DE102013208986A1

DE102013208986A1 - Magnetgeberring einer Rotorlagesensorik eines elektrisch kommutierten Elektromotors

Info

Publication number: DE102013208986A1
Application number: DE102013208986A
Authority: DE
Inventors: Jochen Kinzig; Markus Dietrich
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2013-12-12
Also published as: WO2013186001A1; CN104335014B; CN104335014A; DE112013002888A5

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Magnetgeberring einer Rotorlagesensorik eines elektrisch kommutierten Motors, welcher drehfest mit einem Rotor des elektrisch kommutierten Motors verbunden ist und welcher eine vorgegebene Anzahl von Magnetpolen mit einer alternierenden Magnetisierungsrichtung aufweist. Bei einem Magnetgeberring, bei welchem der Kommutierungspunkt zuverlässig bestimmbar ist, weist jedes Magnetpolpaar mindestens eine Einbuchtung auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetgeberring einer Rotorlagesensorik eines elektrisch kommutierten Motors, welcher drehfest mit einem Rotor des elektrisch kommutierten Motors verbunden ist und welcher eine vorgegebene Anzahl von Magneten mit einer alternierenden Magnetisierungsrichtung aufweist.
In modernen Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, werden zunehmend automatisierte Kupplungen eingesetzt, wie sie in der DE 10 2011 014 936 A1 beschrieben sind. Ein Einsatz solcher Kupplungen hat den Vorteil des verbesserten Fahrkomforts und führt dazu, dass häufiger in Gängen mit langer Übersetzung gefahren werden kann. Die dabei verwendeten Kupplungen sind in hydraulischen Kupplungssystemen eingesetzt, bei welchen ein elektrohydraulischer Aktor, der von einem elektrisch kommutierten Motor angetrieben wird, über eine Hydraulikleitung mit der Kupplung verbunden ist.
Die DE 20 2006 008 962 U1 offenbart ein System zum Erfassen der Lage eines Rotors, mit einer Geberstruktur, die an dem Rotor angebracht und mit diesem bewegbar ist.
Insbesondere bei Elektromotoren, bei welchen die Sensoren außerhalb der Drehachse des Elektromotors angeordnet sind, ist eine hohe Positionsauflösung notwendig. Der Rotor des Elektromotors weist nur eine begrenzte Anzahl von Polpaaren auf, aus welchen eine vorgegebene Anzahl von Flanken zur Positionsbestimmung genutzt werden kann. Ein Magnetgeberring ist drehfest mit einer Rotor-Hohlwelle, beispielsweise an einem Wellenende, verbunden, weshalb der Magnetgeberring on-axis befestigt ist. Die Sensorik, die ein von dem Magnetgeberring aufgespanntes Magnetfeld detektiert, ist beispielsweise am Stator des Motors (off-axis) befestigt und dreht sich somit nicht mit der Rotor-Hohlwelle mit.
Als Sensorik zur Auswertung des durch den drehbaren Magnetgeberring aufgespannten Magnetfeldes sind verschiedenste Bauelemente bekannt, wie beispielsweise Switch Halls, Linearsensoren und Inkrementsensoren. Allerdings weisen alle Sensoren Nachteile auf.
So besteht bei Switch Halls der Nachteil, dass der Elektromotor nicht beliebig positioniert werden kann und eine Auflösung der Sensorsignale nur begrenzt ist. Trotzdem werden Switch Halls zur Kommutierungsbestimmung für Blockkommutierungen vielfältig eingesetzt. Bei Linearsensoren ist die Übertragung des Analogsignals sehr störempfindlich, wobei eine Signalübertragung mit einem Pegel bei hohen Drehzahlen zu langsam ist. Hochauflösende Inkrementalgeber haben den Nachteil, dass es nach Einschalten der Versorgungsspannung keine Zuordnung der Inkremente zu den Kommutierungszeitpunkten des elektrisch kommutierten Motors gibt.
Bei einem Magnetgeberring, welcher an der Rotor-Hohlwelle angeordnet ist, besteht das Problem in der durch die Anzahl der Pole und den Ringdurchmesser bestimmten Pollänge. Bei diesem als Hohlzylinder ausgebildeten Magnetgeberring ist die Pollänge sehr begrenzt, da der Feldverlauf nicht optimal für die Sensorik ausgebildet ist. Dabei entsteht ein Konflikt zwischen der idealen Steigung im Nulldurchgang des Ausgangssignals und einem möglichst langen linearen Bereich.
Mit einem analogen Hall-Sensor können Pollängen bis annähernd 6 mm als auswertbarer Sinus dargestellt werden. Bauartbedingt wird aber eine Pollänge von 9 mm benötigt. Im Nulldurchgang des Ausgangssignals ist bei den bekannten Ausführungen keine ausreichende Steigung gewährleistet, so dass ein Schaltpunkt des Switch Halls nicht genau bestimmt werden kann.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Magnetgeberring einer Rotorlagesensorik eines elektrisch kommutierten Motors anzugeben, bei welchem der Schaltpunkt des Sensors aufgrund einer möglichst kleinen Toleranz der Sensorhysterese genau bestimmt werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass jedes Magnetpolpaar mindestens eine Einbuchtung aufweist. Diese Einbuchtungen haben den Vorteil, dass ein annähernd linearer Bereich der magnetischen Flussdichte zwischen zwei Kommutierungsschritten eingestellt wird und gleichzeitig die Steigung des Ausgangssignals im Nulldurchgang des Sensorausgangssignals nicht kleiner als ein vorgegebener applikationsabhängiger Wert, beispielsweise 2 mT/° elektrisch wird. Dadurch wird gewährleistet, dass im Nulldurchgang des vom Sensor abgegebenen Ausgangssignals eine Mindeststeigung gewährleistet wird, wodurch der Schaltpunkt des Sensors aufgrund der Sensorhysterese keine zu große Toleranz aufweist.
Vorteilhafterweise ist die Einbuchtung durch jeweils zwei nebeneinander liegende Magnetpole des Magnetpolpaares gebildet, wobei jeder Magnetpol mindestens eine Teileinbuchtung aufweist, welche im Bereich einer vorzugsweise spaltfreien Magnetangrenzung zusammengeführt sind. Diese Ausgestaltung erlaubt die Verwendung von Magnetpolen mit größerer Pollänge bis beispielsweise 10 mm. Aufgrund der Größe der Magnetpole lassen sich die Teileinbuchtungen einfach realisieren. Durch die Veränderung der Geometrie der Magnetpole lässt sich die Ausgangskennlinie des Sensors einfach verändern, da das Magnetfeld durch diese Einbuchtung verändert wird.
In einer Ausgestaltung ist die Einbuchtung trapezähnlich ausgebildet. Die trapezähnliche Form der Einbuchtung erlaubt, dass die Flusseigenschaften des Magnetfeldes um den Nullpunkt des Sensorsignals herum einen ausreichend linearen Verlauf erlangen. Ein zu flaches Ausgangssignal wird dadurch zuverlässig verhindert, weshalb eine zuverlässige Auswertung des Ausgangssignals des Sensors gewährleistet wird. Durch die geometrische Veränderung der Magnetpole verläuft die Flussdichte um annähernd 45° linear, was sehr gut auswertbar ist.
Alternativ kann die Einbuchtung auch annähernd rund ausgebildet sein, wodurch ebenfalls die Flussdichte des Magnetfeldes so geformt wird, dass im Nulldurchgang ein ausreichend auswertbarer linearer Verlauf des Ausgangssignals des Sensors detektierbar ist. Die zu wählende Geometrie der Einbuchtungen kann vielfältig gewählt werden und ist abhängig von der Position des Sensors und von der Breite der Magneten.
Um die Flussdichte des Magnetfeldes ausreichend zu beeinflussen, erstreckt sich die Einbuchtung in Magnetisierungsrichtung der Magnete.
In einer Variante sind die Magnetpole mit der alternierenden Magnetisierungsrichtung senkrecht zum Magnetgeberring angeordnet. Durch diese Ausbildung lässt sich das Magnetfeld über die Einbuchtung besonders gut beeinflussen, so dass die Auswerteeinrichtung bei Auswertung des Ausgangssignals des Sensors den Kommutierungspunkt genau erkennen kann.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Magnetpole mit der alternierenden Magnetisierungsrichtung axial bezüglich einer Achse des Rotors des Motors angeordnet. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass zwischen den Magnetpolen sich ein optimierter Flussverlauf des Magnetfeldes ergibt, da ein weitgehend linearer Bereich zwischen zwei Kommutierungsschritten besteht und gleichzeitig die Steigung im Nulldurchgang nicht kleiner wird als ein vorgegebener applikationsabhängiger Wert, beispielsweise von 2 mT/° elektrisch.
In einer Alternative sind die Magnetpole mit der alternierenden Magnetisierungsrichtung radial bezüglich der Achse des Rotors des elektrisch kommutierten Motors angeordnet. Dies ist insbesondere immer dann von Vorteil, wenn der Magnetgeberring als ein ebener Zylinderring mit Magneten ausgeführt ist. Da die Magnetpole frontseitig an dem Magnetgeberring befestigt sind, verbessert sich die Auswertung des Ausgangssignals des Sensors, welcher off-axis angeordnet ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft einen elektrisch kommutierten Motor, umfassend einen Rotor, welcher drehfest mit einem Magnetgeberring verbunden ist, wobei an dem Magnetgeberring eine vorgegebene Anzahl von Magnetpolen mit einer alternierenden Magnetisierungsrichtung angeordnet ist, und einem Stator, an welchem eine Sensorik außerhalb der Drehachse des Rotors angeordnet ist. Bei einem elektrisch kommutierten Elektromotor, welcher einen weitgehend linearen Verlauf der magnetischen Flussdichte zwischen zwei Kommutierungspunkten aufweist, ist der Magnetgeberring nach einem der Merkmale der vorliegenden Schutzrechtsanmeldung ausgebildet.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren erläutert näher werden.
Es zeigt:
1: ein an einem Rotor befestigter Magnetgeberring,
2: Magnetgeberring,
3: Ausschnitt aus dem Magnetgeberring nach 2 mit optimierter Geometrie der Magnetpole,
4: Signalverlauf mit und ohne Geometrieoptimierung der Magnetpole,
5: Signalverlauf mit Geometrieoptimierung der Magnetpole.
Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist ein Rotor 1 dargestellt, welcher als Hohlwelle ausgebildet ist. Der Rotor 1 des nicht weiter dargestellten kommutierten Motors weist an einer, einer an einem Stator positionierten Sensorik zugewandten Frontseite einen als Hohlzylinder ausgebildeten Magnetgeberring 2 auf, welcher eine vorgegebene Anzahl von Magnetpolen N, S aufweist, die in alternierender Weise angeordnet sind. Die Magnetpole N, S des Magnetgeberringes 2 sind radial zur Achse des Rotors 1 angeordnet. Innerhalb des als Hohlwelle ausgebildeten Rotors 1 sind Rotormagnete 3 befestigt, wobei die Rotormagnete 3 die gleiche Anzahl von Polpaaren N, S wie der Magnetgeberring 2 aufweist. Ein Polpaar N, S wird dabei von zwei Magnetpolen N, S gebildet, deren Magnetisierungsrichtung in entgegengesetzter Richtung verläuft. Die Anzahl der Rotormagnete 3 wird durch den elektrisch kommutierten Motor vorgegeben, wodurch auch die Anzahl der Magnetpole N, S auf dem Magnetgeberring 2 bestimmt wird. Unter einer Sensorik soll im Weiteren eine Einheit aus Sensor und Auswerteeinrichtung verstanden werden.
2 zeigt den Magnetgeberring 2 gemäß 1 in einer Draufsicht. Auf den Magnetgeberring 2 verläuft zwischen jedem Magnetpol N, S eine Einbuchtung 4, die die Magnetpole N, S in ihrer Magnetangrenzung 7 einschnürt. Diese Einbuchtungen 4 sind jedenfalls nur auf der, der Sensorik zugewandten Seite des Magnetgeberringes 2 ausgebildet und räumlich begrenzt.
3 zeigt einen Schnitt durch ein Magnetpolpaar des Magnetgeberringes 2, wobei zwei nebeneinander liegende Magnetpole N, S dargestellt sind. Dieser Schnitt durch die Magnetpole N, S ist parallel zur Achse des Rotors 1 geführt. Die Magnetisierungsrichtung der Magnetpole N bzw. S ist durch die Pfeile 5 und 6 verdeutlicht, wobei der Magnetpol N einen Nordpol bildet, während der Magnetpol S einen Südpol bildet. Jedes Magnetpolpaar N, S ist in einer Magnetangrenzung 7 annähernd spaltfrei aneinandergefügt, wobei diese Magnetangrenzung 7 im elektrischen Ausgangssignal des Sensors den Nulldurchgang darstellt.
Die Einbuchtung 4 ist in Richtung der Magnetisierung der einzelnen Magnetpole N, S ausgeführt und wird von einer ersten Teilausnehmung 8 des Magnetpols N und einer ersten Teilausnehmung 9 des Magnetpols S gebildet. Die Zusammenführung der beiden Teilausnehmungen 8 und 9 bildet dabei die Einbuchtung 4, wobei die Teilausnehmungen 8 bzw. 9 derart ausgebildet sind, dass an dieser Stelle Material aus den Magnetpolen N bzw. S entfernt wird, ohne dabei die Magnetpole N, S zu trennen. Diese flächige Einbuchtung 4 auf der Oberfläche der Magnetpole N, S hat zur Folge, dass sich die magnetische Flussdichte an dieser Position des Magnetgeberringes 2 verändert.
Die Teilausnehmungen 8, 9 sind insbesondere an den Eckbereichen der radialen Erstreckung der Magnetpole N, S ausgebildet. Zur Bildung weiterer Einbuchtungen 4 im Bereich zu sich anschließenden Magnetpolen N, S weist sowohl der Magnetpol N als auch der Magnetpol S eine weitere Teilausnehmung 10 bzw. 11 auf.
In 4 ist der Signalverlauf der axialen magnetischen Flussdichte über dem Drehwinkel° elektrisch des Rotors 1 des elektrisch kommutierten Motors dargestellt. Der elektrisch kommutierte Motor wird dabei mit einer Blockkommutierung angesteuert, wobei die senkrecht bei 60°, 120°, 180°, 240° und 300° elektrisch verlaufenden Linien jeweils einen Kommutierungspunkt K darstellen. Im vorgegebenen Beispiel detektieren zwei Hall-Sensoren einen magnetischen Fluss eines Magnetfeldes, welcher durch Bewegung des am Rotor 1 befestigten Magnetgeberringes 2 variiert. Die Kurve H1 wird dabei von einem ersten nicht weiter dargestellten Hall-Sensor detektiert. Zwischen Magnetgeberring 2 und Sensorik besteht ein nominaler Anstand von 1 mm. Die Kurve H2 zeigt das Ausgangssignal eines zweiten Hall-Sensors. Bei der Aufnahme der Kurven H1 wurde ein Magnetgeberring 2 ohne Geometrieoptimierung der Magnetpole N, S verwendet, weshalb das jeweilige Ausgangssignal im Bereich der Kommutierungspunkte K sehr flach und somit nicht hinreichend genau auswertbar ist, um die elektrische Kommutierung des Motors ordnungsgemäß einzustellen.
Die Gerade G, welche durch den Kommutierungspunkt K = 180 ° elektrisch gelegt ist, verdeutlicht den Verlauf der magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes nach einer Geometrieoptimierung der Magnetpole N, S mit der trapezähnlichen Einbuchtung 4. Durch die Geometrieoptimierung wird das magnetische Feld so verändert, dass dessen Flussdichte, die von den Sensoren in verschiedenen Positionen des Magnetgeberringes 2 detektiert wird, im Bereich des Nulldurchganges des Ausgangssignals annähernd eine Steigung von 45° aufweist. Eine solche lineare Steigung erlaubt eine hochgenaue Ermittlung des Kommutierungspunktes des Motors.
Neben der Breite der Einbuchtung 4 ist auch die Tiefe Ti sowie die Dimensionierung der Einbuchtung 4 vorzugeben. Dies hat in enger Abstimmung mit den verwendeten Sensoren zu erfolgen und muss unter Berücksichtigung des technischen Einzelfalles dem Fachmann überlassen werden. Derartige Magnetgeberringe 2 mit Einbuchtungen 4 können mittels üblicher Herstellungsverfahren erzeugt werden. Der beschriebene Magnetgeberring 2 ist dabei derart ausgeführt, dass ein weitgehend linearer Bereich der axialen magnetischen Flussdichte zwischen zwei Kommutierungsschritten entsteht und gleichzeitig die Steigung der magnetischen Flussdichte im Nulldurchgang nicht kleiner als ein vorgegebener applikationsabhängiger Wert, beispielsweise 2 mT/° elektrisch ist.
5 zeigt einen beispielhaften Verlauf der magnetischen Flussdichte über den Drehwinkel des Rotors 1 mit unterschiedlichen Abständen zwischen Magnetgeberring 2 und Sensorik. Die gestrichelte Kurve A zeigt dabei eine Gerade mit einer applikationsspezifischen Mindeststeigung der magnetischen Flussdichte von in diesem Fall 2 mT/° elektrisch, während die gestrichelte Kurve B eine applikationsspezifische Wunschsteigung, in diesem Fall beispielsweise 4 mT/° elektrisch der magnetischen Flussdichte angibt. Die Kurve C zeigt den Verlauf des Sensorausgangssignals ohne Geometrieoptimierung des Magnetgeberringes 2, wobei der Abstand 0,75 mm beträgt. Auch die Kurve D stellt ein Sensorausgangssignal dar, welches mit unkorrigierter Geometrie der Magnetpole N, S des Magnetgeberringes 2 mit einen Abstand von 1,25 mm aufgenommen wurde. Sind die Magnetpole N, S mit einer trapezähnlichen Einbuchtung 4 mit einer Tiefe Ti von 0,4 mm versehen, ergibt sich ein Kurvenverlauf, wie er in der Kurve E dargestellt ist. Bei einem Abstand von 0,75 mm lässt sich diese Kurve E mit der Kurve C vergleichen, bei welcher keine Beeinflussung der Geometrie der Magnetpole N, S vorgenommen wurde. Wie daraus ersichtlich, weist dabei die Kurve E um den Nullpunkt von 90 ° elektrisch eine Steigung auf, welche annähernd linear verläuft.
Ebenfalls Magnetpole N, S mit einer trapezähnlichen Einbuchtung 4 von einer Tiefe Ti von 0,4 mm wurden bei der Aufnahme der Kurve F verwendet, wobei die Kurve F eine lineare Steigung aufweist, die der Wunschsteigung der Kurve B sehr nahe kommt. Die Kurve F entspricht somit dem gewünschten geometriebeeinflusste Ausgangssignal des Hallgebers, im Gegensatz zur Kurve D, welche ohne Geometriebeeinflussung aufgenommen wurde.
In einer weiteren Gegenüberstellung wurden bei Aufnahme der Kurve H ebenfalls unkorrigierte Magnetpole N, S verwendet, während bei der Kurve J Magnetpole N, S mit trapezförmigen Einbuchtungen 4 mit einer Tiefe Ti von 0,4 mm genutzt wurden. Bei einem Abstand von 1,75 mm zwischen Magnetgeberring 2 und Sensorik ergibt sich ein Verlauf der Kurve J mit einer linearen Steigung, welche annähernd der Mindeststeigungskurve A entspricht. Aufgrund dieser vergleichenden Darstellung wird deutlich, dass die Kommutierungspunkte aufgrund der geometrischen Veränderung der Magnetpole N, S des Magnetgeberringes 2 mit hoher Genauigkeit detektiert werden können, da ein optimierter Verlauf der magnetischen Flussdichte entsteht, welcher von der Sensorik besser ausgewertet werden kann, wodurch eine bessere Bestimmung eines Kommutierungszeitpunktes des Motors ermöglicht wird.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: Magnetgeberring
3: Rotormagnet
4: Einbuchtung
5: Pfeil
6: Pfeil
7: Magnetabgrenzung
8: Teilausnehmung
9: Teilausnehmung
10: Teilausnehmung
11: Teilausnehmung
N: Magnetpol
S: Magnetpol
K: Kommutierungszeitpunkt
Ti: Tiefe der Einbuchtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011014936 A1 [0002]
DE 202006008962 U1 [0003]

Claims

Magnetgeberring einer Rotorlagesensorik eines elektrisch kommutierten Motors, welcher drehfest mit einem Rotor (1) des elektrisch kommutierten Motors verbunden ist und welcher eine vorgegebene Anzahl von Magnetpolen (N, S) mit einer alternierenden Magnetisierungsrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Magnetpolpaar (N, S) mindestens eine Einbuchtung (4) aufweist.
Magnetgeberring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbuchtung (4) durch jeweils zwei nebeneinander liegende Magnetpole (N, S) gebildet ist, wobei jeder Magnetpol (N, S) mindestens eine Teileinbuchtung (8, 9, 10, 11) aufweist, welche im Bereich einer vorzugsweise spaltfreien Magnetangrenzung (7) zusammengeführt sind.
Magnetgeberring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbuchtung (4) trapezähnlich ausgebildet ist.
Magnetgeberring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbuchtung (4) annähernd rund ausgebildet ist.
Magnetgeberring nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einbuchtung (4) in Magnetisierungsrichtung der Magnetpole (N, S) erstreckt.
Magnetgeberring nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (N, S) mit der alternierenden Magnetisierungsrichtung senkrecht zum Magnetgeberring (2) angeordnet sind.
Magnetgeberring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (N, S) mit der alternierenden Magnetisierungsrichtung axial bezüglich einer Achse des Rotors (1) des elektrisch kommutierten Motors angeordnet sind.
Magnetgeberring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (N, S) mit der alternierenden Magnetisierungsrichtung radial bezüglich der Achse des Rotors (1) des elektrisch kommutierten Motors angeordnet sind.
Elektrisch kommutierter Motor, umfassend einen Rotor (1) welcher drehfest mit einem Magnetgeberring (2) verbunden ist, wobei an dem Magnetgeberring (2) sich eine vorgegebene Anzahl von Magnetpolen (N, S) mit einer alternierenden Magnetisierungsrichtung erstreckt, und einen Stator, an welchem eine Sensorik außerhalb der Drehachse des Rotors (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetgeberring (2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.