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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere hybriderregte Homopolarmaschinen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Aufbauweise von Rotoranordnungen von hybriderregten Homopolarmaschinen.
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Stand der Technik
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Bei elektrisch unterstützten Lenkungen von Kraftfahrzeugen greift ein Elektromotor in die Lenkung ein, um die Lenkkraft des Fahrers zu verstärken. Dazu ist eine elektrische Maschine über ein starres Getriebe mit der Lenkstange verbunden, wobei die elektrische Maschine so angesteuert wird, dass eine Lenkbewegung des Fahrers unterstützt wird. Je nach verwendeter Art des Elektromotors treten Drehmomentschwankungen auf, die bei einer Betätigung des Lenkrads spürbar sein können.
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Weiterhin kann es je nach Art des verwendeten Elektromotors im Fehlerfall zu einem Gegenmoment kommen, das der Bewegung des Lenkrads entgegenwirkt und das Lenken erschwert. Eine wesentliche Anforderung an einen Elektromotor zur Lenkkraftunterstützung besteht darin, dass Fehler in dem Elektromotor nicht zu einer Gefährdung des Fahrers führen. Da bei einer Verwendung von bürstenkommutierten Elektromotoren in einem Fehlerfall hohe Rastmomente entstehen können, wird als Elektromotor für eine Lenkkraftunterstützung in der Regel ein elektronisch kommutierter Elektromotor vorgesehen. Insbesondere werden zusehends hybriderregte Homopolarmaschinen als Elektromotor zum Einsatz in einer Lenkkraftunterstützung angewendet.
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Für eine elektronische Kommutierung einer elektrischen Maschine ist eine genaue Kenntnis der Rotorlage erforderlich. Dazu werden üblicherweise Rotorlagegeber in Form von Geberrädern an der Rotorwelle im Inneren der elektrischen Maschine vorgesehen, die in definierter Weise zu der Rotorlage ausgerichtet sind und eine magnetische, optische oder sonstige Kodierung aufweisen. Insbesondere werden magnetische Geberräder verwendet, die eine bestimmte Struktur bzw. ein bestimmtes Magnetisierungsmuster aufweisen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Aufbau einer Rotoranordnung für eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 sowie die Rotoranordnung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zur Montage eines Geberrads eines Lagesensors an einer Rotoranordnung vorgesehen, wobei die Rotoranordnung einen auf einer Rotorwelle angeordneten Rotorkörper aufweist, der mindestens ein Rotorteil zum Bereitstellen eines Erregermagnetfelds umfasst, mit folgenden Schritten:
- – Anordnen des Geberrads an dem Rotorkörper; und
- – Ausrichten des Geberrads bezüglich einer Stellung mindestens eines Rotorteils; und
- – Befestigen des Geberrads an dem Rotorkörper, so dass das Geberrad und der Rotorkörper unmittelbar aneinander anliegen.
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Eine Idee des obigen Verfahrens zur Montage eines Geberrads eines Lagesensors an einer Rotoranordnung besteht darin, ein Sensorgeberrad so bezüglich einer Rotorwelle der Rotoranordnung anzuordnen, dass dieses eine definierte Stellung bezüglich der Rotortopologie aufweist. Dadurch kann ein mithilfe des Sensorgeberrads aufgebauter Lagesensor die Rotorlage zuverlässig detektieren und einen Absolutwert für die Rotorlage bereitstellen. Eine Idee besteht darüber hinaus darin, das Sensorgeberrad nicht an der Rotorwelle sondern unmittelbar an einem auf der Rotorwelle angebrachten Rotorkörper zu montieren, so dass die relative Winkellage des Sensorgeberrads bezüglich der Rotorwelle in einfacherer Weise festgelegt werden kann.
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Weiterhin kann zum Anordnen das Geberrad auf einen verjüngten Endabschnitt des Rotorkörpers aufgeschoben werden.
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Alternativ kann zum Anordnen das Geberrad an ein stirnseitiges Ende des Rotorkörpers angelegt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Geberrad mithilfe eines ringförmigen Elements, das auf die Rotorwelle aufgesetzt wird, befestigt werden, so dass das Geberrad zwischen dem Rotorkörper und dem ringförmigen Element angeordnet ist, wobei das ringförmige Element
- – weichmagnetisch ausgebildet ist, um durch ein von einem oder mehreren in dem Rotorteil angeordneten Permanentmagneten bereitgestelltes Magnetfeld eine Haltekraft gegen das Geberrad in Richtung des Rotorteils auszuüben, oder
- – magnetisch ausgebildet ist, um eine Haltekraft gegen das Geberrad in Richtung des Rotorteils auszuüben, das weichmagnetisch ausgebildet ist.
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Alternativ kann das Geberrad konzentrisch an einem ringförmigen Element angebracht sein, wobei das ringförmige Element weichmagnetisch ausgebildet ist und auf die Rotorwelle aufgesetzt wird, so dass es unmittelbar an dem Rotorteil anliegt und daran durch ein Magnetfeld, das durch einen in dem Rotorteil angeordneten Permanentmagneten bereitgestellt wird, gehalten wird.
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Weiterhin kann das Geberrad durch Kleben oder Verschweißen an dem Rotorkörper befestigt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
- – eine Rotorwelle;
- – einen Rotorkörper, der auf die Rotorwelle aufgesetzt ist; und
- – ein Geberrad eines Lagesensors, das unmittelbar an dem Rotorkörper anliegt und durch eine Befestigungseinrichtung an dem Rotorkörper in einer bezüglich dem Rotorkörper ausgerichteten Stellung befestigt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Befestigungseinrichtung ein ringförmiges Element umfassen, das auf die Rotorwelle aufgesetzt ist, so dass das Geberrad zwischen dem Rotorkörper und dem ringförmigen Element angeordnet ist, wobei das ringförmige Element
- – weichmagnetisch ausgebildet ist, um durch ein von einem oder mehreren in dem Rotorteil angeordneten Permanentmagneten bereitgestelltes Magnetfeld eine Haltekraft gegen das Geberrad in Richtung des Rotorteils auszuüben, oder
- – magnetisch ausgebildet ist, um eine Haltekraft gegen das Geberrad in Richtung des Rotorteils auszuüben, das weichmagnetisch ausgebildet ist.
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Alternativ kann auf dem Rotorkörper ein Rotorteil mit mindestens einem Permanentmagneten aufgesetzt sein.
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Weiterhin kann das Geberrad konzentrisch an einem ringförmigen Element angebracht sein, wobei das ringförmige Element weichmagnetisch ausgebildet ist und auf die Rotorwelle aufgesetzt wird, so dass es unmittelbar an dem Rotorteil anliegt und daran durch ein Magnetfeld, das durch den mindestens einen Permanentmagneten bereitgestellt wird, gehalten wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1a–1c Verfahrensschritte zum Aufbau eines Rotors für eine elektrische Maschine bis vor dem Schritt des Anbringens eines Sensorgeberrads;
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2a–2c Verfahrensschritte gemäß einer weiteren Ausführungsform zum Aufbau eines Rotors für eine elektrische Maschine bis vor dem Schritt des Anbringens des Sensorgeberrads;
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3a–3c Verfahrensschritte gemäß einer weiteren Ausführungsform zum Aufbau eines Rotors für eine elektrische Maschine bis vor dem Schritt des Anbringens des Sensorgeberrads;
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4a–4i Darstellungen der Anbringung des Sensorgeberrads in verschiedenen Befestigungsvarianten; und
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5a–5d ein Verfahren zum Aufbau einer elektrischen Maschine mit der obigen Rotoranordnung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In den 1a bis 1c sind die ersten Verfahrensschritte zum Aufbau eines Rotors für eine hybriderregte Homopolarmaschine dargestellt. Die aufzubauende Rotoranordnung weist zwei Rotorteile auf, die voneinander beabstandet an einer Welle angebracht sind, um eine statorfest angeordnete Erregerspule aufzunehmen.
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In dem in 1a dargestellten Verfahrensschritt wird auf eine Rotorwelle 1 ein Rotorkern 2 aufgebracht. Der Rotorkern 2 ist aus einem weichmagnetischen Material ausgebildet und weist einen ersten Abschnitt 21 und einen zweiten Abschnitt 22 auf, die zur Aufnahme von jeweiligen Rotorteilen ausgebildet sind. Dazu ist deren Außendurchmesser einem Innendurchmesser des aufzusetzenden Rotorteils angepasst. Zwischen dem ersten und dem zweiten Rotorkernabschnitt 21, 22 des Rotorkerns 2 ist ein Mittenabschnitt 23 mit vergrößertem Durchmesser vorgesehen, der zum Aufnehmen eines von einer Erregerspule (nicht gezeigt) eingeprägten Erregermagnetfelds bestimmt ist.
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Der Rotorkern 2 wird auf die Welle 1 aufgepresst, so dass der Rotorkern 2 mit einer Presspassung auf der Welle 1 gehalten wird. Zur Fixierung können auf der Welle 1 eine oder mehrere Presskerben 6 vorgesehen sein.
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In einem nachfolgenden, in 1b gezeigten Schritt dargestellt wird ein erstes Rotorteil 3, das aus einem weichmagnetischen Material gebildet ist, in dem Permanentmagnete zum Ausbilden von Rotorpolen eingebettet sind, auf den ersten Rotorkernabschnitt 21 des Rotorkerns 2 aufgeschoben. Dazu weist das erste Rotorteil 3 einen Innendurchmesser auf, der einem Außendurchmesser des ersten Abschnitts 21 des Rotorkerns 2 entspricht, so dass eine geeignete Passung des ersten Rotorteils 3 auf dem ersten Rotorkernabschnitt 21 erreicht wird.
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Durch Vorsehen des gegenüber der Welle 1 vergrößerten Durchmessers des ersten Rotorkernabschnitts 21 des Rotorkerns 2 kann das erste Rotorteil 3 unter Nutzung von unverbrauchten Presskerben an dem Rotorkernabschnitt 21 oder durch eine Presspassung zuverlässig gehalten werden. Es wird dadurch vermieden, dass das erste Rotorteil 3 auf einem Abschnitt der Welle 1 gehalten wird, über den zuvor der Rotorkern 2 bzw. der Mittenabschnitt 23 des Rotorkerns 2 aufgeschoben worden ist, wodurch etwaige Presskerben beschädigt bzw. unbrauchbar gemacht wurden.
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Wie in 1c gezeigt, kann nach dem Aufschieben des ersten Rotorteils 3 auf den ersten Abschnitt 21 des Rotorkerns 2 ein erstes Lager 4 auf die Rotorwelle 1 aufgepresst werden.
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In den 2a bis 2c ist ein alternatives Verfahren zum Aufbau einer Rotoranordnung bis vor dem Schritt des Anbringens eines Sensorgeberrads dargestellt. In 2a ist dargestellt, dass ein Rotorkern 12 auf eine Rotorwelle 11 von einer ersten Seite aufgeschoben wird. Der Rotorkern 12 weist im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen Rotorkern 2 nur einen dem zuvor beschriebenen Mittenabschnitt 23 entsprechenden Randabschnitt 123 und einen Rotorteilabschnitt 121 auf, während auf einer dem Rotorkernabschnitt 121 gegenüberliegenden Seite des Randabschnitts 123 kein Rotorkernabschnitt vorgesehen ist.
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Nach dem Aufschieben des Rotorkerns 12 auf die Rotorwelle 11 wird von einer zweiten Seite der Rotorwelle 11, wie in 2b gezeigt, ein erstes Rotorteil 13 aufgeschoben, das einen Innendurchmesser aufweist, der etwa dem Außendurchmesser der Rotorwelle 11 entspricht. Das erste Rotorteil 13 wird auf die Rotorwelle 11 aufgepresst, so dass dieses in einer Presspassung und/oder durch Presskerben 6 auf der Rotorwelle 11 gehalten wird. Nach dem Aufschieben des ersten Rotorteils 13 auf die Rotorwelle 11 wird ein erstes Lager 14 von gleicher Seite auf die Rotorwelle 11 aufgeschoben.
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Das Aufbringen des Rotorkerns 12 auf die Rotorwelle 11 über ein erstes Ende der Rotorwelle 11, das von dem zweiten Ende, über das das erste Rotorteil 13 und das erste Lager 14 aufgebracht werden, verschieden ist, hat den Vorteil, dass das Rotorteil 13 auf die Rotorwelle 11 über "unverbrauchte“ Presskerben bzw. „unverbrauchte“ Abschnitte von Presskerben aufgepresst werden kann, so dass eine zuverlässigere Halterung des ersten Rotorteils 13 erreicht wird.
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In den 3a bis 3c ist ein alternatives Verfahren zum Aufbau einer Rotoranordnung dargestellt. In 3a ist dargestellt, dass ein Rotorkern 42 auf eine Rotorwelle 41 von einer ersten Seite aufgeschoben wird. Der Rotorkern 42 weist im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen Rotorkern 2 nur einen dem zuvor beschriebenen Mittenabschnitt 23 entsprechenden Abschnitt auf. Der Rotorkern 42 weist eine Mittenöffnung 46 zur Aufnahme auf die Welle 41 auf, wobei die Mittenöffnung eine oder mehrere Ausweitungen 45 aufweist, durch die beim Aufpressen des Rotorkerns 42 mindestens eine oder mehrere Presskerben 47 der Rotorwelle 41 unbeschädigt bleiben.
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Nach dem Aufschieben des Rotorkerns 42 auf die Rotorwelle 41 wird von einer zweiten Seite der Rotorwelle 11, wie in 3b gezeigt, ein erstes Rotorteil 43 aufgeschoben, das einen Innendurchmesser aufweist, der etwa dem Außendurchmesser der Rotorwelle 11 entspricht. Das erste Rotorteil 43 wird auf die Rotorwelle 41 aufgepresst, so dass dieses in einer Presspassung und/oder durch Presskerben 6 auf der Rotorwelle 41 gehalten wird. Nach dem Aufschieben des ersten Rotorteils 43 auf die Rotorwelle 41 wird ein erstes Lager 44 von gleicher Seite auf die Rotorwelle 41 aufgeschoben.
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Das Aufbringen des Rotorkerns 42 auf die Rotorwelle 41 über ein erstes Ende der Rotorwelle 41, das von dem zweiten Ende, über das das erste Rotorteil 43 und das erste Lager 44 aufgebracht werden, verschieden ist, hat den Vorteil, dass das Rotorteil 43 auf die Rotorwelle 41 über "unverbrauchte“ Presskerben bzw. „unverbrauchte“ Abschnitte von Presskerben aufgepresst werden kann, so dass eine zuverlässigere Halterung des ersten Rotorteils 43 erreicht wird.
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Nach den in den 1c und 2c ausgeführten Verfahrensschritten zur Montage der Rotoranordnung wird nun ein Sensorgeberrad 20 auf der bezüglich des Mittenabschnitts 23 dem ersten Rotorteil 3, 13 gegenüberliegenden Seite aufgebracht. Das Sensorgeberrad 20 ist in der Regel als ein ringförmiges Element ausgebildet, das zur optischen oder magnetischen Erkennung einer Bewegung der Rotorwelle 1, 11 dient. So kann das Sensorgeberrad 20 beispielsweise als ein strukturierter weichmagnetischer Ring, ein mit verschiedenpoligen Magnetbereichen ausgebildeter Ring, ein Ring mit optisch erkennbaren Kennzeichnungen oder Strukturierungen an einer seiner Oberflächen oder dergleichen ausgebildet sein. Das Sensorgeberrad 20 wird auf einem abgestuften Endabschnitt des Rotorkernabschnitts 22, 121 aufgebracht oder an einer Stirnseite des Rotorkernabschnitts 22, 121 anliegend angeordnet.
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In den 4a bis 4i sind verschiedenen Anbringungsarten des Sensorgeberrads 20 dargestellt. In der Ausführungsform der 4a wird das Sensorgeberrad 20 auf den Endabschnitt 24 des Rotorkerns 2 aufgebracht, der einen kleineren Durchmesser aufweist als der betreffende Rotorkernabschnitt 22, 121, und auf diesem verklebt. Vor dem Verkleben oder während der Aushärtephase des Klebers kann das Sensorgeberrad 20 bezüglich der Rotorwelle 1 ausgerichtet werden, um so eine definierte Winkellage zwischen den Rotorteilen 3, 13 und dem Sensorgeberrad 20 zu erreichen.
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In 4b wird das Sensorgeberrad 20 anstelle durch Kleben mithilfe einer Clipsverbindung mit einer Ausnehmung auf dem Endabschnitt und einem entsprechenden Rastelement an dem Sensorgeberrad 20 auf dem Endabschnitt des Rotorkerns 2 angebracht. Die Clipsverbindung ist nicht umlaufend, so dass ebenfalls eine vordefinierte Winkellage des Sensorgeberrads 20 auf dem Endabschnitt 24 erreicht werden kann. Selbstverständlich kann das Sensorgeberrad 20 auch auf direkt auf der Rotorwelle 1, 11 angeclipst werden, um so eine Beabstandung zwischen dem Sensorgeberrad 20 und dem Rotorkern 2 zu erreichen.
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Ist der Endabschnitt 24 in axialer Richtung länger als das Sensorgeberrad 20 bzw. steht der betreffende Rotorkernabschnitt 22, 121 über das Sensorgeberrad 20 hervor, so kann das Sensorgeberrad 20, wie in der 4c gezeigt, auf dem Endabschnitt 24 verstemmt werden, so dass es zwischen einer Verstemmstelle 25 und der Stufe zwischen dem Endabschnitt 24 und dem Rotorkernabschnitt 22, 121 des Rotorkerns 2 verklemmt wird und somit zuverlässig in der beabsichtigten Winkellage gehalten wird.
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In 4d ist die Anbringung des Sensorgeberrads 20 an der Stirnseite des Rotorteilabschnitts mithilfe einer Schraubverbindung durch eine Hohlschraube 26, die im montierten Zustand die Rotorwelle 1, 11 umgibt und in ein Innengewinde in dem Rotorkörper 2 eingreift, gezeigt. Dies ermöglicht ebenfalls eine winkellagentreue Fixierung des Sensorgeberrads 20.
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Alternativ, wie es in 4e dargestellt ist, kann eine Fixierung mit einer Schraubverbindung auch bei einer Anbringung des Sensorgeberrads 20 auf einem verjüngten Endabschnitt 24 des Rotorkerns 2 vorgesehen sein.
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Wie in 4f gezeigt, kann das Sensorgeberrad 20 anstelle des Klebens auch mit dem Endabschnitt 24 an einer Schweißstelle S verschweißt werden, vorzugsweise an der stirnseitigen Grenzfläche zwischen dem Sensorgeberrad 20 und dem Endabschnitt 24.
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Eine weitere Ausführungsform ist in 4g dargestellt. Dort wird das Sensorgeberrad 20 mithilfe eines zusätzlichen magnetischen Halterings 28, dessen Polung z. B. in axialer Richtung ausgerichtet ist, an dem Rotorkern 2 fixiert. Dazu ist der Rotorkern 2 zumindest im Bereich der Stirnfläche F weichmagnetisch ausgebildet, so dass das Sensorgeberrad 20 durch die zwischen dem magnetischen Haltering 28 und der Stirnseite des Rotorkernabschnitts 22, 121 wirkende Magnetkraft durch Klemmen gehalten werden kann.
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Selbstverständlich kann, wie in 4h gezeigt, das Sensorgeberrad 20 auch mithilfe des magnetischen Halterings 28 durch Klemmen auf dem Endabschnitt 24 gehalten sein. Das Halten des Sensorgeberrads 20 mithilfe des magnetischen Halterings 28 ermöglicht eine sehr einfache Nachjustierung der relativen Winkellage des Sensorgeberrads 20 bezüglich der Rotorteile des Rotors.
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In 4i ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der das Sensorgeberrad 20 auf einer runden Metallplatte 29 aufgebracht ist, die im Wesentlichen einen Mindestdurchmesser aufweist, der dem doppelten Abstand eines in den Rotorteilen vorgesehenen Permanentmagneten entspricht. Das Sensorgeberrad 20 kann dann nach dem Aufbringen des zweiten Rotorteils an einer äußeren Stirnseite des zweiten Rotorteils 22 befestigt werden, indem die Metallplatte, die das Sensorgeberrad 20 trägt, durch die Permanentmagnete des zweiten Rotorteils 22 magnetisch gehalten wird.
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In den 5a bis 5d ist das Verfahren zum weiteren Aufbau der hybriderregten Homopolarmaschine mit der bisher teilweise gefertigten Rotoranordnung weiter beschrieben. Wie in 5a dargestellt, werden das erste Lager 4 in ein topfförmiges Gehäuse 50 der elektrischen Maschine in eine entsprechende erste Lagerhalterung 51 und anschließend eine Statoranordnung 52 in das Gehäuse 50 eingesetzt. Die Statoranordnung 52 weist Statorspulen 53 sowie eine mittige Erregerspule 54 auf, die quer zur axialen Richtung der elektrischen Maschine ausgerichtet ist. Beim Einsetzen der Statoranordnung 52 kommt die Erregerspule 54 radial über dem Mittenabschnitt 23 des Rotorkerns 2 zu liegen, so dass im Betrieb über die Erregerspule 54 ein zusätzliches Erregermagnetfeld in die Rotoranordnung eingeprägt werden kann.
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Wie in Schritt 5b dargestellt, wird nun das zweite Rotorteil 5 auf den Rotorkernabschnitt 22 des Rotorkerns 2 aufgeschoben und die offene Stirnseite des topfförmigen Gehäuses 50 wird mit einem entsprechenden Gehäusedeckel 55 verschlossen.
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Der Gehäusedeckel 55 weist an seiner Außenseite eine Einwölbung auf, in die ein zweites Lager 10, wie in 5d gezeigt ist, eingesetzt wird, um die Montage der elektrischen Maschine zu vollenden.
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Während der Montageschritt der 5c bei zuvor montiertem Sensorgeberrad 20 unmittelbar nach dem Aufbringen des zweiten Rotorteils erfolgt, kann bei der Variante, bei der das Sensorgeberrad 20 auf einer Metallplatte angebracht ist, als Zwischenschritt noch das Aufbringen des Sensorgeberrads 20 und der Metallplatte auf die Stirnseite des zweiten Rotorteils 22 vorgesehen sein, bevor der Gehäusedeckel 55 aufgesetzt wird.
