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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die elektrische Maschine umfasst demzufolge Mittel zur Positionserfassung und Temperaturüberwachung. Darüber hinaus wird ein Luftverdichter mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine als Antrieb vorgeschlagen, da hierin eine bevorzugte Anwendung der elektrischen Maschine gesehen wird.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind sowohl Verfahren zur Positionsbestimmung als auch Verfahren zur Temperaturüberwachung in elektrischen Maschinen bekannt. In der Regel werden hierzu unterschiedliche Mittel verwendet.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 102 57 974 A1 geht beispielsweise eine Positionsmesseinrichtung hervor, die der Erfassung der Position zweier beweglicher Objekte dient und hierzu Positionsdetektionsmittel umfasst, über welche Positionsdaten erzeugt werden. Ferner weist die Positionsmesseinrichtung mindestens einen Temperatursensor auf, der zur Messung der Temperatur an mindestens einem Messpunkt der beiden zueinander beweglichen Objekte und zur Erzeugung von Temperaturdaten dient. Der Temperatursensor ist als kontaktlos messender Infrarotsensor ausgebildet, der vorzugsweise in einem Gehäuse der Positionsmesseinrichtung angeordnet ist. Auch hier werden demnach getrennte Mittel zur Positionsbestimmung und zur Temperaturüberwachung eingesetzt, die jedoch vorzugsweise in einem Gehäuse zusammengefasst werden. Die Positionsmesseinrichtung liefert somit neben Positionsdaten bezüglich der Relativbewegung zweier zueinander beweglicher Objekte ferner Informationen zur Temperatur an definierten Messpunkten an mindestens einem der beweglichen Objekte.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Positionsbestimmung und die Temperaturüberwachung in einer elektrischen Maschine weiter zu vereinfachen. Insbesondere sollen dieselben Mittel zur Positionsbestimmung und zur Temperaturüberwachung einsetzbar sein.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Luftverdichter mit einer elektrischen Maschine als Antrieb vorgeschlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene elektrische Maschine weist einen Stator und einem Rotor sowie Mittel zur Positionsbestimmung und Temperaturüberwachung auf. Erfindungsgemäß umfassen die Mittel zur Positionsbestimmung und Temperaturüberwachung mehrere im Bereich des Stators angeordnete Permanentmagnete, den Permanentmagneten gegenüberliegende Hall-Sensoren sowie mindestens einen im Bereich des Rotors angeordneten Permanentmagneten, dessen Magnetfeld in Abhängigkeit von der Rotationslage des Rotors sich mit mindestens einem Magnetfeld eines im Bereich des Stators angeordneten Permanentmagneten überlagert.
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Die im Bereich des Stators angeordneten Permanentmagnete erzeugen statische Magnetfelder, die von den gegenüberliegenden Hall-Sensoren detektiert werden. Wird ein Magnetfeld durch das Magnetfeld des im Bereich des Rotors angeordneten Permanentmagneten überlagert, führt dies zu einer Feldveränderung, die ebenfalls detektiert wird. Mit Hilfe der Hall-Sensoren kann somit die Position des Rotors bestimmt werden. Darüber hinaus kann mit Hilfe derselben Hall-Sensoren die Temperatur in der elektrischen Maschine überwacht werden. Denn steigt die Temperatur, so dass mindestens ein im Bereich des Stators angeordneter Permanentmagnet seine Curie-Temperatur erreicht, ist die Sättigungspolarisation nahezu null, was ebenfalls mit Hilfe der Hall-Sensoren erfasst wird. Über die Curie-Temperatur der im Bereich des Stators angeordneten Permanentmagneten kann demnach eine Temperaturschwelle vorgegeben werden, deren Überschreiten mit Hilfe der Hall-Sensoren überwacht wird.
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Bei der vorgeschlagenen elektrischen Maschine können somit dieselben Mittel zur Positionsbestimmung und zur Temperaturüberwachung eingesetzt werden. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau der elektrischen Maschine.
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Bei dem im Bereich des Rotors angeordneten Permanentmagneten kann es sich zudem um einen bereits vorhandenen Magneten zur Erzeugung eines Drehmoments handeln. Das heißt, dass im Bereich des Rotors kein zusätzlicher Permanentmagnet vorgesehen werden muss, so dass sich der Aufbau der elektrischen Maschine weiter vereinfacht.
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Um die statischen Magnetfelder der Permanentmagneten zu detektieren, werden die Hall-Sensoren den Permanentmagneten gegenüberliegend angeordnet. Das heißt, dass Permanentmagneten und Hall-Sensoren jeweils nah beieinanderliegen, jedoch ohne direkten Kontakt zueinander. Auf diese Weise wird eine galvanische Trennung erreicht, die sich positiv auf die Hochvolt-Sicherheit der elektrischen Maschine auswirkt.
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Die den Permanentmagneten gegenüberliegenden Hall-Sensoren können - je nach Bauraumverhältnissen - in einem radialen Abstand oder in einem axialen Abstand zum jeweiligen Permanentmagneten angeordnet sein.
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Bevorzugt sind mindestens drei Permanentmagnete in gleichem Winkelabstand zueinander im Bereich des Stators angeordnet. Die über den Umfang gleichmäßige Verteilung der Permanentmagnete erhöht die Genauigkeit der Positionsbestimmung. Zudem kann die Temperatur an unterschiedlichen Messstellen überwacht werden. Des Weiteren bevorzugt sind die mindestens drei Permanentmagnete im Bereich einer Spule des Stators angeordnet. Mit Hilfe der Permanentmagnete kann somit die Temperatur der Spule überwacht werden. Denn diese heizt sich im Betrieb der elektrischen Maschine auf. Vorteilhafterweise sind die Permanentmagnete an oder in der Spule angeordnet. Beispielsweise kann ein Kontakt zwischen den Permanentmagneten und den Kupferwicklungen der Spule bestehen. Auf diese Weise wird eine sehr gute Korrelation zwischen der Temperatur des Permanentmagneten und der Temperatur der Spule erreicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unterscheiden sich die im Bereich des Stators angeordneten Permanentmagnete hinsichtlich ihrer Curie-Temperatur. Dies ist möglich, da die Curie-Temperatur materialspezifisch ist. Bei Verwendung mehrerer Permanentmagnete mit unterschiedlichen Curie-Temperaturen können mehrere Temperaturschwellen definiert werden, so dass eine stufenweise Auflösung der Messwerte möglich ist.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Curie-Temperatur der im Bereich des Stators angeordneten Permanentmagnete gleich. Wird mit Hilfe eines Hall-Sensors eine Feldveränderung detektiert, können die Messungen der anderen Hall-Sensoren zur Plausibilisierung des Messergebnisses eingesetzt werden.
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Um einen größeren Freiraum hinsichtlich der Anordnung der Hall-Sensoren zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass in den Stator Magnetfeldleiteinrichtungen integriert sind, die von den Hall-Sensoren zum Rotor führen. Die Aufgabe der Magnetfeldleiteinrichtungen besteht darin, das Magnetfeld des in den Rotor integrierten Permanentmagneten bis an die Hall-Sensoren zu leiten. Aus diesem Grund wird ferner vorgeschlagen, dass die Magnetfeldleiteinrichtungen auf Höhe des in den Rotor integrierten Permanentmagneten enden. Die Leitfunktion der Magnetfeldleiteinrichtungen hängt somit allein von der Rotationslage des Rotors ab.
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Die Magnetfeldleiteinrichtungen können beispielsweise aus einem Blechstreifen gebildet sein. Auf diese Weise können die Magnetfeldleiteinrichtungen einfach hergestellt und den jeweiligen Bauraumverhältnissen durch Biegen oder Kanten angepasst werden. Besonders vorteilhaft sind bügelartig geformte Blechstreifen, die sich von einer Stirnseite des Stators zu einer Innenumfangsfläche des Stators erstrecken. Bevorzugt werden die Magnetfeldleiteinrichtungen aus einem weichmagnetischen Blechstreifen gebildet, da dieses Material sehr gute Leiteigenschaften aufweist.
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Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Magnetfeldleiteinrichtungen Ausnehmungen aufweisen, in denen die Hall-Sensoren eingesetzt sind. Die Positionierung der Hall-Sensoren in den Ausnehmungen der Magnetfeldleiteinrichtungen reduziert den Einfluss möglicher Streufelder. Die Ausnehmungen sind hierzu bevorzugt fensterartig ausgeführt.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Hall-Sensoren in ein Gehäuse der elektrischen Maschine integriert sind. Über das Gehäuse sind die Hall-Sensoren vor äußeren Einwirkungen, wie beispielsweise Schmutz und/oder Feuchtigkeit, geschützt. Mit den Hall-Sensoren verbundene Anschlussleitungen sind bevorzugt durch einen Hohlraum des Gehäuses nach außen geführt. Die Anschlussleitungen sind somit ebenfalls optimal vor äußeren Einwirkungen geschützt.
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Darüber hinaus wird ein Luftverdichter mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zum Antreiben eines Verdichterrads vorgeschlagen. Hierbei kann es sich insbesondere um einen elektrischen angetriebenen Luftverdichter eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug handeln. Hierin wird eine bevorzugte Anwendung der Erfindung gesehen.
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Eine weitere bevorzugte Anwendung sieht den Einsatz der elektrischen Maschine als Antrieb eines Fahrzeugs vor.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine im Bereich der Mittel zur Positionsbestimmung und Temperaturüberwachung und
- 2 a) eine Draufsicht und b) eine Seitenansicht einer Magnetfeldleiteinrichtung für eine erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 2 und einen Rotor 3, der um eine Drehachse A drehbeweglich gelagert ist. Die dargestellte elektrische Maschine 1 dient dem Antrieb eines Luftverdichters 13. Ein Verdichterrad 14 des Luftverdichters 13 ist hierzu drehfest mit dem Rotor 3 verbunden. Um im Betrieb des Luftverdichters 13 die Temperatur in der elektrischen Maschine 1 zu überwachen, weist diese Mittel 4 zur Temperaturüberwachung auf. Diese sind derart ausgelegt, dass mit Hilfe derselben Mittel eine Bestimmung der Position des Rotors 3 durchführbar ist.
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Die Mittel 4 zur Positionsbestimmung und Temperaturüberwachung umfassen mehrere Permanentmagnete 5, 6 sowie mehrere Hall-Sensoren 7. Erste Permanentmagnete 5 sind im gleichen Winkelabstand zueinander im Bereich des Stators 2 angeordnet, und zwar im Bereich einer Spule 8 des Stators 2. Die Nähe zur Spule 8 führt dazu, dass sich die Permanentmagnete 5 im Betrieb der elektrischen Maschine 1 gemeinsam mit der Spule 8 erwärmen. Die ersten Permanentmagnete 5 sind vorliegend derart angeordnet, dass sie abschnittsweise in ein Gehäuse 10 der elektrischen Maschine 1 hineinragen. Ein weiterer Permanentmagnet 6 ist in den Rotor 3 integriert. Die Hall-Sensoren 7 sind in einem radialen Abstand zu den ersten Permanentmagneten 5, diesen gegenüberliegend in das Gehäuse 10 integriert. Der radiale Abstand ist so gewählt, dass mit Hilfe der Hall-Sensoren 7 von den Permanentmagneten 5 erzeugte statische Magnetfelder 6 detektiert werden. Mit den Hall-Sensoren 7 verbundene Anschlussleitungen 11 sind durch einen Hohlraum 12 des Gehäuses 10 nach außen geführt.
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Da der in den Rotor 3 integrierte weitere Permanentmagnet 6 in einem deutlichen radialen sowie axialen Abstand zu den Hall-Sensoren 7 angeordnet ist, weist die dargestellte elektrische Maschine 1 ferner Magnetfeldleiteinrichtungen 9 in Form von abgewinkelten Blechstreifen auf, die von den Hall-Sensoren 7 in Richtung des Rotors 3 führen und auf Höhe des Weiteren Permanentmagneten 6 enden. Die Magnetfeldleiteinrichtungen 9 bewirken, dass in Abhängigkeit von der Rotationslage des Rotors 3 das Magnetfeld des Weiteren Permanentmagneten 6 mindestens ein Magnetfeld der in den Stator 2 integrierten Permanentmagneten 5 überlagert und zu einer Feldveränderung führt, die mittels der Hall-Sensoren 7 detektierbar ist. Auf diese Weise kann mit Hilfe der Hall-Sensoren 7 eine Positionsbestimmung durchgeführt werden.
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Darüber hinaus ermöglichen die Hall-Sensoren 7 eine Temperaturüberwachung. Denn, erwärmt sich im Betrieb der elektrischen Maschine 1 die Spule 8 so stark, dass die Curie-Temperatur mindestens eines Permanentmagneten 5 erreicht wird, führt dies ebenfalls zu einer Feldveränderung, die von den Hall-Sensoren 7 detektiert wird. Mit Hilfe der Hall-Sensoren 7 kann somit überwacht werden, ob eine durch die jeweilige Curie-Temperatur der Permanentmagneten 5 vorgegebene Temperaturschwelle überschritten wird oder nicht. Im Falle einer Überschreitung kann diese Information an eine Kontrolleinheit (nicht dargestellt) weitergeben werden.
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Wie insbesondere den 2a) und 2b) zu entnehmen ist, können die Magnetfeldleiteinrichtungen 9 Ausnehmungen 15 aufweisen, in denen jeweils ein Hall-Sensor 7 einsetzbar ist. Der Hall-Sensor 7 ist auf diese Weise vor dem Einfluss etwaiger Streufelder geschützt, so dass die Messgenauigkeit steigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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