DE10339621A1

DE10339621A1 - Bürstenloser Elektromotor

Info

Publication number: DE10339621A1
Application number: DE2003139621
Authority: DE
Inventors: Björn Hagemann; Thomas Schliesch; Frank PÖHLAU
Original assignee: Baermann Max GmbH; Oechsler AG; Max Baermann GmbH; Berger Lahr GmbH and Co KG
Current assignee: Oechsler AG; Schneider Electric Automation GmbH; Max Baermann GmbH
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2005-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft demnach einen Elektromotor mit einer Anordnung von kommutierbaren Statorspulen, deren Magnetfelder einen zwischen den Spulen befindlichen Rotor (1) drehbeweglich antreiben, wobei der Rotor (1) permanentmagnetische Spuren aufweist, von denen eine erste Spur eine magnetisierte Arbeitsspur (2) zur Wechselwirkung mit den Spulen und eine zweite Spur als Messspur zur Erzeugung eines durch einen Sensor detektierbaren Messsignals ist. Es ist vorgesehen, dass der Rotor (1) zumindest eine weitere, der zweiten Spur benachbart oder von dieser beabstandet angeordnete, magnetisierte Messspur (3, 4) zur Erzeugung mindestens eines weiteren detektierbaren Messsignals aufweist, und dass der Rotor (1) einstückig aus einem spritzgießbaren Kunststoffmaterial mit mindestens einem darin eingebrachten Magnetwerkstoff gebildet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors (1) für einen solchen Elektromotor, bei dem einem Kunststoff ein vorzugsweise pulverförmiger Magnetwerkstoff beigegeben wird und während oder nach einem Formgebungsverfahren des dadurch entstandenen Verbundes eine Magnetisierung der Spuren (2, 3, 4) des Rotors (1) vorgenommen wird (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einer Anordnung von kommutierbaren Statorspulen, deren Magnetfelder einen zwischen den Spulen befindlichen Rotor drehbeweglich antreiben, wobei der Rotor permanentmagnetische Spuren aufweist, von denen eine erste Spur eine magnetisierte Arbeitsspur zur Wechselwirkung mit den Spulen und eine zweite Spur als Messspur zur Erzeugung eines durch einen Sensor detektierbaren Messsignals ist.
In der Antriebstechnik, insbesondere im Bereich von Kleinmotoren und Hilfsantrieben, sind sogenannte bürsten- oder kommutatorlose Elektromotoren beispielsweise aus der US 3,988, 654 wohlbekannt. Sie lassen sich in einem Regelkreis oder einer Steuerkette betreiben, wobei sich die sogenannte Rotorlage, also der Winkel zwischen Magnetisierungsrichtung des Rotors und des Stators, von den Lastverhältnissen abhängig einstellt und derart die Einprägung der Strangströme der Spulen beeinflusst.
Zur Regelung der Motoren wird daher eine Information über diese Rotorlage benötigt, wobei die Anforderungen an die Auflösung der Information von der geforderten Regelgüte abhängt. Die Messung der Absolutposition des Rotors, die etwa beim richtungsabhängigen Anfahren des Motors benötigt wird, ist zum Beispiel durch eine magnetisierte Messspur als Magnet mit der gleichen Polpaarzahl wie die Arbeitsspur des Rotors zusammen mit Hallgeneratoren als Sensoren einfach und kostengünstig darstellbar, wie es etwa die DE 32 00 664 oder die US 3,988,654 lehren. Unter Umständen ist jedoch eine an der Poolpaarzahl orientierte elektrische Winkelauflösung für das Kommutierungssignal zur Bestromung der Statorspulen des Motors für die jeweilige Anwendung nicht ausreichend.
Häufig werden inzwischen nämlich erhöhte Anforderungen an die Regelgüte von Motoren der eingangs genannten Art gestellt, so dass die Auflösung der Drehwinkelinformation, die als Messsignal zu Weiterverarbeitung zur Verfügung steht, vergrößert werden muss. Da die aktuelle Geschwindigkeit aus dem Zeitunterschied beim Eintreffen zeitlich aufeinander folgender Drehwinkelinformationen ermittelt wird, führt eine gröbere Winkelauflösung zu höheren Totzeiten innerhalb des Messsystems und einer geringeren Regelverstärkung. Eine höhere Auflösung des Drehwinkels kann dabei zum Beispiel mittels eines an dem Rotor angeordneten Tachogenerators als Tachosignal erzeugt werden, wobei dafür in der Regel eine größere Ausdehnung des Bauteils unerwünscht einhergeht. Andererseits lehrt die EP 0 920 113 B1 zur besseren Auflösung der Drehwinkelinformation die stirnseitige Anordnung von Hallsensoren am Rotor des Motors gegenüber einer stirnseitigen Messspur, deren Magnetisierung parallel zur Rotationsachse des Rotors orientiert ist.
Da zwischenzeitlich auch in der Regeltechnik hinsichtlich der Verkleinerung von Komponenten erhebliche Fortschritte erzielt wurden, stellen kleine Hilfsantriebe mit geringen Leistungen auch bezüglich ihrer Vernetzung ein interessantes Gebiet dar. Auf der anderen Seite verhindert der notwendige teure Einsatz handelsüblicher Drehwinkelsensoren eine größere Verbreitung derartiger Antriebe bzw. sind bei deren Einsatz die Kosten erhöht.

Es besteht daher die Aufgabe, kostengünstig ein funktionsintegriertes Bauteil für einen Elektromotor zur Verfügung zu stellen, bei dem das Messsystem in den Motor integriert ist, und bei dem unabhängig von der Arbeitsspur eine Kommutierungs- und eine Tachoinformation zur Verfügung gestellt werden.

Die Aufgabe wird durch einen Elektromotor der eingangs genannten Art gelöst bei dem der Rotor zumindest eine weitere, der zweiten Spur benachbart oder von dieser beabstandet angeordnete, magnetisierte Messspur zur Erzeugung mindestens eines weiteren detektierbaren Messsignals aufweist, und dass der Rotor einstückig aus einem spritzgiessbaren Kunststoffmaterial mit mindestens einem darin eingebrachten Magnetwerkstoff gebildet ist.

Zusätzlich zu der Arbeitsspur des Rotors werden durch die beiden anderen, getrennten Messspuren, die sich grundsätzlich sowohl am Umfang des Rotors, als auch an dessen Stirnseite befinden können zwei detektierbare Messsignale zur Verfügung gestellt, die unterschiedlichen Funktionen dienen können. Die permanentmagnetischen Spuren des Rotors sind dabei jeweils aus einer Abfolge alternierend angeordneter magnetischer Pole gebildet. Grundsätzlich ist in diesem Zusammenhang auch die Anordnung weiterer Messspuren an dem Rotor denkbar. Durch die Einbringung mindestens eines Magnetwerkstoffs, wobei auch die Verwendung mehrerer Magnetwerkstoffe oder einer Mischung derselben denkbar ist, in den einstückig aus einem spritzgiessbaren Kunststoffmaterial gebildeten Rotor ist dieser einfach und kostengünstig herstellbar.

Zweckmäßigerweise ist bei einer Ausführungsform des Elektromotors im Bereich des Rotors für jede Messspur ein dieser zuordenbarer Sensor zur Detektion der erzeugten Messsignale angeordnet. Hierbei kann beispielsweise auch ein Sensor mehreren Messspuren zugeordnet sein und deren zum Beispiel durch unterschiedliche Magnetisierung aufgrund von räumlicher Anordnung oder Inkrementierung erzeugtes Messsignal detektieren. Abhängig von der Lage der Messspur ist der jeweilige Sensor der Messspur gegenüberliegend im Bereich des Rotors angeordnet.

Um eine von der Magnetisierung der Arbeitsspur unabhängige Regelung des Elektromotors zu erreichen, ist bei einer Ausführungsform des Elektromotors von den Messsignalen der Messspuren zumindest eines zur Regelung der Kommutierung der Statorspule verwendbar, während ein anderes Messsignal eine weitere Drehwinkel- bzw. Geschwindigkeitsinformation über den Rotor liefert. Aufgrund der unabhängigen Messsignale und deren möglicher hoher Auflösung, die nicht mehr von der Anzahl der Drehwinkelsensoren abhängt, kann eine hohe Regelgüte bei dem Elektromotor gewährleistet werden.

Bevorzugt ist bei einem erfindungsgemäßen Elektromotor wenigstens eine der Messspuren an einer der Stirnseiten des Rotors angeordnet, während wenigstens eine andere Messspur umfangsseitig an dem Rotor angeordnet ist. Eine derartige räumliche Trennung der Messspuren verringert bzw. verhindert eine gegenseitige Beeinflussung der durch die Messspuren erzeugten Messsignale und erleichtert die exakte Detektion derselben, wobei dann für jede Messspur ein separater Sensor vorzusehen ist.

Wenn zum Beispiel ein Einfluss der Wechselwirkung der Arbeitsspur mit den Statorspulen die Detektion der Messsignale der Messspuren beeinflusst, kann es vorgesehen sein, dass an beiden Stirnseiten des Rotors jeweils wenigstens eine Messspur angeordnet ist. Dabei können auch zwei oder mehr dieser Spuren auf einer oder beiden Seiten angeordnet sein. Insbesondere ist in diesem Fall eine Konfiguration mit zwei Messspuren unterschiedlichen Radius' an einer der Stirnseiten vorstellbar, die einer oder mehreren Sensoreinrichtungen gegenüber bewegt wird.

Je nach Anwendung oder Auslegung des Elektromotors werden unterschiedliche Polzahlverhältnisse von Stator und Rotor vorgefunden. Die Messspuren des Rotors müssen dabei nicht zwangsläufig die selben Polzahlen wie die Arbeitsspur aufweisen, weswegen bei einer Ausführungsform wenigstens eine magnetische Spur des Rotors eine sich von den anderen Spuren unterscheidende Polzahl aufweist. Besonders bevorzugt weist in diesem Fall eine der Messspuren eine höhere Polzahl als die Arbeitsspur des Rotors auf um mit einer möglichst geringen Zahl von Sensoren eine hohe Auflösung des zu erzeugenden Messsignals zu erreichen.

Unter Umständen ist die Erzeugung lokal veränderlicher magnetischer Anisotropien an dem Rotor für dessen Einsatz vorteilhaft. Mit diesen können besondere Feldverteilungen, hohe Feldstärken sowie sehr gute Stabilitäten gegen Fremdfelder und Temperatureinflüsse erreicht werden. Bei einer Ausführungsform der Erfindung können daher verschiedene magnetisierte Spuren des Rotors eine unterschiedliche Magnetisierung aufweisen. Dies bezieht sich sowohl auf die Stärke der Magnetisierung als auch auf deren räumliche Orientierung. So können beispielsweise, während in der Arbeitsspur durch entsprechende Geometrie und Orientierung ein harmonisches radiales Feld mit besonders niedrigen Oberwellenanteilen ausgebildet wird, als Kommutierungsfeld der entsprechenden Messspur gezielt trapezförmige, axiale Polverläufe erzeugt werden.

Hierbei bietet sich besonders bevorzugt die Auslegung des Rotors als magnetisch mehrkomponentiges System an. So kann es vorgesehen sein, dass der Rotor im Bereich unterschiedlicher Spuren aus unterschiedlichen Materialien gebildet ist. Während die Messspuren beispielsweise aus Ferritmaterialien, wie Barium- oder Strontiumferrit, gebildet sein können, werden bei der Arbeitsspur kunststoffbasierte nachstehend noch genauer beschriebene Selten-Erd-Compound-Materialien eingesetzt, die eine hohe Remanenzinduktion aufweisen. Bei diesen Materialien, z.B. Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) oder Samarium-Kobalt (SmCo) handelt es sich meist um isotrope Pulver, allerdings sind auch anisotrope Varianten herstellbar. Diese magnetisch mehrkomponentigen, meist zweikomponentigen Systeme werden entweder durch ein Einlegverfahren oder Zweikomponenten-Spritzguss hergestellt. Vorteilhaft bei diesen Ausführungsformen ist, dass aufgrund der hohen Flussdichte der Arbeitsspur Motoren mit hoher mechanischer Leistung zur Verfügung gestellt werden können. Allerdings muss bei der Fertigung der Selten-Erd-Varianten meist eine separate Magnetisierung der Arbeitsspur mittels Impulsmagnetisierung aufgrund der hohen Koerzitivfeldstärke erfolgen.

Zweckmäßigerweise ist bei einer Ausführungsform der Rotor um eine sich entlang seiner Drehachse erstreckende Welle angeordnet, die eine direkte Kraftübertragung ermöglicht. Hierbei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die Welle einstückig an den Rotor angeformt ist. So lässt sich die Welle bereits bei der Herstellung des Rotors integrieren, wenn sie bei Herstellung des Rotors in einem Spritzverfahren umspritzt wird.

Bei einer anderen Ausführungsform des Elektromotors kann der Rotor einen nichtmagnetischen, elastisch nachgiebigen Innenbereich als Kern aufweisen. Auf diese Weise kann an dem Rotor neben einer Gewichtsersparnis eine elastische Entkopplung hinsichtlich der Antriebswelle erreicht werden, so dass sowohl seitens des Rotors als auch abtriebsseitig auftretende Unwuchten in ihrer Wirkung auf den jeweils anderen Teil des Antriebsstranges abgemildert werden.

Eine Umlenkung der Kraftübertragung seitens der Antriebswelle, Anpassungen der Drehzahl an die Last, Bewegungsumwandlungen und Achsanpassungen sowie die Verringerung des auf die Motorwelle wirkende Massenträgheitsmoments der Last sind Aufgaben, die durch an dem Motor anzuordnenden Getrieben übernommen werden, wenn dieser nicht als Direktantrieb eingesetzt werden soll. Die Kraftübertragung erfolgt bei diesen Getrieben oft mittels als Ritzel bezeichneter Zahnräder. Es kann daher bei einer Ausführungsform des Elektromotors vorgesehen sein, dass an wenigstens einer Stirnseite des Innenbereichs des Rotors ein Ritzel, insbesondere einstückig, mit dem Rotor verbunden angeordnet ist.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors, der in einem vorstehend beschriebenen Elektromotor eingesetzt werden kann.

Herkömmlich hergestellte Rotoren weisen hinsichtlich ihrer Eigenschaften und ihres Fertigungsprozesses einige nicht zu unterschätzende Nachteile auf. So müssen einzeln hergestellte Bauteile, die ein beträchtliches Eigengewicht mitbringen, aufwändig nachträglich zusammengefügt werden, was sich sowohl hinsichtlich des Zeit- als auch des Kostenfaktors auswirkt.

Es soll daher ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors zur Verfügung gestellt werden, dass die vorgenannten Aspekte berücksichtigt und somit die Fertigung von Rotoren bzw. Rotormagneten mit geringerem Gewicht, kleinerer Bauteilzahl und reduziertem Produktionsaufwand ermöglicht.

Ein solches Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass einem Kunststoff ein vorzugsweise pulverförmiger Magnetwerkstoff beigegeben wird und während oder nach einem Formgebungsverfahren des dadurch entstandenen Verbundes eine Magnetisierung der Spuren des Rotors vorgenommen wird.

Auf diese Weise entsteht ein sogenannter kunststoffgebundener Dauermagnet, der sich für die funktionsintegrierte Fertigung von Elektromotoren gut eignet.

Bekanntermaßen besitzen Kunststoffe, wenn sie nicht modifiziert sind, diamagnetische Eigenschaften, so dass sie bei Einbringung in ein Magnetfeld dieses dämpften. Durch die Zugabe ferri- oder ferromagnetischer Füllstoffe zu einer Kunststoffmatrix, beispielsweise durch einen Kneter oder einen Extruder können aber sogenannte Compounds aufbereitet werden, bei denen der Diamagnetismus des Kunststoffes durch den Magnetismus der Füllstoffe überlagert wird. Die so entstehenden, hochgefüllten Compounds können in formgebenden Kunststoffverarbeit ungsverfahren zu Bauteilen komplexer Geometrie, also auch zu einem beispielsweise zylindrischen oder scheibenförmigen Rotor, verarbeitet werden.

In herkömmlicher Weise können diese gute magnetische Eigenschaften aufweisenden Compound-Magnete z.B. in Press- oder Sinterverfahren hergestellt sein. Damit gehen aber häufig schlechtere mechanische Eigenschaften, wie z.B. eine geringe Bruchdehnung, einher. Auch gestaltet sich die Formgebung komplexer Geometrien bei auf Linearbewegungen beruhenden Formgebungsverfahren, wie dem Pressverfahren, schwieriger. Dies heißt jedoch nicht, dass Pressverfahren nicht sinnvoll zur Herstellung bestimmter einfacherer Geometrien, z.B. Zylinder oder Würfel, eingesetzt werden können. Insbesondere bei der Verarbeitung hochviskoser, nicht fließfähiger Werkstoffe werden sie sogar bevorzugt eingesetzt. Überdies lassen sich mit Pressverfahren unter Einsatz duroplastischer Kunststoffmatrizes sehr hohe magnetische Füllstoffgehalte mit entsprechend starker Magnetisierung erzielen.

Zugunsten einer höheren Vielfalt handelt es sich bei dem Formgebungsverfahren bei einer erfindungsgemäßen Verfahrensweise vorteilhafterweise um ein Spritzgießverfahren, insbesondere ein Mehrkomponenten-Spritzgießverfahren, wodurch die geometrische Gestaltungsfreiheit erhöht und folglich die rationelle Fertigung auch komplexer Dauermagnete erleichtert wird. Ebenso ist bei dem ein- oder mehrkomponentigen Spritzvorgang die Umspritzung und dadurch die direkte Integration anderer, rotorfremder Bauteile, beispielsweise einer Welle, bereits bei der Herstellung möglich.

Magnetische Werkstoffe können zunächst hinsichtlich ihrer Koerzitivfeldstärke in hart- bzw. weichmagnetische Stoffe unterschieden werden. Letztere weisen mit ihrer geringen Koerzitivfeldstärke schon bei geringen äußeren Magnetfeldern hohe Flussdichten auf und verlieren diese weitgehend bei Abschalten des äußeren Feldes, was ihren häufigen Einsatz als sogenannte magnetische "Leiter" in Verbindung mit Elektromagneten erklärt. Bei hartmagnetischen Stoffen mit großer Koerzitivfeldstärke hingegen sinkt bei Abschalten des äußeren Magnetfeldes die materialspezifische Sättigungsflussdichte von einem Sättigungswert ausgehend auf die sogenannte Remanenz ab, weswegen sie als Dauermagnete bezeichnet werden. Im Bereich magnetisierbarer Compounds kommen überwiegend hartmagnetische Stoffe wie Ferrite (Sr-Ferrit, Ba-Ferrit), deren geringe Füllstoffgröße eine gute Homogenität hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften gewährleistet, Seltene Erden (NdFeB, SmCo) oder AlNiCo oder Mischungen der genannten Materialien zum Einsatz.

Als Ausdruck der Abhängigkeit der magnetischen Eigenschaften von der Ausrichtung der Werkstoffe ist zwischen magnetisch isotropen und anisotropen Füllstoffen zu unterscheiden. Während die magnetischen Eigenschaften isotroper Füllstoffe von der makroskopischen Ausrichtung der Füllstoffe unabhängig sind, können bei magnetisch anisotropen Füllstoffen die magnetischen Eigenschaften durch Ausrichtung der Füllstoffe parallel zum Magnetfeld deutlich erhöht werden.

Die Ausrichtung magnetisch anisotroper Füllstoffe kann zweckmäßigerweise zum Beispiel in der Schmelze durch ein magnetisches Richtfeld im Formnest während des Spritzgießprozesses erfolgen. Bei einer bevorzugten Verfahrensweise findet daher eine Magnetisierung mindestens einer magnetischen Spur des Rotors in einem für die Formgebung vorgesehenen Werkzeug statt.

Weist das für eine Magnetspur verwendete Magnetmaterial eine hohe Koerzitivfeldstärke auf, wie beispielsweise bei Arbeitsspuren aus Seltenerd-Material, so muss diese Spur meist extern mittels einer Impulsmagnetisierung magnetisiert werden. Daher zeichnet sich eine weitere bevorzugte Verfahrensweise dadurch aus, dass eine magnetische Spur des Rotors nach dem Formgebungsverfahren magnetisiert wird.

Besonders bevorzugt ist dabei eine Verfahrensweise, bei der die Magnetisierung der Spuren des Rotors mittels durch Dauermagneten oder Gleichstromspulen eingebrachter magnetischer Felder erfolgt.

Wie vorstehend erwähnt, ist als Formgebungsverfahren für komplexe Geometrien von Dauermagneten bevorzugt das Spritzgießverfahren vorgesehen. Dabei werden Granulate für die Spritzgießverarbeitung in einem Kneter oder Extruder, beispielsweise einem Schneckenextruder mit großem Länge-Durchmesser-Verhältnis, aufgearbeitet und als fertiges Compound dem Spritzgießprozess zugeführt. Es ist auch möglich, zur Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften ein Compound-Granulat zusammen mit einem Fließhilfsmittel trocken vorzumischen. Als Basismaterial wird hierbei eine thermoplastische Formmasse eingesetzt, so dass bei einer bevorzugten Verfahrensweise der Kunststoff, dem die magnetischen Materialien als Füllstoff beigegeben werden, ein thermoplastischer Kunststoff, insbesondere ein Polyamid (PA), ein Polybutylenterephthalat (PBT) oder ein Polyphenylensulfid (PPS) ist.

Zur zusätzlichen Verbesserung der Verarbeitbarkeit wird bei einer weiteren Verfahrensweise dem Kunststoff ein Mittel zur Viskositätserniedrigung und/oder ein Mittel zur Haftungsverbesserung und/oder ein Antioxidanz beigefügt. So können in dem Kunststoff etwa Silane und/oder Wachse in der Größenordnung von 0,3 bis 2 Gewichtsprozent und Antioxidantien im Bereich von 0,1 bis 1 Gewichtsprozent vorhanden sein.

Abhängig von der Art des Formgebungsverfahrens und dem eingesetzten Basismaterial als Kunststoffmatrix beträgt bei den Verfahrensweisen der Füllstoffanteil des bzw. der Magnetwerkstoffe insgesamt zwischen 45-85 Volumenprozent, insbesondere 55-65 Volumenprozent, woraus in dem Formgebungsverfahren zusammen mit der Kunststoffmatrix ein kunststoffgebundener Dauermagnet entsteht. Durch die kombinierte Funktionalität von Formgebung, Entformung und Integration des Magnetrichtfelds bei der Verarbeitung magnetisch anisotroper Füllstoffe stellt gerade das Spritzgießverfahren als Formgebungsverfahren, hohe Anforderungen an Spritzgießaggregat und -werkzeug.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnungsfigur, die schematisiert eine Seitenansicht eines einem Elektromotor zugeordneten Rotors zeigt, näher beschrieben.
In der Figur ist ein im Ganzen mit 1 bezeichneter zylindrischer Rotor mit verschiedenen Magnetspuren erkennbar, der aus einem Kunststoff-Compound-Material in einem Spritzgießverfahren gefertigt ist. Der hintere Bereich des zylindrischen Rotors 1 weist eine magnetische Arbeitsspur 2 aus Seltenerd-Material auf, dessen Polpaare mit alternierenden Polen axial angeordnet sind, ein radiales Feld erzeugen und über etwa drei Viertel der Länge des Mantels des Rotors 1 verlaufen. Innerhalb des nicht dargestellten Elektromotors dreht sich die Arbeitsspur gegenüber mit ihr zusammenwirkenden Statorspulen. Daran anschließend in Richtung auf den Betrachter zu und von der Arbeitsspur durch einen nicht-magnetischen Bereich beabstandet angeordnet, verläuft am Umfang des Rotors 1 eine erste magnetische Messspur 3 aus einem Ferrit, die eine höhere Anzahl von Polpaaren als die Arbeitsspur 2 aufweist und zur Erzeugung eines ersten Messsignals durch ein ebenfalls radiales Feld dient. Auch die Pole der ersten Messspur 3 sind axial an dem Rotor 1 angeordnet und erstrecken sich in etwa über ein Viertel der Länge des Rotors 1. Bei einer Drehung des Rotors 1 erzeugen die Magneten der Messspur 3 ein radiales Messsignal in ihnen gegenüberliegenden, in dem nicht dargestellten Motorgehäuse angeordneten Sensoren. Im vorliegenden Fall dient diese erste Messspur 3 zur Erzeugung eines sogenannten Tachosignals, welches zur Geschwindigkeitsregelung des Motors eingesetzt wird. Wiederum durch einen nicht-magnetischen Bereich beabstandet, befindet sich an der dem Betrachter zugewandten Stirnseite des Rotors 1 eine weiter magnetische Messspur 4 aus axial angeordneten Dauermagneten, die dieselbe Unterteilung von Polpaaren aufweist, wie die Arbeitsspur 2. Pole gleicher Polarität sind hier mit ihren Begrenzungen fluchtend zu denjenigen der Arbeitsspur 2 angeordnet. Die ein trapezförmiges, axiales Feld erzeugenden Magneten drehen sich gegenüber ebenfalls stirnseitig im Bereich des Rotors 1 befindlichen, nicht dargestellten Sensoren und erzeugen ein weiteres Messsignal, welches als Kommutierungssignal für die Bestromung der Statorspulen verwendet wird. In einer dem Betrachter zugewandten, kreisförmigen Öffnung 5 des Rotors 1 ist das Endstück einer Kupplung 6 erkennbar, die an der einstückig mit dem Rotor 1 ausgebildeten Motorwelle 7 angeordnet ist und zusammen mit der Welle um ihre gemeinsame Achse drehbar ist. Mittels dieser Kupplung 6 kann eine mechanische Verbindung mit der zu bewegenden Last erreicht werden.
Die vorstehend beschriebene Erfindung betrifft demnach einen Elektromotor mit einer Anordnung von kommutierbaren Statorspulen, deren Magnetfelder einen zwischen den Spulen befindlichen Rotor drehbeweglich antreiben, wobei der Rotor permanentmagnetische Spuren aufweist, von denen eine erste Spur eine magnetisierte Arbeitsspur zur Wechselwirkung mit den Spulen und eine zweite Spur als Messspur zur Erzeugung eines durch einen Sensor detektierbaren Messsignals ist. Es ist vorgesehen, dass der Rotor zumindest eine weitere, der zweiten Spur benachbart oder von dieser beabstandet angeordnete, magnetisierte Messspur zur Erzeugung mindestens eines weiteren detektierbaren Messsignals aufweist, und dass der Rotor einstückig aus einem spritzgiessbaren Kunststoffmaterial mit mindestens einem darin eingebrachten Magnetwerkstoff gebildet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für einen solchen Elektromotor, bei dem einem Kunststoff ein vorzugsweise pulverförmiger Magnetwerkstoff beigegeben wird und während oder nach einem Formgebungsverfahren des dadurch entstandenen Verbundes eine Magnetisierung der Spuren des Rotors vorgenommen wird.

Claims

Elektromotor mit einer Anordnung von kommutierbaren Statorspulen, deren Magnetfelder einen zwischen den Spulen befindlichen Rotor (1) drehbeweglich antreiben, wobei der Rotor (1) permanentmagnetische Spuren aufweist, von denen eine erste Spur eine magnetisierte Arbeitsspur (2) zur Wechselwirkung mit den Spulen und eine zweite Spur als Messspur zur Erzeugung eines durch einen Sensor detektierbaren Messsignals ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) zumindest eine weitere, der zweiten Spur benachbart oder von dieser beabstandet angeordnete, magnetisierte Messspur (3, 4) zur Erzeugung mindestens eines weiteren detektierbaren Messsignals aufweist, und dass der Rotor (1) einstückig aus einem spritzgiessbaren Kunststoffmaterial mit mindestens einem darin eingebrachten Magnetwerkstoff gebildet ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Rotors (1) für jede Messspur (3, 4) ein dieser zuordenbarer Sensor zur Detektion der erzeugten Messsignale angeordnet ist.
Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass von den Messsignalen der Messspuren (3, 4) zumindest eines zur Regelung der Kommutierung der Statorspulen verwendbar ist, während ein anderes Messsignal eine weitere Drehwinkel- bzw. Geschwindigkeitsinformation über den Rotor (1) liefert.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Messspuren (3, 4) an einer der Stirnseiten des Rotors (1) angeordnet ist, während wenigstens eine andere Messspur (3, 4) umfangsseitig an dem Rotor (1) angeordnet ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Stirnseiten des Rotors (1) jeweils wenigstens eine Messspur (3, 4) angeordnet ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine magnetische Spur (2, 3, 4) des Rotors (1) eine sich von den anderen Spuren (2, 3, 4) unterscheidende Polzahl aufweist.
Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Messspuren (3, 4) eine höhere Polzahl als die Arbeitsspur (2) des Rotors (1) aufweist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene magnetisierte Spuren (2, 3, 4) des Rotors (1) eine unterschiedliche Magnetisierung aufweisen.
Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) im Bereich unterschiedlicher Spuren (2, 3, 4) aus unterschiedlichen Magnetmaterialien gebildet ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) um eine sich entlang seiner Drehachse erstreckende Welle (7) angeordnet ist.
Elektromotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (7) an den Rotor (1) einstückig angeformt ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) einen nichtmagnetischen, elastisch nachgiebigen Innenbereich als Kern aufweist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer Stirnseite des Innenbereichs des Rotors (1) ein Ritzel, insbesondere einstückig, mit dem Rotor (1) verbunden angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Rotors (1), der in einem Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche einsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass einem Kunststoff ein vorzugsweise pulverförmiger Magnetwerkstoff beigegeben wird und während oder nach einem Formgebungsverfahren des dadurch entstandenen Verbundes eine Magnetisierung der Spuren des Rotors (1) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgebungsverfahren ein Spritzgieß verfahren, insbesondere ein Mehrkomponenten-Spritzgießverfahren, ist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass als magnetischer Füllstoff ein isotropes oder anisotropes Magnetmaterial verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetmaterial insbesondere ein Ferritwerkstoff oder eine Seltenerdlegierung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung mindestens einer magnetischen Spur (2, 3, 4) des Rotors (1) in einem für die Formgebung vorgesehenen Werkzeug stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine magnetische Spur (2, 3, 4) des Rotors (1) nach dem Formgebungsverfahren magnetisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung der Spuren (2, 3, 4) des Rotors (1) mittels durch Dauermagneten oder Gleichstromspulen eingebrachter magnetischer Felder erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff, dem die magnetischen Materialien als Füllstoff beigegeben werden, ein thermoplastischer Kunststoff, insbe sondere ein Polyamid, ein Polybutylenterephthalat oder ein Polyphenylensulfid ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kunststoff ein Mittel zur Viskositätserniedrigung und/oder ein Mittel zur Haftungsverbesserung und/oder ein Antioxidanz beigefügt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoffanteil des Magnetwerkstoffs zwischen 45-85 Volumenprozent, insbesondere 55-65 Volumenprozent, beträgt.