DE10331505A1

DE10331505A1 - Sensoranordnung zur Lagewinkelbestimmung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE10331505A1
Application number: DE10331505A
Authority: DE
Inventors: Beqir Pushkolli; Matthias Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-02-03

Abstract

Die Einrichtung betrifft eine Sensoranordnung mit einem Winkelsensor (3) zur Bestimmung des Lagewinkels einer permanent erregten Synchronmaschine, die einen Ständer (5) mit einer Ständerwicklung und einen Läufer (4) mit mehreren Permanentmagneten (6) aufweist. Der Lagewinkel der elektrischen Maschine kann ohne Verwendung eines Polrades (1) bestimmt werden, wenn der Sensor (3) nahe den Permanentmagneten (6) des Läufers (4) angeordnet ist und das Magnetfeld (B) der Permanentmagnete (6) erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Bestimmung des Lagewinkels einer elektrischen Maschine, insbesondere einer permanent erregten Synchronmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine elektrische Maschine mit einem Winkelsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
Elektrische Maschinen werden in den vielfältigsten Bereichen eingesetzt, um elektrische oder mechanische Leistung zu erzeugen. Im Bereich der Fahrzeugtechnik werden beispielsweise Generatoren eingesetzt, die das Bordnetz des Fahrzeugs mit elektrischer Leistung versorgen. Die vom Generator abgegebene Spannung wird dabei üblicherweise geregelt.
Die Regelung der Generatoren kann beispielsweise in Form einer sogenannten „feldorientierten Regelung" durchgeführt werden, bei der die Drehströme im R-S-T-System in ein dq-System (karthesisches Koordinatensystem) und zurück transformiert werden. Für diese Transformation der Ströme bzw. Spannungen ist es erforderlich, den Lagewinkel (elektrischen Winkel) des Läufers, der auch als Polradwinkel oder Transformationswinkel bezeichnet wird, zu kennen.
Zur Bestimmung des Lagewinkels ist es bekannt, ein Polrad mit mehreren Permanentmagneten vorzusehen, dessen Position von einem Winkelsensor (Phasengeber) erfasst wird.
1 zeigt ein mit einem Läufer verbundenes Polrad 1, das mit derselben Winkelgeschwindigkeit rotiert wie der Läufer 9 (siehe 2). Das Polrad umfasst mehrere kreisförmig angeordnete Permanentmagnete 2, die ein Magnetfeld B erzeugen. Am Aussenumfang des Polrades 1 ist ein magnetoresistiver Winkelsensor 3 angeordnet, der beispielsweise als AMR-Sensor (anisotrop magneto resistive) oder GMR-Sensor (giant magneto resistive) realisiert sein kann. Diese Art von Sensoren beruhen auf dem Prinzip, dass sich der ohmsche Widerstand des Sensors in Abhängigkeit vom Winkel zwischen Stromrichtung und Magnetfeldrichtung ändert. Der Winkelsensor 3 ist stationär angeordnet.
Aus der Richtung des Magnetfelds B kann der elektrische Winkel einer Phase R, S, T des Generators bestimmt werden. Eine Umdrehung des Polrads 1 von einem Pol (z.B. Südpol S) bis zum nächsten identischen Pol (Südpol S), im vorliegenden Fall um 90° mechanisch, entspricht einem elektrischen Winkel von 360°. Die Messung des elektrischen Winkels mit Hilfe eines Polrades ist jedoch relativ kompliziert und aufwändig.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoranordnung zur Bestimmung des Lagewinkels eines Läufers zu schaffen, die wesentlich einfacher aufgebaut ist. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechend ausgestattete permanent erregte elektrische Maschine zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 6 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, den Winkelsensor nahe den Permanentmagneten des Läufers anzuordnen, so dass der Sensor das Magnetfeld der Läufermagneten erfasst. Die Läufermagneten bilden in diesem Fall den Geber der Sensoranordnung. Ein zusätzliches Polrad als Geber ist nicht mehr erforderlich.

Um das Streufeld der Permanentmagnete besser erfassen zu können, sind die Permanentmagnete vorzugsweise derart gestaltet, dass sie in Längsrichtung des Läufers über den Stator und/oder einer im Läufer angeordneten Flussleiter hinausragen. Das Streufeld der Permanentmagnete wird dadurch nicht mehr so stark durch Ständer und Flussleiter abgeschwächt und die vom Winkelsensor erfasste Feldstärke des magnetischen Feldes kann wesentlich erhöht werden.

Bei dem Winkelsensor handelt es sich vorzugsweise um einen 360° Sensor. Dies hat den Vorteil, dass die Polarität des magnetischen Feldes erkannt werden kann und somit nur ein einziger Sensor notwendig ist, um eine Winkelinformation zwischen 0 und 360° zu ermitteln. Ein solcher 360°-Sensor kann beispielsweise durch einen bekannten AMR-Magnetschichtsensor in Brückenschaltung realisiert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Darstellung einer Sensoranordnung zur Abtastung eines Polrades gemäß dem Stand der Technik;
2 eine Sensoranordnung zur Abtastung von Permanentmagneten des Läufers einer elektrischen Maschine; und
3 eine Teil-Schnittansicht des Läufers von 2.
Bezüglich der Erläuterung von 1 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
2 zeigt einen Querschnitt durch eine permanent erregte Synchronmaschine. Diese umfasst einen Stator 5 und einen im Stator 5 angeordneten, rotierenden Läufer 4. Der Stator 5 hat mehrere Nuten 8 zur Aufnahme der Statorwicklungen (nicht gezeigt). Der Läufer 9 umfasst mehrere ringförmig angeordnete Permanentmagnete 6 sowie einen im Inneren des Läufers 4 angeordneten Flussleiter 7 zur Führung des magnetischen Flusses.
Das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Winkelsensor zur Bestimmung des Lagewinkels (Transformationswinkels) des Läufers 4. Der Winkelsensor 3 ist im vorliegenden Beispiel als 360°-Sensor ausgeführt und somit in der Lage, den elektrischen Phasenwinkel im Bereich zwischen 0° und 360° zu messen. Ein elektrischer Winkel von 360° entspricht bei dem hier gezeigten Läufer mit vier Polpaaren einem mechanischen Winkel von 90°.
Der Winkelsensor 3 ist nahe den Läufermagneten 6 im Stator 5 angeordnet und erfasst unmittelbar das von den Permanentmagneten 6 des Läufers 4 erzeugte Magnetfeld B. Ein Polrad, wie im Stand der Technik (1), ist in diesem Fall nicht erforderlich.
3 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie III-III in 2, parallel zur Läuferachse. Dargestellt ist dabei nur ein Ausschnitt mit einem Läufermagneten 6 und ein Teil des Flussleiters 7, sowie ein Abschnitt des Ständers 5. Läufer 4 und Ständer 5 sind durch einen Luftspalt 9 voneinander getrennt. Um das vom Permanentmagnet 6 erzeugte magnetische Feld B besser erfassen zu können ist der Permanentmagnet 6 derart gestaltet, dass er in Längsrichtung der Läuferachse über den Ständer 5 und den Flussleiter 7 hinausragt. Das Feld der Permanentmagnete 6 wird somit durch den Ständer 5 und den Flussleiter 7 nicht vollständig abgeschirmt.
Der im Abstand zu den Permanentmagneten 6 stirnseitig angeordnete Sensor 3 kann somit ein Magnetfeld B mit ausreichend hoher Feldstärke erfassen, um den Lagewinkel zu bestimmen.

1: Polrad
2: Polradmagneten
3: Lagesensor
4: Läufer
5: Ständer
6: Permanentmagnete des Läufers
7: Flussleiter
8: Nuten
9: Luftspalt
B: Magnetfeld

Claims

Sensoranordnung mit einem Winkelsensor (3) zur Bestimmung des Lagewinkels einer permanent erregten Synchronmaschine, die einen Ständer (5) mit einer Ständerwicklung und einen Läufer (4) mit mehreren Permanentmagneten (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) nahe den Permanentmagneten (6) des Läufers (4) angeordnet ist und das Magnetfeld (B) der Permanentmagnete (6) erfasst, um den Lagewinkel zu ermitteln.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (6) in Längsrichtung des Läufers (4) über den Stator (5) und/oder einen im Läufer (4) angeordneten Flussleiter (7) hinausragen.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) ein 360° Sensor ist.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein einziger Sensor (3) vorgesehen ist.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kein separates Polrad (1) vorgesehen ist.
Elektrische Maschine, insbesondere permanent erregte Synchronmaschine, die einen Ständer (5) mit einer Ständerwicklung und einen Läufer (4) mit mehreren Permanentmagneten (6), sowie einen Winkelsensor (3) zur Bestimmung des Lagewinkels aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) nahe den Permanentmagneten (6) des Läufers (4) angeordnet ist und das Magnetfeld (B) der Permanentmagnete (6) erfasst, um den Lagewinkel zu ermitteln
Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (6) in Längsrichtung des Läufers (4) über den Stator (5) und/oder einen im Läufer (4) angeordneten Flussleiter (7) hinausragen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) in der elektrischen Maschine integriert ist.