DE102012224012A1 - Spool for mounting on a magnetic core, reluctance resolver and method of manufacture - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Spulenkörper (100) zur Montage an einem Magnetkern (118) einer sich drehenden elektrischen Maschine sowie auf einen magnetoelektrischen Winkelsensor, insbesondere einen Reluktanzresolver, dessen Stator nach den erfindungsgemäßen Prinzipien aufgebaut ist. Der Spulenkörper hat einen Wicklungskörper (102), zum Aufbringen einer Wicklung, wobei der Wicklungskörper (102) eine Aufnahme (124) zum Aufnehmen eines Zahns (116) des Magnetkerns (118) aufweist, wobei der Wicklungskörper (102) einen teilweise offenen Querschnitt aufweist, so dass der Spulenkörper (100) in einer Richtung quer zu einer Längsachse des Zahns (116) auf den Zahn aufschiebbar ist, und wobei der Spulenkörper (100) so geformt ist, dass er mit dem Magnetkern (118) zum Fixieren zusammenwirkt. Weiterhin kann weiterhin mindestens ein Führungselement (134) zum Führen eines Spulendrahtes (111) während des Bewickelns des Spulenkörpers (100) vorgesehen sein.The present invention relates to a coil former (100) for mounting on a magnetic core (118) of a rotating electrical machine and to a magnetoelectric angle sensor, in particular a reluctance resolver, the stator of which is constructed according to the principles of the invention. The coil former has a winding body (102) for applying a winding, the winding body (102) having a receptacle (124) for receiving a tooth (116) of the magnetic core (118), the winding body (102) having a partially open cross section , so that the coil former (100) can be pushed onto the tooth in a direction transverse to a longitudinal axis of the tooth (116), and the coil former (100) is shaped in such a way that it interacts with the magnetic core (118) for fixing. Furthermore, at least one guide element (134) can be provided for guiding a coil wire (111) during the winding of the coil body (100).
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Spulenkörper zur Montage an einem Magnetkern einer sich drehenden elektrischen Maschine sowie auf einen magnetoelektrischen Winkelsensor, insbesondere einen Reluktanzresolver, dessen Stator nach den erfindungsgemäßen Prinzipien aufgebaut ist. Schließlich bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines derartigen Reluktanzresolvers. The present invention relates to a bobbin for mounting on a magnetic core of a rotating electrical machine and to a magnetoelectric angle sensor, in particular a reluctance resolver whose stator is constructed according to the principles of the invention. Finally, the present invention relates to a manufacturing method for producing such a reluctance resolver.
Derartige Reluktanzresolver haben einen rotationssymmetrischen, zumindest teilweise weichmagnetischen Stator und einen rotationssymmetrischen, zumindest teilweise weichmagnetischen Rotor, die einander unter Bildung eines Luftspalts gegenüberstehen. Der magnetische Widerstand in dem Luftspalt ändert sich aufgrund einer über den Umfang variierenden Gestaltung des Rotors periodisch. Such reluctance resolvers have a rotationally symmetrical, at least partially soft magnetic stator and a rotationally symmetrical, at least partially soft magnetic rotor, which face each other to form an air gap. The magnetic resistance in the air gap changes periodically due to a circumferentially varying configuration of the rotor.
Der Winkelsensor weist einen auf dem Stator angeordneten Magnetflusssender auf, der über mindestens ein Polpaar eine vorgegebene Magnetflussverteilung in dem Luftspalt erzeugt. Weiterhin ist auf dem Stator ein Magnetflussempfänger angeordnet, der über mindestens zwei gegeneinander im Winkel versetzt angeordnete Signalpolpaare die Intensität des Magnetfelds misst, wobei aus den beiden Empfängersignalen ein Winkelwert für eine Relativstellung des Rotors gegenüber dem Stator ableitbar ist. The angle sensor has a magnetic flux transmitter arranged on the stator, which generates a predetermined magnetic flux distribution in the air gap via at least one pole pair. Furthermore, a magnetic flux receiver is arranged on the stator, which measures the intensity of the magnetic field via at least two mutually offset signal poles, wherein an angle value for a relative position of the rotor relative to the stator can be derived from the two receiver signals.
Derartige Winkelsensoren, die auf dem Prinzip einer veränderlichen Magnetflussintensität in dem Luftspalt zwischen Stator und Rotor basieren, sind in vielfältiger Weise bekannt. Grundsätzlich kommen dabei unterschiedliche Prinzipien zur Erzeugung der magnetischen Durchflutung in Sendeteil und auch unterschiedliche Prinzipien zur Magnetfeldmessung im Empfängerteil in Betracht. Bei den Drehmeldern, also den Resolvern und Syncros, werden elektromagnetische Spulen in Form von Primär- und Sekundärwicklungen verwendet. Solche Drehmelder in Form von Resolvern und Syncros sind seit langem als genaue und robuste Winkelsensoren bekannt. Dabei sind auch sogenannte passive Reluktanzresolver bekannt, bei denen sowohl die Primärwicklung als auch die Sekundärwicklung auf dem Stator untergebracht sind, während der Rotor wicklungslos, also passiv, lediglich mit weichmagnetischen Teilen den Magnetflusskreis beeinflusst. Durch eine ungleichmäßige Gestaltung des weichmagnetischen Rotors, beispielsweise durch Vorsehen von Nocken (englisch „lobes“), wird der Magnetfluss zwischen den Primärwicklungen und den Sekundärwicklungen im Stator unterschiedlich beeinflusst, woraus sich über die induzierte Spannung die Winkelstellung des Rotors ableiten lässt. Such angle sensors, which are based on the principle of a variable magnetic flux intensity in the air gap between the stator and rotor, are known in many ways. In principle, different principles for generating the magnetic flux in the transmitting part and also different principles for magnetic field measurement in the receiver part come into consideration. The resolvers, ie the resolvers and syncros, use electromagnetic coils in the form of primary and secondary windings. Such resolvers in the form of resolvers and syncros have long been known as accurate and robust angle sensors. In this case, so-called passive reluctance resolver are known in which both the primary winding and the secondary winding are accommodated on the stator, while the rotor without development, so passive, only with soft magnetic parts affects the magnetic flux circuit. By an uneven design of the soft magnetic rotor, for example by providing cams (English "lobes"), the magnetic flux between the primary windings and the secondary windings in the stator is influenced differently, from which can be derived via the induced voltage, the angular position of the rotor.
Zur Herstellung eines derartigen Stators gibt es verschiedene technische Realisierungsmöglichkeiten. Zum einen können die Wicklungen direkt auf jeweils einen oder über mehrere Zähne des Magnetkerns gewickelt werden. Zum anderen besteht für Wicklungsschemata, bei denen jeweils nur ein einzelner Zahn von der oder den jeweiligen Wicklungen umschlossen ist, die Möglichkeit, die Wicklungen erst auf Kunststoffspulenkörper aufzubringen und diese Spulenkörper beim Zusammenbau auf die Zähne des Magnetkerns aufzuschieben. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der
Es ist weiterhin bekannt, die Spulenkörper an dem Magnetkern mittels spezieller Haltestrukturen zu fixieren, wie dies beispielsweise in der
Die oben erwähnten bekannten Spulenkörper werden aber erst bewickelt und anschließend in einer Richtung entlang der Längsachse der einzelnen Zähne auf dem Magnetkern montiert. Anschließend muss eine elektrische Kontaktierung der aufgetrennten Einzelanschlüsse der Spulen, beispielsweise über ein Printed Circuit Board (PCB), erfolgen. Diese Herangehensweise bedingt eine hohe Anzahl von Einzelteilen und einen hohen Aufwand bei der Montage und Kontaktierung. However, the above-mentioned known bobbins are first wound and then mounted in a direction along the longitudinal axis of the individual teeth on the magnetic core. Subsequently, an electrical contacting of the separated individual terminals of the coils, for example via a printed circuit board (PCB), take place. This approach requires a high number of items and a lot of effort during assembly and contacting.
Andererseits ist aus der
Nachteilig ist allerdings bei dieser Anordnung, dass immer noch vergleichsweise viele einzelne Kunststoffteile erforderlich sind, um den mit Spulen bestückten Magnetkern bereitzustellen. A disadvantage, however, in this arrangement, that still comparatively many individual plastic parts are required to provide the equipped with coils magnetic core.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt beim Herstellen von Magnetkernen, bei denen die Wicklung direkt auf die Zähne des Kerns aufgewickelt wird, ist die Führung des Spulendrahts während des Bewickelns. Es existieren verschiedene Ansätze, um diese Bewicklung möglichst effizient durchzuführen. Beispielsweise zeigt die
Es besteht aber nach wie vor das Bedürfnis, Spulenkörper an den Zähnen eines Magnetkerns in einer Weise zu fixieren, dass sie einfach und kostengünstig montiert werden können, aber im Betrieb einen sicheren und langzeitstabilen Sitz gewährleisten, und darüber hinaus ein besonders effizientes und exaktes Bewickeln zu ermöglichen. However, there is still the need to fix bobbin to the teeth of a magnetic core in a way that they can be easily and inexpensively mounted, but ensure a safe and long-term stable seat in operation, and moreover a particularly efficient and accurate winding enable.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous developments of the present invention are the subject of the dependent claims.
Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, den Wicklungskörper mit einem teilweise offenen Querschnitt auszubilden, sodass der Spulenkörper in einer Richtung quer zu einer Längsachse des Zahns auf den Zahn aufschiebbar ist und in Wechselwirkung mit dem Zahn an diesem fixiert ist. Auf diese Weise wird zum einen nur ein einziges Kunststoffteil für den Spulenkörper benötigt und es ist zum anderen eine besonders effiziente, leicht automatisierbare Montage möglich. Here, the present invention is based on the idea to form the winding body with a partially open cross section, so that the bobbin in a direction transverse to a longitudinal axis of the tooth is pushed onto the tooth and is fixed in interaction with the tooth at this. In this way, on the one hand, only a single plastic part is needed for the bobbin and on the other hand a particularly efficient, easily automatable assembly is possible.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass die im Wesentlichen sattelförmige Ausgestaltung des Spulenkörpers für eine ausreichende Führung, Sicherung und Isolierung der Spulenwicklung genügt und dass kein vollkommen geschlossener Querschnitt erforderlich ist. Auf besonders einfache Art und Weise wird der Spulenkörper an den Magnetkern dadurch fixiert, dass an der Aufnahme des Spulenkörpers, in welcher der Zahn aufgenommen wird, ein Schnapphaken oder eine Quetschrippe vorgesehen ist, über die der Spulenkörper fest an dem Zahn fixiert ist. Im Unterschied zu bekannten Lösungen ist damit bei der erfindungsgemäßen Lösung nur eine Halbschale vorgesehen anstelle der sonst üblichen zweiteiligen Ausformung. The inventors of the present invention have recognized that the substantially saddle-shaped configuration of the bobbin sufficient for sufficient guidance, security and insulation of the coil winding and that no completely closed cross-section is required. In a particularly simple manner, the bobbin is fixed to the magnetic core in that a snap hook or a crushing rib is provided on the receptacle of the bobbin, in which the tooth is received, via which the bobbin is firmly fixed to the tooth. In contrast to known solutions, only one half-shell is therefore provided in the solution according to the invention instead of the usual two-part molding.
Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Fixiereinrichtung vorgesehen sein, die in einem auf das Joch des Magnetkerns hin orientierten Bereich des Spulenkörpers angeordnet ist und mit einer Haltestruktur des Magnetkerns zusammenwirkt, um den Spulenkörper zu fixieren. Dies können beispielsweise Haken sein, die in entsprechende Öffnungen an dem Magnetkern eingeschoben werden. Derartige Verbindungen können z.B. gemäß den Prinzipien der
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen eines speziell ausgebildeten Führungselements zum Führen des Spulendrahts während des Bewicklungsvorgangs. Another aspect of the present invention is the provision of a specially designed guide member for guiding the coil wire during the winding operation.
Insbesondere hat das Führungselement eine Führungsschräge, die sich von einem Stirnbereich des Führungselements bis zu einem an dem Spulenkörper angeordneten Basisbereich des Führungselements erstreckt. Insbesondere ist das Führungselement so ausgebildet, dass der Basisbereich eine geringere Querschnittsabmessung hat als der Stirnbereich. Dies kann durch eine pyramidenstumpfförmige Ausgestaltung des Führungselements erreicht werden, wobei die Grundfläche des Pyramidenstumpfes sich an dem Stirnbereich befindet und eine polygonale, kreisförmige oder ellipsoide Form hat. Das Führungselement kann aber auch die Form eines schiefen Prismas oder eines schiefen Zylinders haben, also im Basisbereich einen mit Bezug auf den Stirnbereich in Richtung auf die gewünschte Drahtposition versetzten Querschnitt besitzen, wobei der Stirnbereich aber eine ähnliche Flächenabmessung hat wie der Basisbereich. In particular, the guide element has a guide slope, which extends from an end region of the guide element to a base region of the guide element arranged on the coil body. In particular, the guide element is designed such that the base region has a smaller cross-sectional dimension than the front region. This can be achieved by a truncated pyramidal configuration of the guide element, wherein the base of the truncated pyramid is located at the end portion and has a polygonal, circular or ellipsoidal shape. However, the guide element can also have the shape of an oblique prism or a skewed cylinder, ie in the base region have a cross-section offset with respect to the end region in the direction of the desired wire position, wherein the end region but has a similar surface dimension as the base region.
Entscheidend ist in jedem Fall, dass durch Zug auf den Draht dieser eine Kraftkomponente in Richtung auf den Basisbereich erfährt und so automatisch in die richtige Lage gebracht wird. It is crucial in any case that by train on the wire this experiences a force component in the direction of the base region and is thus automatically brought into the correct position.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann außerdem vorgesehen werden, den gewickelten Draht so vorzubehandeln, dass er nach dem Wickeln gebondet werden kann, und somit die sonst üblichen Vergussschritte entfallen. Beispielsweise kann der Draht mit einer entsprechenden Beschichtung versehen werden, die nach dem Wickeln durch heiße Luft in einem Ofen oder über Erhitzen durch einen Stromfluss durch den Draht aufgeschmolzen wird. Auf diese Weise kann die Herstellung der erfindungsgemäßen Spulenkörper und der damit einhergehenden Magnetkerne und Sensorsysteme weiter vereinfacht werden. According to an advantageous embodiment of the present invention may also be provided to pretreat the wound wire so that it can be bonded after winding, and thus eliminates the usual Vergussschritte. For example, the wire may be provided with a corresponding coating which is melted after being wound by hot air in an oven or by heating by a current flow through the wire. In this way, the production of the Coil body according to the invention and the associated magnetic cores and sensor systems are further simplified.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich genommen eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. For a better understanding of the present invention, this will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the following figures. The same parts are provided with the same reference numerals and the same component names. Furthermore, individual features or combinations of features from the embodiments shown and described can in themselves represent independent inventive or inventive solutions.
Es zeigen: Show it:
Nachfolgend werden mit Bezug auf die Figuren vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Dabei ist festzuhalten, dass, obwohl nachfolgend stets von einem Magnetkern ausgegangen wird, der als Stator in einem Reluktanzresolver eingesetzt werden kann, die vorliegende Erfindung selbstverständlich auf jede Art von rotierenden elektrischen Maschinen anwendbar ist. Das bedeutet, die erfindungsgemäße Art der Fixierung von Spulenkörpern kann auch für Motoren und Generatoren eingesetzt werden, und zwar sowohl an Statorkernen wie auch an Rotorkerne. Hereinafter, with reference to the figures advantageous embodiments of the present invention will be explained in more detail. It should be noted that, although it will be assumed below always of a magnetic core, which can be used as a stator in a reluctance resolver, the present invention is of course applicable to any type of rotating electrical machines. This means that the type of fixing bobbins according to the invention can also be used for motors and generators, both at stator cores and at rotor cores.
Weiterhin ist die vorliegende Erfindung nicht auf Ausführungsformen beschränkt, bei denen die Zähne des Magnetkerns von einem ringförmigen Jochrücken in Richtung der Mittelachse nach innen ragen, sondern in entsprechender Analogie können auch an dem Außenumfang eines Kerns angeordnete Magnetkernzähne entsprechend mit den erfindungsgemäßen Spulenkörpern bestückt werden. Furthermore, the present invention is not limited to embodiments in which the teeth of the magnetic core protrude from an annular Jochrücken in the direction of the central axis inwardly, but in a similar analogy arranged on the outer periphery of a core magnetic core teeth can be appropriately equipped with the bobbins of the invention.
Schließlich können die erfindungsgemäßen Spulenkörper nicht nur mit laminierten Magnetkernen kombiniert werden, sondern auch mit solchen, die einstückig hergestellt sind. Finally, the bobbins according to the invention can be combined not only with laminated magnetic cores, but also with those which are made in one piece.
In der gezeigten Ausführungsform weist der Magnetkern
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist jeder Spulenkörper
Gemäß einer speziellen Ausführungsform, die in
Wie dies noch aus den nachfolgenden Zeichnungen deutlicher wird, ist jeder der Spulenkörper
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung besitzt jeder Spulenkörper beispielhaft zwei Führungselemente
Das Führungselement
Die Anordnung der Wicklungen kann dabei beispielsweise entsprechend den Prinzipien der
Die in
Wie bereits erwähnt, können die einzelnen Spulenkörper
Die
Insbesondere sind an dem Magnetkern
Da der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Haltestrukturen des Magnetkerns relativ eng sein muss, um den Kunststoffhaltevorsprung zuverlässig greifen zu können, muss ein vergleichsweise kostspieliges Stanzwerkzeug vorgesehen werden, wenn man beide Vorsprünge in jeder einzelnen Blechlamelle
Demgegenüber ist, wie in der
Weiterhin können die einzelnen Zähne des Magnetkerns jeweils mit Polschuhen
Zum einen kann der magnetische Fluss, der direkt, ohne durch den Rotor geführt zu werden, von Pol zu Pol fließt, durch eine solche Ausformung reduziert werden. Insbesondere bei der Anwendung in Resolvern führt jeder Anteil an magnetischem Fluss, der nicht durch den Luftspalt geht, zu einer Reduktion der Signalstärke und damit der Genauigkeit des Resolvers. Bei Motoren oder Generatoren ist es aus Gründen des Antriebsmoments beziehungsweise der Effizienz erforderlich, dass der magnetische Fluss den Weg durch den Luftspalt und über den Rotor nimmt. On the one hand, the magnetic flux which flows directly from pole to pole directly without being passed through the rotor can be reduced by such shaping. Particularly when used in resolvers, any proportion of magnetic flux that does not pass through the air gap leads to a reduction in the signal strength and thus the accuracy of the resolver. For motors or generators, it is necessary for reasons of the drive torque or the efficiency that the magnetic flux takes the path through the air gap and the rotor.
Zum anderen kann eine derartige Ausgestaltung mit einem Polschuh auch mechanisch für die Befestigung des Spulenkörpers genutzt werden. Hierzu ist es vorteilhaft, dass sich der Spulenkörper im Querschnitt seiner Innenwandung so verjüngt, dass der Spulenkörper erst in seiner vollständig montierten Position in pressende Anlage mit dem Polschuh des Magnetkerns kommt. Um die Kräfte zu reduzieren, die beim Aufstecken auftreten, sollte außerdem nur ein geringer Flächenanteil der Aufnahme des Spulenkörpers in Kontakt mit dem Polschuh des Magnetkerns kommen. Hierzu können weitere Quetschrippen an der Innenwandung des Spulenkörpers vorgesehen sein. On the other hand, such a configuration with a pole shoe can also be used mechanically for fastening the bobbin. For this purpose, it is advantageous that the coil body tapers in the cross section of its inner wall in such a way that the coil body comes into pressing contact with the pole piece of the magnetic core only in its fully mounted position. In order to reduce the forces that occur when plugging, also only a small area ratio of the recording of the bobbin should come into contact with the pole piece of the magnetic core. For this purpose, further crush ribs may be provided on the inner wall of the bobbin.
Wie bereits erwähnt sind die Plastikstifte, welche die Führungselemente
Auf diese Weise wird ein ungeordnetes Wickeln verhindert oder zumindest reduziert und es können deshalb mehr Wicklungen auf knapperem Raum untergebracht werden. Darüber hinaus ist auch die Genauigkeit des Sensors im Betrieb verbessert, da bei ungeordneter Wicklung die Winkelfehler größer werden. In this way, a disorderly winding is prevented or at least reduced and therefore more windings can be accommodated in a tighter space. In addition, the accuracy of the sensor is improved during operation, since in disordered winding angle errors are greater.
Wenn die Drahtführungsvorrichtung nicht gekippt werden muss, ist der gesamte Wicklungsprozess schneller und es können auch einfachere Geräte für die Wicklung verwendet werden. If the wire guide device does not need to be tilted, the entire winding process is faster and simpler devices can be used for the winding.
Wie außerdem aus
Eine um 180° gedrehte Anordnung ist aus der
Die
Die Herstellung eines Resolverstators gemäß der vorliegenden Erfindung soll im Einzelnen nachfolgend mit Bezug auf alle
Im nächsten Schritt werden die Spulenkörper bewickelt, wobei der Draht
Auf diese Weise kann das häufig verwendete Umspritzen der Wicklungen in einem gesonderten Arbeitsschritt vermieden werden. Darüber hinaus sind die miteinander verbackenen Drahtschichten auch wesentlich raumsparender angeordnet. In this way, the often used encapsulation of the windings can be avoided in a separate step. In addition, the caked together wire layers are arranged much less space.
Zusammenfassend bietet die erfindungsgemäße Anordnung unter anderem die folgenden Vorteile sowohl bei Anwendung in Reluktanzresolvern wie auch bei elektrischen Motoren oder Generatoren:
Die Spulenkörper können auf besonders sichere Weise an einem Magnetkern befestigt werden. Dadurch ist eine wesentlich bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie Vibration und Temperatursprüngen gegeben. Weiterhin ist der Spulenkörper auf dem Statorpaket wesentlich besser zentriert, so dass die elektrischen Eigenschaften der elektrischen Maschine verbessert sind, da alle Spulen dieselbe Lage einnehmen. In summary, the arrangement according to the invention offers, inter alia, the following advantages both for use in reluctance resolvers and in electric motors or generators:
The bobbins can be attached to a magnetic core in a particularly secure manner. This gives a much better resistance to environmental influences such as vibration and temperature jumps. Furthermore, the bobbin is centered much better on the stator, so that the electrical properties of the electrical machine are improved because all coils occupy the same position.
Die Herstellung des mit Spulen bestückten Magnetkerns erfolgt wesentlich schneller und weitestgehend automatisiert, wobei die Anzahl der zuzuführenden Einzelteile reduziert wird. The production of the magnetic core equipped with coils is much faster and largely automated, with the number of items to be supplied is reduced.
Die Bauhöhe der Gesamtanordnung kann signifikant reduziert werden. Bezugszeichenliste
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