch leitenden Schenkel 126, 127 durchsetzenden magnetischen Fluss beaufschlagt, jedoch von magnetischen Streuflüssen in der Umgebung möglichst nicht beeinflusst wird. Auf diese Weise stellt das Flussleitelement 126, 127 eine direkte Kopplung zwischen dem magnetischen Streufeld der Permanentmagnete 119 und dem Stator 112, insbesondere dem Statorzahn 113, her. Bevorzugt ist das Sensorelement 128 als Hallelement bzw. Hallsensor ausgeführt.
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3 zeigt eine schematische Teilansicht der elektrischen Maschine 100 gemäß 1 in axialer Blickrichtung, wobei im Wesentlichen die schon in 2 dargestellte Anordnung der Sensoreinrichtung 125 wiedergegebenen ist. Auch hier sind übereinstimmende Elemente wieder mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Übersichtlichkeit halber sind der Wicklungskopf 116 und die Wuchtscheibe 124 weggelassen.
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In 3 ist eine Position des Rotors 111 dargestellt, in der einer der Permanentmagnete 119 dem Statorzahn 113, vor dem die Sensoreinrichtung 125 angeordnet ist, gerade gegenübersteht. In einer solchen Rotorposition würde sich, wenn die Wicklung 114 mit einem Strom beaufschlagt wird, zwischen dem Streufeld des Permanentmagneten 119 und dem Statorzahn 113 eine bezüglich der mittig vor dem Statorzahn 113 und dem Permanentmagneten 119 angeordneten Sensoreinrichtung 125 symmetrische Feldverteilung des magnetischen Feldes ausbilden. Von der Sensoreinrichtung 125 wird also der Streufluss zwischen dem Statorzahn 113 und dem diesem jeweils gegenüberstehenden – bzw. diesen zum jeweiligen Zeitpunkt gerade passierenden – Permanentmagneten 119 vor dessen axialer Seitenfläche 123 erfasst.
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4, in der übereinstimmende Elemente wieder mit denselben Bezugszeichen versehen sind, zeigt einen Betriebsfall der elektrischen Maschine 100, in dem durch eine Belastung der elektrischen Maschine 100 der Rotor 111 dem rotierenden magnetischen Feld des Stators 112 um einen als Polradwinkel 134 bezeichneten Winkel nacheilt. Mit Feldlinien 135 ist die sich dadurch ergebende Änderung der magnetischen Flussdichte am Ort der Sensoreinrichtung 125 angedeutet. Diese Änderung der magnetischen Flussdichte ist unmittelbar vom Polradwinkel 134 abhängig. Mit der Sensoreinrichtung 125 ist die Änderung der magnetischen Flussdichte messbar und liefert einen Messwert, der ein unmittelbares Maß für den Polradwinkel 134 darstellt.
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Wird in einer elektrischen Maschine 100 eine Konfiguration mit drei Sensoreinrichtungen 125 vorgesehen, die zueinander entlang der Bewegungsrichtung 117 des Rotors 111 in Abständen von je wenigstens nahezu einem Drittel der Ausdehnung der Polfläche 120 des Rotors 111 in seiner Bewegungsrichtung 117, geteilt durch die Polpaarzahl des Rotors 111, angeordnet sind, kann die Genauigkeit der Messung des Polradwinkels 134 erhöht und der Einfluss der Geometrie des Rotors 111 auf die gewonnenen Messwerte für den Polradwinkel 134 reduziert werden. Dabei sind die drei Sensoreinrichtungen 125 in einem elektrischen Winkel von 60° zueinander angeordnet, wobei dieser elektrische Winkel von 60° einem mechanischen Winkel von 60°, geteilt durch die Polpaarzahl des Rotors 111, entspricht.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen praktischen Aufbau einer Sensoreinrichtung 125, worin übereinstimmende Elemente wieder mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Die Sensoreinrichtung 125 ist mit den magnetisch leitenden Schenkeln 126, 127 und dem Sensorelement 128 an einem Gehäuse 136 befestigt. Das Gehäuse 136 ist mit Schrauben 137 an der elektrischen Maschine 100, bevorzugt an einem axialen Lagerschild 138 (vergleiche 6), montierbar.
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Um insbesondere im Reparaturfall bei einem Wechsel der Sensoreinrichtung 125 eine erneute Kalibrierung entbehrlich machen zu können, kann das Flussleitelement 126, 127 der Sensoreinrichtung 125 benachbart zum ersten Ende 129 seines ersten magnetisch leitenden Schenkels 126 mit einer Fixiereinrichtung 139 versehen sein, wie dies in dem in 6 wiedergegebenen Beispiel gezeigt ist. Darin ist eine Schnittansicht entsprechend derjenigen nach 1 gewählt. Übereinstimmende Elemente sind wieder mit identischen Bezugszeichen versehen.
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Mit der Fixiereinrichtung 139 wird die Sensoreinrichtung 125 seitlich vor dem Statorzahn 113 in einer definierten Position fixiert. Vorteilhaft wird dabei eine definierte Positionierung dadurch erreicht, dass die Fixiereinrichtung 139 mit zum Beispiel zwei Fixierungsfingern 140 ausgestaltet ist, die den Statorzahn 113 von seiner Seitenfläche 115 her umgreifenden. Die Fixierungsfinger 140 ragen dabei von der Seitenfläche 115 des Statorzahns 113 her in je eine der Lücken beiderseits des Statorzahns 113. In einer Abwandlung dieser Konfiguration kann auch ein einzelner Fixierungsfinger 140 in eine Ausnehmung in der Seitenfläche 115 des Statorzahns 113 fassen. Bevorzugt ist die Fixiereinrichtung 139 andererseits an dem Lagerschild 138 der elektrischen Maschine 100 befestigt. Dazu ist im dargestellten Beispiel die Fixiereinrichtung 139 als Teil eines die Sensoreinrichtung 125 umschließenden Gehäuses 136 ausgestaltet, das wie gemäß 5 vorgesehen mit dem Lagerschild 138 verbunden ist.
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In 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für eine elektrische Maschine 200 schematisch dargestellt. Darin sind Elemente, die denen aus den 1 bis 6 entsprechen, wieder mit denselben Bezugszeichen versehen. Bei der elektrischen Maschine 200 handelt es sich um einen Linearmotor, bevorzugt um eine Linear-Synchronmaschine, bei dem die Erfindung in grundsätzlich übereinstimmender Weise eingesetzt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung stellt somit eine vorteilhafte Vorrichtung mit einer Sensoreinrichtung zur Erkennung des Polradwinkels unabhängig von der Rotorlage dar. Diese Sensoreinrichtung umfasst ein Flussleitelement, dessen erster magnetisch leitende Schenkel direkt mit einem Statorzahn Kontakt gebracht oder mit einem nur sehr kleinen Abstand (bevorzugt kleiner als 0,5 mm) zum Statorzahn angeordnet wird, um eine Flussführung vom Statorzahn zur Sensoreinrichtung zu erleichtern. Der zweite magnetisch leitende Schenkel befindet sich axial vor der freien Seite des Rotors. Mit dieser Sensoreinrichtung wird der Feldunterschied zwischen den synchron drehenden Stator- und Rotorfeldern ermittelt. Diese Messung führt zur direkten Messung des Polradwinkels der Maschine. Da der Polradwinkel im Betrieb nicht größer als 90° werden darf, weil außer Tritt gerät und stehen bleibt, ist die Messung dieser Größe für die Steuerung solcher Maschinen sehr wichtig.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Elektrische Maschine
- 110
- Rotorwelle
- 111
- Rotor
- 112
- Stator
- 113
- Statorzahn
- 114
- Wicklung
- 115
- Seitenfläche von 113
- 116
- Wicklungskopf von 114
- 117
- Bewegungsrichtung von 111
- 118
- ferromagnetisches Material von 111
- 119
- Permanentmagnete (Rotormagnete)
- 120
- Polfläche von 111
- 121
- Rotationsachse
- 122
- Polfläche von 112
- 123
- axiale Seitenfläche von 119
- 124
- Wuchtscheibe
- 125
- Sensoreinrichtung
- 126
- 1. magnetisch leitender Schenkel – Flussleitelement
- 127
- 2. magnetisch leitender Schenkel – Flussleitelement
- 128
- Sensorelement
- 129
- 1. Ende von 126
- 130
- 2. Ende von 126
- 131
- 1. Ende von 127
- 132
- 2. Ende von 127
- 133
- Luftspalt
- 134
- Polradwinkel
- 135
- Feldlinien
- 136
- Gehäuse
- 137
- Schrauben
- 138
- Lagerschild
- 139
- Fixiereinrichtung
- 140
- Fixierungsfinger
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005004322 A1 [0002]
- DE 102007060241 A1 [0003]
