DE112019005594T5

DE112019005594T5 - Vorrichtung zur bestimmung der winkelposition des rotors einer drehenden elektrischen maschine

Info

Publication number: DE112019005594T5
Application number: DE112019005594.1T
Authority: DE
Inventors: Benjamin Loret
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2021-09-30
Also published as: WO2020094855A1; CN112913126A; FR3088501B1; FR3088501A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (500) zur Erfassung der Winkelposition eines Rotors (1) einer drehenden elektrischen Maschine (600), mindestens aufweisend:- einen Winkelpositionssensor (3), - ein Magnetziel (4), das um eine Rotationsachse (400) drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung (500) mindestens eine Metallwand (5, 5a, 5b, 5c) aufweist, die zwischen dem Magnetziel (4) und dem Winkelpositionssensor (3) angeordnet ist.

Description

Das Gebiet der vorliegenden Erfindung betrifft drehende elektrische Maschinen, die in Kraftfahrzeugen verwendet werden, wie Generatoren, Starter-Generatoren, umschaltbare Maschinen oder elektrische Motoren.
Eine solche drehende elektrische Maschine umfasst unter anderem mindestens einem Stator und einem Rotor, der in diesem Stator angeordnet und diesem gegenüber drehbar ist.
In Zusammenhang mit der Verwendung einer solchen drehenden elektrischen Maschine, zum Beispiel als elektrischen Motor, ist es wichtig, die genaue Winkelposition des Rotors in Bezug zum Stator zu kennen, insbesondere, um den elektrischen Strom zum richtigen Zeitpunkt in den Stator einzuspeisen. Hierzu ist es bekannt, die drehende elektrische Maschine üblicherweise mit mindestens einem Rotorpositionssensor und einem magnetischen Encoder, im Folgenden als Magnetziel bezeichnet, auszustatten, wobei der Positionssensor am Stator befestigt und das Magnetziel direkt mit dem Rotor verbunden ist oder an dem mit letzterem in Kontakt stehenden Kugellagerlaufring befestigt ist.
Um unter guten Bedingungen ausgewertet werden zu können, zum Beispiel von einem elektronischen Steuergerät der drehenden elektrischen Maschine, müssen die von dem oder den Winkelpositionssensoren erzeugten Signale, vor denen sich das Magnetziel bewegt, einen möglichst sinusförmigen Verlauf haben. In der Tat müssen die Störungen solcher Signale, die durch das Vorhandensein von Harmonischen verschiedener Ordnungen verursacht werden, so weit wie möglich begrenzt werden. Die Entwicklung der Kraftfahrzeuge führt jedoch zur Realisierung von drehenden elektrischen Maschinen, deren Rotoren immer größere Durchmesser haben und/oder in Umgebungen platziert werden müssen, in denen der Platz für den (die) Positionssensor(en) begrenzt ist. Hieraus resultieren stärkere Einschränkungen bei der Herstellung des Magnetziels, insbesondere in Bezug auf seine magnetische Kontinuität, sowie eine erhöhte Schwierigkeit bei der elektromagnetischen Abstimmung der Baugruppe, die aus dem Magnetziel und den Winkelpositionssensoren besteht. Insbesondere wird das von dem oder den Positionssensoren erzeugte Signal durch inakzeptable Pegel der Harmonischen beeinträchtigt. Dieses Problem tritt auch bei Zielen mit kleinem Durchmesser und geringer Anzahl von Magnetpolen auf, die dazu neigen, Signale mit höheren harmonischen Verzerrungen zu erzeugen.
Die Erfindung hat das Ziel, eine Baugruppe zur Erfassung der Position eines Rotors mit großem Durchmesser oder eines Rotors mit kleinem Durchmesser vorzuschlagen, die eine geringe Anzahl von Magnetpolen aufweist, die einfach und kostengünstig herzustellen ist, die leicht in eine drehende elektrische Maschine einzubauen ist, welche dazu bestimmt ist, ein Kraftfahrzeug in Bewegung zu setzen und welche die Erzeugung eines Qualitätssignals ermöglicht, das die gesuchte Winkelposition darstellt. Ein Qualitätssignal ist hier als ein Signal definiert, das frei von Übersteuerungen ist und möglichst niedrige Pegel der Harmonischen aufweist.
Zu diesem Zweck hat die Erfindung eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkelposition eines Rotors einer drehenden elektrischen Maschine zum Gegenstand, die dazu bestimmt ist, ein Kraftfahrzeug in Bewegung zu setzen, wobei der Rotor drehbar in einem Stator der drehenden elektrischen Maschine und die Vorrichtung zur Erfassung der Winkelposition des Rotors mindestens aufweist:

- einen Winkelpositionssensor, der mit dem festen Teil der drehenden Maschine, zum Beispiel dem Stator, dem Lager oder dem Wechselrichter, fest verbunden ist,
- ein Magnetziel, das um eine Rotationsachse drehbar ist, die auf die Rotationsachse des Rotors zentriert ist,

Gemäß einem Aspekt der Erfindung besteht die Wand aus magnetischem Material.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung besteht die Wand aus ferromagnetischem Material. Zum Beispiel besteht die Wand aus Stahl. In einem anderen Beispiel besteht die Wand aus Karbonstahl 1008 gemäß der amerikanischen Norm AISI oder gleichwertigem.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung besteht die Wand aus ferrimagnetischem Material. Die Wand besteht zum Beispiel aus einer Eisen-Nickel- oder Eisen-Kobalt-Legierung.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Wand ein Permanentmagnet. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Wand ein Magnet mit einer Magnetisierung vom Typ Halbach. Der Magnet vom Typ Halbach kann einteilig sein. Der Magnet vom Typ Halbach kann aus mehreren Elementen bestehen, die aneinander befestigt sind, wobei jedes Element eine bestimmte Magnetisierungsrichtung aufweist. Zum Beispiel ist die Wand ein Magnet mit einer Magnetisierung, deren Magnetisierungsrichtung dem Verlauf der Magnetfeldlinien folgt, die durch die Aufeinanderfolge der Pole Nord, Süd des Magnetbandes erzeugt werden.
In der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist der Winkelpositionssensor zum Beispiel ein Sensor vom Typ Hall-Effekt. Vorteilhafterweise weist die Erfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung mehrere Winkelpositionssensoren auf.
Das Magnetziel der Erfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung weist vorteilhafterweise, aber nicht ausschließlich, eine im Wesentlichen zylindrische Grundform. Genauer gesagt, weist das Magnetziel der Erfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung vorteilhafterweise in einer Ebene senkrecht zu seiner Rotationsachse eine im Wesentlichen ringförmige Form auf. Der Begriff „im Wesentlichen“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die in diesem Dokument genannten Maße und Ausrichtungen die Herstellungs-, Montage- und Verschleißtoleranzen berücksichtigen.
Um die Erfassung der gesuchten Winkelposition zu ermöglichen, weist das Magnetziel in einer drehenden elektrischen Maschine, die mit einer Erfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung ausgestattet ist, eine magnetische Konfiguration auf, die der magnetische Konfiguration des Rotors entspricht, mit dem es verbunden ist. Vorteilhafterweise weist das Magnetziel der Vorrichtung gemäß der Erfindung demnach eine abwechselnde Aufeinanderfolge von Magnetpolen Nord und Süd um seine Rotationsachse auf. Und diese Aufeinanderfolge von Magnetpolen entspricht der Aufeinanderfolge von Magnetpolen, die der Rotor der drehenden elektrischen Maschine aufweist.
Vorteilhafterweise wird das Magnetziel der Erfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung von einem Zielhalter aufgenommen, dessen Rotationsachse im Wesentlichen mit der zuvor definierten Rotationsachse des Magnetziels übereinstimmt, wobei der Zielhalter um seine Rotationsachse drehbar ist.
In einer drehenden elektrischen Maschine, die mit einer Erfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung ausgestattet ist, fällt diese Achse im Wesentlichen mit der Rotationsachse des Rotors der drehenden elektrischen Maschine zusammen. Genauer gesagt, ist in einer solchen drehenden elektrischen Maschine der Zielhalter vorteilhafterweise direkt oder mittels eines oder mehrerer Teile mit dem vorgenannten Rotor verbunden, so dass er mit dem Magnetziel, das er trägt, durch die Rotation des Rotors in Drehung um die Achse des Letztgenannten versetzt wird. Mit anderen Worten ist sind einer drehenden elektrischen Maschine, die mit einer Erfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung ausgestattet ist, das Magnetziel und der Zielhalter, in dem es gehalten wird, drehbar mit dem Rotor der drehenden elektrischen Maschine verbunden und koaxial zu diesem. Gemäß einem Aspekt der Erfindung besteht der Zielhalter aus Metall oder einem anderen geeigneten Material, wie z. B. Kunststoff. Gemäß einem Aspekt der Erfindung besteht der Zielhalter aus magnetischem Material. Gemäß einem Aspekt der Erfindung besteht der Zielhalter aus Stahl. Zum Beispiel besteht der Zielhalter aus Stahl nach dem amerikanischen Standard AISI 1008. Gemäß einem Aspekt der Erfindung besteht der Zielhalter aus nichtmagnetischem Material. So ist zum Beispiel der Zielhalter aus Kunststoff oder Aluminium gefertigt. Im letzteren Fall kann ein Stahlband zwischen den Zielhalter und dem Magnetziel eingefügt werden.
Der oder die Positionssensoren sind so positioniert, dass bei einer Rotation des Magnetziels um seine Rotationsachse alle Winkelbereiche dieses Magnetziels, um dessen Rotationsachse gemessen, nacheinander an diesem oder diesen Sensoren vorbeilaufen. Mit anderen Worten befinden sich der oder die Winkelpositionssensoren in der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung in einer festen relativen Position zum Magnetziel, das um seine Rotationsachse in Drehung versetzt wird. In einer drehenden elektrischen Maschine, die mit einer Erfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung ausgestattet ist, ist der oder sind die Winkelpositionssensoren vorteilhafterweise direkt oder über ein oder mehrere Teile mit dem Stator der drehenden elektrischen Maschine verbunden, und zwar so, dass bei einer Drehung des Rotors dieser drehenden elektrischen Maschine um seine Rotationsachse eine ringförmige Fläche des Magnetziels an diesem oder diesen Sensoren vorbeiläuft.
In der Erfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist zwischen dem Magnetziel und dem oder den Winkelpositionssensoren eine Metallwand angeordnet. Aus dem Vorstehenden folgt, dass die vorgenannte Metallwand sich demnach in dem Luftspalt befindet, der zwischen dem oder den Winkelpositionssensoren und der Oberfläche des Magnetziels vorhanden ist, das rotierend an den Sensoren vorbeiläuft.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung der Winkelposition eines Rotors einer drehenden elektrischen Maschine, die dazu bestimmt ist, ein Kraftfahrzeug in Bewegung zu setzen, wobei der Rotor drehbar in einem Stator der drehenden elektrischen Maschine gelagert ist und die Vorrichtung zur Erfassung der Winkelposition des Rotors mindestens aufweist:

- einen Winkelpositionssensor, der mit dem festen Teil der drehenden Maschine, zum Beispiel dem Stator, dem Lager oder dem Wechselrichter, fest verbunden ist,
- ein Magnetziel, das eine Folge von Magnetpolen Nord und Süd aufweist, wobei das Ziel um eine Rotationsachse drehbar ist, welche auf die Rotationsachse des Rotors zentriert ist,
- einen Luftspalt, der zwischen dem Winkelpositionssensor und der Oberfläche des Magnetziels vorhanden ist,

Die Metallwand ist im Luftspalt so angeordnet, dass direkt mit dem Wechsel der Pole Nord, Süd ein magnetischer Kurzschluss erzeugt wird, um die vom Sensor erfasste magnetische Induktion zu verändern. Die Metallwand verändert den Wert der magnetischen Induktion auf Höhe des Sensors.
Gemäß der Erfindung ist die vorgenannte Metallwand vorteilhafterweise mit dem Zielhalter derart verbunden, dass sie bei der Rotationsbewegung des Magnetziels und des Zielhalters gleichzeitig vor dem oder den Winkelpositionssensoren in Bewegung versetzt wird. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Metallwand ein Teil des zuvor definierten Zielhalters sein oder sie kann an diesem Zielhalter befestigt werden, zum Beispiel durch Schweißen oder durch ein anderes mechanisches Verfahren. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Metallwand mit dem drehbaren Teil der Erfassungsvorrichtung fest verbunden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Metallwand fest mit dem Zielhalter verbunden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung geht die Metallwand aus einem metallischen Zielhalter hervor.
Aus dem Vorstehenden folgt, dass die vorgenannte Metallwand das von dem oder den obengenannten Positionssensoren erfasste Magnetfeld modifiziert und somit auch die von dem oder den Sensoren erzeugten Signale.
Gemäß den verschiedenen Herstellungsverfahren kann das Magnetziel durch Einspritzen eines Polymerharzes oder elastomeren Materials, welches mit magnetischen Partikeln wie Ferritpartikeln oder Partikeln seltener Erden versehen wurde, in eine Form hergestellt werden. So kann es sich zum Beispiel unter anderem bei dem polymeren Material, das zur Herstellung des Magnetziels verwendet wird, um ein thermoplastisches Harz wie Polyamid (PA) oder Polyphenylensulfid (PPS) handeln. Generell werden die Materialien zur Herstellung des Magnetziels vorteilhafterweise so gewählt, dass sie die Anforderungen an die Steifigkeit und die Hochtemperaturbeständigkeit erfüllen, die durch die Umgebung und den Betrieb der drehenden elektrischen Maschine vorgegeben werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Magnetziel vulkanisiert, spritzgegossen oder durch Kleben auf der Oberfläche des Zielhalters angebracht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat der Zielhalter eine im Wesentlichen ringförmige Form auf. Sein Schnitt in einer Ebene entlang der Rotationsachse des Zielhalters weist die allgemeine Form eines U auf. Gemäß einem ersten Konfigurationstyp hat das Magnetziel die Form eines Zylinderabschnitts, der koaxial zur Rotationsachse des Zielhalters verläuft und innerhalb oder außerhalb der vertikalen Schenkel des vorgenannten U angeordnet ist. Die Konfigurationen, bei denen das Magnetziel innerhalb der vertikalen Schenkel des oben erwähnten U angeordnet ist, werden als interne radiale Konfigurationen bezeichnet, und die Konfigurationen, bei denen das Magnetziel außerhalb der vertikalen Schenkel des oben erwähnten U angeordnet ist, als externe radiale Konfigurationen.
In einer ersten internen radialen Konfiguration wird das Magnetziel im Inneren des Gehäuses des Zielhalters platziert, welches durch die oben erwähnte U-Form definiert ist, gegen den vertikalen Schenkel des U, der den Zylinder mit größerem Durchmesser definiert. Und der oder die Winkelpositionssensoren werden zwischen dem Magnetziel und der gemeinsamen Rotationsachse des Letzteren und des Zielhalters angeordnet. Mit anderen Worten befinden sich in dieser ersten internen radialen Konfiguration der oder die Winkelpositionssensoren zwischen der Rotationsachse des Zielhalters und dem Ziel.
In einer zweiten internen radialen Konfiguration wird das Magnetziel im Inneren des Zielhaltergehäuses platziert, das durch die oben erwähnte U-Form definiert ist, gegen den vertikalen Schenkel des U, der den Zylinder mit dem kleinerem Durchmesser definiert. Und der oder die Winkelpositionssensoren werden außerhalb des zylindrischen Volumens angeordnet, welches durch das Ziel definiert ist. Mit anderen Worten befindet sich in dieser zweiten internen radialen Konfiguration das Magnetziel zwischen dem oder den Winkelpositionssensoren und der Rotationsachse des Zielhalters.
In einer ersten externen radialen Konfiguration ist das Magnetziel außerhalb des Aufnahmegehäuses des Zielhalters, das durch die oben erwähnte U-Form definiert ist, gegen den vertikalen Schenkel des U platziert, der den Zylinder mit dem größerem Durchmesser definiert. Und der oder die Winkelpositionssensoren sind radial außerhalb des im Wesentlichen zylindrischen Volumens angeordnet, welches durch das Magnetziel definiert ist. Mit anderen Worten befindet sich das Magnetziel in dieser ersten externen radialen Konfiguration zwischen dem oder den Winkelpositionssensoren und der Rotationsachse des Zielhalters.
In einer zweiten externen radialen Konfiguration wird das Magnetziel außerhalb des Aufnahmegehäuses des Zielhalters, das durch die oben erwähnte U-Form definiert ist, gegen den vertikalen Schenkel des U, der den Zylinder mit dem kleinerem Durchmesser definiert, platziert. Und der oder die Winkelpositionssensoren sind radial innerhalb des im Wesentlichen zylindrischen Volumens angeordnet, welches durch das Magnetziel definiert ist. Mit anderen Worten befinden sich der oder die Winkelpositionssensoren in dieser zweiten externen radialen Konfiguration zwischen der Rotationsachse des Zielhalters und dem Ziel.
Es ist zu beachten, dass in den radialen internen Konfigurationen oder in den radialen externen Konfigurationen der oder die Winkelpositionssensoren gegenüber einer axialen Wand des Magnetziels angeordnet ist bzw. sind, das heißt, gegenüber einer Wand, die sich parallel zur Rotationsachse des Magnetziels erstreckt.
Sowohl in den radialen inneren als auch in den radialen äußeren Konfigurationen befindet sich die zuvor definierte Metallwand, welche zwischen dem Magnetziel und dem oder den Winkelpositionssensoren angeordnet ist, vorteilhafterweise gegenüber einer axialen Wand des Magnetziels und erstreckt sich im Luftspalt in radialer Richtung, bezogen auf die Rotationsachse des Magnetziels.
Gemäß einer zweiten Konfigurationsart, im Folgenden als axiale Konfiguration bezeichnet, wird das Magnetziel gegen den horizontalen Schenkel des oben erwähnten U im Inneren des durch dieses U begrenzten Aufnahmegehäuses platziert. In dieser axialen Konfiguration sind der oder die Winkelpositionssensoren also gegenüber einer Ringfläche des Magnetziels angeordnet.
In dieser axialen Konfiguration erstreckt sich die Metallwand, die zwischen dem Magnetziel und dem oder den Winkelpositionssensoren angeordnet ist, vorteilhafterweise von einer ringförmigen Oberfläche des Magnetziels in einer im Wesentlichen axialen Richtung, das heißt, in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse des Magnetziels verläuft.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat der Zielhalter eine im Wesentlichen ringförmige Form, deren Querschnitt in einer Ebene entlang der Rotationsachse des Zielhalters die allgemeine Form eines L (oder eines umgekehrten L) hat. Zum Beispiel weist der Zielhalter keine inneren vertikalen Schenkel der oben erwähnten U-Form auf. Zum Beispiel weist der Zielhalter keine äußeren vertikalen Schenkel der oben erwähnten U-Form auf.
Die Erfindung gilt somit für alle Konfigurationsarten bezüglich des Magnetziels und des oder der Winkelpositionssensoren innerhalb der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung, sofern der oder die Winkelpositionssensoren sich in einer festen Relativposition gegenüber dem Magnetziel befinden, wenn dieses in Rotation um seine Rotationsachse versetzt wird, und sofern die zuvor definierte Metallwand zwischen dem Magnetziel und dem oder den Winkelpositionssensoren angeordnet ist, vor dem oder denen sie rotiert.
Vorteilhafterweise kann die Erfindung eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen, die einzeln oder in Kombination auftreten können:

- die Erfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung weist so viele Metallwände auf, wie das Magnetziel abwechselnd magnetische Nord- und Südpole aufweist. Dabei ist wichtig zu verstehen, dass die Metallwände diskrete Elemente sind, die auf dem Zielhalter verteilt sind. Mit anderen Worten haben die Metallwände die Form einer Folge von verschiedenen Elementen, die winklig um die Rotationsachse des Magnetziels verteilt sind und voneinander durch einen Winkelabstand, gemessen um diese Rotationsachse, getrennt sind,
- mindestens zwei um die Rotationsachse des Magnetziels gemessene Winkelabstände, welche zwei fortlaufend um die Rotationsachse angeordnete Metallwände trennen, sind identisch. Vorteilhafterweise sind alle Winkelabstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Metallwänden, welche um die Rotationsachse des Magnetziels angeordnet sind, identisch, das heißt, die Metallwände sind gleichmäßig winklig um die Rotationsachse des Magnetziels verteilt,
- mindestens eine Metallwand ist winklig um die Rotationsachse des Magnetziels angeordnet, im rechten Winkel zu den abwechselnden magnetischen Nord- und Südpolen des Magnetziels. Die betrachtete Metallwand wird auf einer Geraden zentriert, welche die Rotationsachse des Magnetziels und eine Zone des Letzteren verbindet, in der sich die magnetischen Nord- und Südpole abwechseln. Vorteilhafterweise sind alle Metallwände winklig um die Rotationsachse des Magnetziels angeordnet, im rechten Winkel zu dessen abwechselnden magnetischen Nord- und Südpolen.
- alle Metallwände sind in radialer Richtung gleich weit von der Rotationsachse des Magnetziels entfernt Mit anderen Worten sind die Metallwände konzentrisch zur Rotationsachse des Magnetziels angeordnet. Die Metallwand hat also die Form eines diskontinuierlichen Zylinderteils, der koaxial zur Rotationsachse des Magnetziels liegt. Dieser diskontinuierliche Zylinderabschnitt wird durch zwei Endkanten begrenzt,
- mindestens zwei und vorteilhafterweise alle Metallwände erstrecken sich über identische Winkelsektoren. Mit anderen Worten sind die um die Rotationsachse des Magnetziels gemessenen Abmessungen der Metallwände der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung identisch,
- das Verhältnis zwischen dem Öffnungswinkel einer Metallwand und einer Polteilung des Magnetziels liegt zwischen 0,01 und 0,5. Der Öffnungswinkel einer Metallwand ist der Winkel, der in Bezug auf die Rotationsachse des Magnetziels gemessen wird und durch die beiden zuvor definierten Endkanten der betreffenden Metallwand begrenzt wird. Darüber hinaus ist mit der Polteilung des Magnetziels hier der Winkel gemeint, der in Bezug auf die Rotationsachse des Magnetziels gemessen wird und der durch zwei abwechselnde Nord- und Südmagnetpole begrenzt wird, die nacheinander winklig um die Rotationsachse angeordnet sind, das heißt, der Winkel, der zwei aufeinanderfolgende abwechselnde Nord- und Südmagnetpole des Magnetziels trennt. Dieses Verhältnis liegt vorzugsweise zwischen 0,025 und 0,35.
- vorteilhafterweise sind die Umfangsbereiche des Magnetziels, über die sich die magnetischen Nordpole erstrecken, alle identisch. Die Umfangsbereiche des Magnetziels, über die sich die magnetischen Südpole erstrecken, sind ebenfalls alle identisch.
- der von den Endkanten einer Metallwand begrenzte Winkel ist also im Vergleich zu dem Winkelsektor klein, über den sich ein Magnetpol des Magnetziels erstreckt. Mit anderen Worten erstreckt sich eine Metallwand über eine um die Rotationsachse des Magnetziels gemessene Abmessung, die im Vergleich zu dem Umfangsbereich des Magnetziels, über den sich ein Magnetpol des Letztgenannten erstreckt, klein ist. Die Dünne der Metallwand wird nach dem oben genannten Verhältnis bestimmt,
- das Verhältnis zwischen der Länge eines unbedeckten, dem (den) Sensor(en) zugewandten Polbogens und dem Radius des Magnetziels liegt zwischen 0,2 und 3 liegt. Der dem/den Sensor(en) zugewandte, unbedeckte Polbogen bezeichnet hier den um die Rotationsachse des Magnetziels gemessenen Winkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Metallwänden, in dem der oder die Winkelpositionssensoren das Magnetfeld des Magnetziels erfassen. Die Länge des vorgenannten Polbogens bezeichnet hier also die um die Rotationsachse des Magnetziels gemessene Abmessung des durch den vorgenannten Polbogen definierten Teils des Umfangs vom Magnetziel. Außerdem ist der hier zu berücksichtigende Magnetzielradius der Radius des Magnetziels auf der Seite, die dem oder den Positionssensoren zugewandt ist. So bezeichnet zum Beispiel im Falle einer relativen radialen internen Konfiguration des Magnetziels und des oder der Positionssensoren der vorgenannte Radius einen Innenradius des Magnetziels. Dieses Verhältnis liegt vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,6.
- das Verhältnis zwischen einem Luftspalt der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung und der Dicke einer Metallwand liegt zwischen 2 und 14. Vorzugsweise liegt dieses Verhältnis zwischen 2 und 7. Der Luftspalt der Erfassungsvorrichtung bezeichnet hier das Maß zwischen der magnetischen Oberfläche des Magnetziels und dem oder den Winkelpositionssensoren. Bei den oben genannten radialen relativen Konfigurationen wird der oben genannte Luftspalt in radialer Richtung zur Rotationsachse des Magnetziels gemessen. Bei der relativen axialen Konfiguration wird der genannte Luftspalt in axialer Richtung, das heißt, im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse des Magnetziels gemessen. Die Dicke der Metallwand bezeichnet hier die Abmessung dieser Wand, gemessen in Richtung des oder der Winkelpositionssensoren, vor dem bzw. denen sich das Magnetziel bewegt. Für die oben genannten relativen radialen Konfigurationen wird daher die oben genannte Dicke in einer radialen Richtung zur Rotationsachse des Magnetziels gemessen. Bei der zuvor beschriebenen relativen axialen Konfiguration wird die vorgenannte Dicke in axialer Richtung gemessen, das heißt, im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse des Magnetziels. Vorteilhafterweise weisen die Metallwände alle ungefähr die gleiche Dicke auf. Unter Bezugnahme auf das oben Gesagte ist das zuvor definierte Verhältnis zwischen dem Luftspalt der Erfassungsvorrichtung und der Dicke der Metallwände daher repräsentativ für das von den Metallwänden eingenommene Volumen in dem Magnetraum, der zwischen dem Magnetziel und dem oder den Winkelpositionssensoren definiert ist. Unter den erfindungsgemäßen Werten ist daher zu verstehen, dass die Metallwände ein kleines (für einen Wert von 2 des vorgenannten Verhältnisses) bis sehr kleines (für einen Wert von 7 oder 14) Volumen innerhalb des zwischen dem Magnetziel und dem oder den Winkelpositionssensoren definierten Magnetraums einnehmen,
- mindestens eine der Metallwände ist auf dem Magnethalter des Magnetziels Ziel montiert,
- mindestens eine der Metallwände besteht aus dem gleichen Material wie der Zielhalter des Magnetziels. Vorteilhafterweise bestehen alle Metallwände aus dem gleichen Material wie der Zielhalter des Magnetziels. Der Zielhalter wird beispielsweise durch einen Innenzylinder und einen Außenzylinder gebildet, die koaxial sind und eine Innen- bzw. Außenwand bilden, die parallel zur Rotationsachse des Zielhalters verlaufen und deren jeweilige Rotationsachsen mit der vorgenannten Rotationsachse zusammenfallen. Außen- und Innenwand sind durch einen Boden miteinander verbunden, der im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse des Zielhalters steht. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden die Metallwände durch Schneiden und Biegen von Teilen eines Blechs hergestellt, das den Zielhalter des Magnetziels bildet. Zum Beispiel geht mindestens eine Wand aus einem Teil des Bodens des Zielhalters hervor. In einem anderen Beispiel geht mindestens eine Wand aus der Außenwand des Zielhalters hervor. Gemäß alternativer Ausführungsformen können die Metallwände durch Schneiden und Biegen eines Metallblechs hergestellt werden, das am Zielhalter des Magnetziels befestigt wird, zum Beispiel durch Schweißen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst die Erfassungsvorrichtung eine Vielzahl von Metallwänden, die über einen oberen Kranz und/oder unteren Kranz miteinander verbunden sind. Zum Beispiel bestehen die Metallwände aus Stahl und der Kranz oder die Kränze aus Kunststoff. Zum Beispiel wird mindestens ein Kranz auf die Vielzahl der Metallwände aufgespritzt. Die Baugruppe, die aus den Wänden, dem oberen Kranz und/oder dem unteren Kranz gebildet ist, wird als gelochtes Teil bezeichnet.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Vielzahl der Wände, der obere Kranz und/oder der untere Kranz aus demselben Material gefertigt und bilden eine Monoblockeinheit. Das gelochte Teil ist zum Beispiel aus einem Stück Stahl gefertigt. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das gelochte Teil durch Verkleben im Zielhalter fixiert.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das gelochte Teil in den Zielhalter geschweißt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das gelochte Teil anhand eines Systems von Zapfen im Zielhalter fixiert. Zum Beispiel weist das gelochte Teil Zapfen und der Zielhalter formschlüssige Öffnungen zur Aufnahme der Zapfen auf. In einem anderen Beispiel weist der Zielhalter Zapfen und das gelochte Teil formschlüssige Öffnungen zur Aufnahme der Zapfen auf.
Durch die Realisierung der obengenannten Merkmale, einzeln oder in Kombination, erreicht die Erfindung die ihr gesetzten Ziele, nämlich einerseits die Herstellung einer Vorrichtung, die eine präzise und zuverlässige Erfassung der Winkelposition eines Rotors mit großem Durchmesser oder eines Rotors mit kleinem Durchmesser und einer geringen Anzahl von Polen ermöglicht, andererseits die Herstellung einer solchen Erfassungsvorrichtung, die einfach, reproduzierbar und kostengünstig herzustellen ist, und schließlich die Herstellung einer solchen Erfassungsvorrichtung, die leicht in ein Kraftfahrzeug zu integrieren ist.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine drehende elektrische Maschine, die mindestens aufweist:

- einen Stator,
- einen Rotor, der so montiert ist, dass er sich in Bezug zum Stator dreht,
- eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkelposition des Rotors, wie oben beschrieben.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die oben beschriebene Vorrichtung zur Erfassung der Winkelposition des Rotors einen Winkelpositionssensor auf, der mit dem Stator der drehenden elektrischen Maschine fest verbunden ist, und ein Magnetziel, das um eine Rotationsachse drehbar und auf die Rotationsachse des Rotors zentriert ist.
Vorteilhafterweise, aber nicht ausschließlich, ist die drehende elektrische Maschine gemäß der Erfindung so konfiguriert, dass sie als elektrischer Generator und als Motor funktioniert, der das Kraftfahrzeug in Bewegung setzen kann. Vorteilhafterweise kann die drehende elektrische Maschine gemäß der Erfindung eines oder mehrere der folgenden Merkmale einzeln oder in Kombination aufweisen:

- die Vorrichtung zur Erfassung der Winkelposition des Rotors weist so viele Metallwände auf, wie der Rotor abwechselnd Nord- und Südmagnetpole hat,
- einen Außendurchmesser des Rotors zwischen 60 mm und 270 mm.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der nachstehenden Beschreibung anhand der folgenden Zeichnungen deutlicher, in denen:

- die 1a und 1b allgemeine schematische perspektivische Ansichten einer drehenden elektrischen Maschine gemäß der Erfindung sind. 1a ist eine schematische Gesamtansicht einer solchen montierten drehenden elektrischen Maschine, und 1b ist eine schematische Explosionsdarstellung einer solchen drehenden elektrischen Maschine,
- die 2 eine schematische Draufsicht auf einen Teil der Erfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist, in der die Modifikationen des magnetischen Felds hervorgehoben sind, die sich aus dem Vorhandensein der erfindungsgemäßen Metallwände ergeben,
- die 3a, 3b und 3c Metallwände gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen,
- die 4a, 4b, 4c Metallwände gemäß anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung darstellen,
- die 5 eine schematische Draufsicht auf einen Teil eines Magnetziels und dessen Zielhalter ist, in der die verschiedenen charakteristischen Größen einer Erfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt sind,
- die 6a, 6b und 6c Kurven sind, die schematisch den Einfluss einer Kenngröße der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung auf die Harmonischen des von den Positionssensoren der erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung erfassten Signals darstellen,
- die 7 die relative axiale Konfiguration des Magnetziels und des oder der Winkelpositionssensoren zeigt,
- die 8a, 8b und 8c Metallwände gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellen,
- die 9 Metallwände gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt.

Zunächst ist anzumerken, dass die Figuren zwar die Erfindung in ihrer Ausführungsform detailliert wiedergeben, dass sie aber natürlich auch dazu dienen können, die Erfindung bei Bedarf besser zu definieren. Es ist auch zu beachten, dass in den Figuren gleiche Elemente durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
Unter Bezugnahme auf die 1 a und 1 b weist eine drehende elektrische Maschine 600 unter anderem einen Stator 2 und einen Rotor 1 mit Rotationsachse 100 auf, der drehbar im Stator 2 gelagert ist. Vorteilhafterweise hat der Stator 2 eine allgemeine Umdrehungsform, deren Achse 200 hinsichtlich der Fertigungs-, Montage- und Verschleißtoleranzen im Wesentlichen mit der Rotationsachse 100 des Rotors 1 zusammenfällt. Vorteilhafterweise ist der Stator 2 aus einer Anordnung von elektromagnetischen Spulen 20 gebildet, die in den 1a und 1b schematisch dargestellt sind. Der Stator 2 ist in einem Gehäuse 6 untergebracht, mit dem er durch geeignete, in den Figuren nicht näher dargestellte Befestigungsmittel verbunden ist. Vorteilhafterweise weist das Gehäuse 6 eine Bohrung 60 auf, die so gestaltet ist, dass sie den Durchgang der Rotorwelle 1 ermöglicht. Vorteilhafterweise kann eine solche drehende elektrische Maschine 600 als Elektromotor verwendet werden, um ein Kraftfahrzeug in Bewegung zu setzen. In diesem Zusammenhang weist drehende elektrische Maschine 600 gemäß der Erfindung auch eine Vorrichtung 500 zum Erfassen der Winkelposition des Rotors 1 innerhalb des Stators 2 auf, insbesondere, um die Zeitpunkte bestimmen zu können, zu denen es notwendig ist, elektrischen Strom in den Stator 2 einzuspeisen, sowie zur Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors.
Die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung 500 umfasst unter anderem mindestens einen Winkelpositionssensor 3 und ein Magnetziel 4, das um eine Rotationsachse 400 drehbar ist, die auf die Rotationsachse 100 des Rotors 1 zentriert ist. Daraus folgt, dass in einer drehenden elektrischen Maschine 600 gemäß Erfindung die Rotationsachse 100 des Rotors 1 und die Rotationsachse 400 des Magnetziels 4 in den Fertigungs-, Montage- und Verschleißtoleranzen im Wesentlichen übereinstimmen. Genauer gesagt, ist das Magnetziel 4 innerhalb der drehenden elektrischen Maschine 600 mechanisch mit dem Rotor 1 verbunden und wird durch die Drehung des Rotors 1 um dessen Rotationsachse 400 um seine Rotationsachse 100 in Drehung versetzt.
Gemäß der in 1b näher dargestellten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung 500 drei Winkelpositionssensoren 3 auf, die von einem oder mehreren Sensorhaltern 31 gehalten werden. Die Winkelpositionssensoren 3 sind zum Beispiel Hallsensoren.
Das Magnetziel 4, schematisch in 1b dargestellt, hat die allgemeine Form eines geraden Zylinderteils mit einer Rotationsachse 400. Genauer gesagt, hat das Magnetziel 4 im Schnitt entlang einer Ebene senkrecht zu seiner Rotationsachse 400 eine im Wesentlichen ringförmige Form, die auf die vorgenannte Rotationsachse 400 zentriert ist. Das Magnetziel weist eine innere Wand 40, die der Rotationsachse 400 am nächsten liegt, und eine äußere Wand 41 auf, die am weitesten von der Rotationsachse 400 entfernt ist. Beide sind in 2 ersichtlich. Aus elektromagnetischer Sicht weist das Magnetziel 4 um seine Rotationsachse 400 eine Folge von abwechselnden magnetischen Nord- und Südpolen auf. Genauer gesagt, weist das Magnetziel 4 innerhalb der drehenden elektrischen Maschine 600 eine elektromagnetische Konfiguration auf, die der des Rotors 1 der drehenden elektrischen Maschine 600 entspricht.
Das Magnetziel 4 besteht zum Beispiel aus einem polymeren Harz (beispielsweise einem thermoplastischen Harz wie Polyamid (PA) oder Polyphenylensulfid (PPS)) oder einem elastomeren Material, das mit magnetischen Partikeln versetzt ist (zum Beispiel Ferritpartikel oder Partikel von seltenen Erden). Im Allgemeinen werden die zur Herstellung des Magnetziels verwendeten Materialien vorteilhafterweise so gewählt, dass sie die durch die Umgebung und den Betrieb einer drehenden elektrischen Maschine, welche mit der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung 500 ausgestattet ist, auferlegten Anforderungen an Steifigkeit und Beständigkeit gegen hohe Temperaturen erfüllen.
Vorteilhafterweise wird das Magnetziel 4 in einem metallischen Zielhalter 45 aufgenommen, dessen Rotationsachse 450 in Bezug auf Fertigungs- und Verschleißtoleranzen im Wesentlichen mit der Rotationsachse 400 des Magnetziels 4 übereinstimmt. Der Zielhalter ist zum Beispiel gemäß der amerikanischen Norm AISI aus Karbonstahl 1008 gefertigt. So wird zum Beispiel das Magnetziel 4 hergestellt, indem ein Streifen des Materials, aus dem es besteht, auf eine Wand des Zielhalters 45 aufgebracht wird. Gemäß anderen Herstellungsverfahren kann das Magnetziel 4 zum Beispiel durch Spritzgießen oder in Form eines separaten Elements hergestellt werden, das anschließend durch Kleben mit dem Zielhalter verbunden wird.
Gemäß anderen Herstellungsverfahren besteht der Zielhalter aus einem nichtmagnetischen Material, wie zum Beispiel Kunststoff oder Aluminium. In diesem Fall kann ein Stahlband zwischen dem Zielhalter 45 und dem Magnetziel 4 eingefügt werden, um die Feldlinien besser auf die Außenfläche 41 des Magnetziels 4 zu kanalisieren und so den von den Winkelpositionssensoren 3 festgestellten Induktionspegel zu maximieren. Das daraus resultierende Signal-Rausch-Verhältnis ist dann zufriedenstellend. Vorteilhafterweise hat der Zielhalter 45 eine allgemein ringförmige Form, deren Schnitt in einer Ebene mit der Rotationsachse 450 des Zielhalters 45 die allgemeine Form eines U hat, dessen Symmetrieachse mit der Rotationsachse 450 des Zielhalters 45 zusammenfällt. Dieser Zielhalter 45 begrenzt somit ein im Wesentlichen ringförmiges Aufnahmegehäuse 451, dessen Rotationsachse mit der Rotationsachse 450 des Zielhalters 45 zusammenfällt.
In der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung 500 sind die Winkelpositionssensoren 3 im Vergleich zum Magnetziel 4 fest angebracht. Letztgenanntes wird durch die Rotation des Rotors 1 um seine Rotationsachse 400 in Drehung versetzt. Dadurch passieren während der Rotationsbewegung des Magnetziels 4 um die Rotationsachse 400 die definierten Winkelbereiche des Magnetziels nacheinander die Winkelpositionssensoren 3. Diese messen die Magnetfeldschwankungen, die sich aus der besonderen, zuvor definierten magnetischen Konfiguration des Magnetziels 4 ergeben, und ermöglichen so die Erfassung der gewünschten Winkelposition. Vorteilhafterweise sind innerhalb der drehenden elektrischen Maschine 600 die Winkelpositionssensoren 3 mechanisch mit dem Stator 2 verbunden.
Gemäß der Erfindung weist die Erfassungsvorrichtung 500 mindestens eine Metallwand 5 auf, die zwischen dem Magnetziel 4 und dem oder den Winkelpositionssensoren 3 angeordnet ist. Dies wird insbesondere durch die 2 verdeutlicht, die schematisch in der Draufsicht einen Teil des Magnetziels 4 und des Zielhalters 45 einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung 500 zeigt. Die Metallwand 5 besteht hier aus ferromagnetischem Material, und zwar aus Kohlenstoffstahl 1008 gemäß der amerikanischen Norm AISI. Die Metallwand 5 könnte auch ein Permanentmagnet mit Halbach-Magnetisierung sein, dessen Magnetisierungsrichtung dem Verlauf der Magnetfeldlinien folgt, die durch die Aufeinanderfolge der Nord- und Südpole des Magnetbandes erzeugt werden. Die Metallwand 5 könnte auch aus einem ferrimagnetischen Material bestehen, zum Beispiel aus einer Eisen-Nickel- oder Eisen-Kobalt-Legierung.
Die 2 zeigt schematisch einen Abschnitt des Magnetziels 4, der sich über einen Winkel 410, der um die Rotationsachse 400 des Magnetziels 4 gemessen wird, erstreckt und einen Abschnitt 411 des Umfangs des Magnetziels 4 begrenzt, über den sich eine Abfolge eines magnetischen Nordpols und eines magnetischen Südpols erstreckt, das heißt, eine wechselnde Folge von magnetischen Nord- und Südpolen des Magnetziels 4.
In der 2 ist auch schematisch die Rotationsachse 400, 450 dargestellt, welche das Magnetziel 4 und der Zielhalter 45 gemeinsam haben, sowie ein Winkelpositionssensor 3.
Bezugnehmend auf die 2 liegt die Außenwand 41 des Magnetziels 4 an einer Innenfläche der Außenwand 453 des Zielhalters 45 innerhalb des vorgenannten Aufnahmegehäuses 451 an. Der Winkelpositionssensor 3 ist in radialer Richtung zur Rotationsachse 400, 450 zwischen der vorgenannten Rotationsachse 400, 450 und der Innenwand 40 des Magnetziels 4 angeordnet. Gemäß dieser relativen Konfiguration des Magnetziels 4 und des oder der Positionssensoren 3, die als erste interne radiale Konfiguration bezeichnet wird, ist der Winkelpositionssensor 3 somit gegenüber einer Oberfläche des Magnetziels 4 angeordnet, die im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse 400 des letzteren verläuft.
Bezogen auf diese relative Konfiguration des Magnetziels 4 und des oder der Winkelpositionssensoren 3 ist die Metallwand 5, 5a, 5b in dem Luftspalt 44 angeordnet, der zwischen der Innenwand 40 des Magnetziels 4 und dem oder den Winkelpositionssensoren 3 gebildet wird. Der Luftspalt 44 wird hier in radialer Richtung in Bezug auf die Rotationsachse 400 des Magnetziels 4 gemessen. Die Metallwand 5 verändert durch ihr Vorhandensein im erwähnten Luftspalt 44 das Magnetfeld des Magnetziels 4 und damit das von dem oder den Winkelpositionssensoren 3 erfasste Magnetfeld. 2 zeigt schematisch in gestrichelten Linien die Feldlinien 700, die sich aus der elektromagnetischen Konfiguration des Magnetziels 4 ergeben, und in gestrichelten Linien die Feldlinien 710, die sich aus dem Vorhandensein der Metallwand 5 ergeben.
Wie aus 2 deutlich ersichtlich ist, sind zwischen dem Magnetziel 4 und dem Winkelpositionssensor 3 mehrere separate Metallwände 5 angeordnet. Genauer gesagt, ist eine Metallwand 5 im Wesentlichen an jeder Winkelposition, gemessen um die Rotationsachse 400 des Magnetziels 4, angeordnet, an der ein Wechsel des magnetischen Pols Nord, Süd des Magnetziels 4 erfolgt. Mit anderen Worten werden zwei Metallwände 5a, 5b, die nacheinander um die Rotationsachse 400 des Magnetziels 4 angeordnet sind, voneinander durch einen Winkel 420 getrennt, der um die Rotationsachse 400 des Magnetziels gemessen wird und einen Teil 421 des Umfangs des Magnetziels 4 abgrenzt, über den sich ein magnetischer Pol, Nord oder Süd, des Letztgenannten erstreckt. Die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung 500 weist also so viele Metallwände 5 auf, wie das Magnetziel 4 abwechselnd magnetische Nord- und Südpole aufweist.
Vorteilhafterweise sind die magnetischen Nord- und Südpole des Magnetziels 4 regelmäßig über dessen Umfang angeordnet. Daraus folgt, dass die Metallwände 5 regelmäßig winklig um die Rotationsachse 400 des Magnetziels 4 angeordnet sind.
Wie in 2 dargestellt, ragen die Metallwände 5 von dem Magnetziel 4 hervor, das heißt, die Metallwände 5 sind mechanisch mit dem Magnetziel 4 verbunden, so dass sie durch die Drehung des Magnetziels 4 um seine Rotationsachse 400 mitgedreht werden. Die Metallwand 5 ist fest mit dem drehbaren Teil der Erfassungsvorrichtung 500 verbunden. Die Metallwand 5 ist fest mit dem Zielhalter 45 verbunden.
Die 3a, 3b und 3c zeigen schematisch eine Ausführungsform der Metallwände 5. 3a ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils des Zielhalters 45 einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung 500. 3b ist eine schematische perspektivische Ansicht des in 3a dargestellten Teils des Zielhalters 45 und eines entsprechenden Teils des Magnetziels 4. 3c ist eine schematische Querschnittsansicht des in den 3a und 3b dargestellten Teils des Zielhalters und des Magnetziels 4 entlang einer Ebene, welche die Rotationsachse 400, 450 enthält, die das Magnetziel 4 und der Zielhalter 45 gemeinsam haben.
Diese Figuren zeigen drei separate Metallwände, 6a, 6b und 6c. Die für das Magnetziel 4 und den Zielhalter 45 gemeinsame Rotationsachse 400, 500 ist in diesen Figuren ebenfalls schematisch dargestellt.
Wie in den 3a, 3b und 3c dargestellt, wird der Zielhalter 45 zum Beispiel durch Stanzen in einer Presse aus einem dünnen Metallblech geformt. Die Metallwände 5a, 5b, 5c haben die Form von Laschen, die aus diesem Metallblech geschnitten und gebogen werden.
Genauer gesagt ist der Zielhalter 45 hier ein Ring, dessen einzelne Winkelabschnitte in einem Schnitt entlang einer Ebene, die die vorgenannte Rotationsachse 450 beinhaltet, die Form eines U haben. Noch präziser ausgedrückt, weist der Zielhalter 45 eine Innenwand 452 auf, die im Wesentlichen parallel zu der vorgenannten Rotationsachse 450 verläuft, die Außenwand 453, welche im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse 450 verläuft, und einen Boden 454, der im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse 450 verläuft und sich zwischen der vorgenannten Innenwand 452 und der vorgenannten Außenwand 453 erstreckt. Die Innenwand 452 und die Außenwand 453 sind konzentrisch und auf die Rotationsachse 450 zentriert, wobei die Innenwand 452 näher an dieser liegt als die Außenwand 453. Mit anderen Worten wird der Zielhalter 45 durch einen Innenzylinder und einen Außenzylinder gebildet, die koaxial sind, deren Wände 452 bzw. 453 parallel zur Rotationsachse 450 des Zielhalters 45 verlaufen und deren jeweilige Rotationsachsen mit der vorgenannten Rotationsachse 450 zusammenfallen und die durch einen Boden 454 miteinander verbunden sind, der im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse 450 des Zielhalters 45 steht.
Gemäß der in den 3a bis 3c näher dargestellten Ausführungsform ist die Abmessung der Innenwand 452 entlang der Richtung der Rotationsachse 450 größer als die Abmessung der Außenwand 453 entlang der gleichen Rotationsachse 450, was jedoch nicht immer der Fall ist. Wie bereits erwähnt, begrenzen die Innenwand 452, die Außenwand 453 und der Boden 454 des Zielhalters 45 zusammen ein Gehäuse 451, das zur Aufnahme des Magnetziels 4 konfiguriert ist, wie in den 3b und 3c dargestellt.
Gemäß der in den 3a bis 3c näher dargestellten Ausführungsform werden die Metallwände 5a, 5b und 5c aus den jeweiligen Ausschnitten 55a, 55b und 55c hergestellt, die im Boden 454 des Zielhalters 45 angeordnet sind. Genauer gesagt, haben die Ausschnitte 55a, 55b, 55c gemäß diesem Beispiel im Wesentlichen die Form eines Rechtecks, dessen längere Seiten in einer radialen Richtung zur Rotationsachse 450 des Zielhalters 45 angeordnet sind. Dessen kürzere Seiten sind im Wesentlichen parallel zu der zuvor definierten Innenwand 452 und Außenwand angeordnet und die Metallwände 5a, 5b, 5c werden durch Falten eines durch die Ausschnitte 55a, 55b, 55c freigelegten Blechelements in einer im Wesentlichen parallelen Richtung zu der vorgenannten Rotationsachse 450 hergestellt Noch genauer, die Ausschnitte 55a, 55b, 55c weisen hier im Wesentlichen rechteckige Formen auf, die an ihren längeren Seiten und an einer ihrer kürzeren Seiten, der freiliegenden kürzeren Seite 456a, 456b, 456c der Ausschnitte 55a, 55b, 55c offen sind. Die kürzere offene Seite 456a, 456b, 456c der Ausschnitte 55a, 55b, 55c befinden sich auf der Seite der Innenwand 454 des Zielhalters 45 und die Metallwände werden von der kurzen Seite der Ausschnitte 55a, 55b, 55c her, die der zuvor erwähnten kurzen, offenen Seite 456a, 456b, 456c gegenüberliegt, gebildet.
Anders ausgedrückt erstrecken sich die Metallwände 5a, 5b, 5c hier von einer der Rotationsachse 450 gegenüberliegenden Innenfläche 455 der Außenwand 453 des Zielhalters 45 und sind an der Außenwand 453 des Zielhalters 45 durch einen Rand 56a, 56b, 56c, welcher der vorgenannten kurzen Seite 456a, 456b, 456c gegenüberliegt, im Wesentlichen parallel zu der freiliegenden kurzen Seite 456a, 456b, 456c der Ausschnitte 55a, 55b, 55c befestigt.
Daraus folgt, dass die Metallwände 5a, 5b, 5c um die Rotationsachse 450 des Zielhalters 45 jeweils durch eine erste Endkante 550a und durch eine zweite Endkante 550b parallel zu den zuvor beschriebenen Längsseiten der Ausschnitte 55a, 55b, 55c begrenzt sind.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich auch, dass die Metallwände 5a, 5b, 5c innerhalb des zuvor definierten Aufnahmegehäuses 451 jeweils ein Volumen 457a, 457b, 457c begrenzen, das in 3c sichtbar ist. Wie in dieser Figur dargestellt, sind die Volumina 457a, 457b, 457c in dem zuvor definierten Aufnahmegehäuse 451 enthalten. Aus dem Vorstehenden ergibt sich auch, dass die Metallwände 5a, 5b, 5c zusammen einen Teil des diskontinuierlichen Zylinders bilden, dessen Rotationsachse innerhalb der Herstellungs- und Montagetoleranzen im Wesentlichen mit der für das Magnetziel 4 und den Zielhalter 45 gemeinsamen Rotationsachse 400, 450 übereinstimmt, und dessen diskontinuierliche Wand durch die verschiedenen Metallwände der Erfassungsvorrichtung 500 gebildet wird.
Gemäß der in den 3b und 3c näher dargestellten Ausführungsform ist das magnetische Ziel 4 an der Außenwand 453 des Zielhalters 45 aufgenommen, so dass die in 3c sichtbare Außenwand 41 des Magnetziels 4 gegen die zuvor definierte Innenfläche 455 der vorgenannten Außenwand 453 gedrückt wird. Gemäß dieser Ausführungsform weist das Magnetziel 4 eine Hauptwand 42 auf, die im Wesentlichen parallel zu der zuvor definierten Rotationsachse 400 verläuft und gegen die vorgenannte Außenwand 453 gedrückt wird, sowie einen ersten Sekundärteil 430 und einen zweiten Sekundärteil 431, die im Wesentlichen senkrecht zu der vorgenannten Rotationsachse 400 verlaufen. Der erste Sekundärteil 430 liegt hier am Boden 454 des Zielhalters 45 an, und der zweite Sekundärteil 431 überlagert eine Oberkante 458 der Außenwand 453 des Zielhalters. Mit anderen Worten deckt der zweite Sekundärteil 431 des Magnetziels 4 die Dicke der Außenwand 453 des Zielhalters 45, gemessen in radialer Richtung in Bezug auf die zuvor definierten Rotationsachsen 400, 450, ab.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass das Magnetziel 4 in den verschiedenen, zuvor definierten Aufnahmevolumina 457a, 457b, 457c, die über den Umfang des Zielhalters 45 verteilt sind, aufgenommen wird. Daraus resultiert ebenfalls, dass sich die Metallwände 5a, 5b, 5c von dem Magnetziel 4 in einer im Wesentlichen radialen Richtung zur Rotationsachse 400 des letzteren erstrecken, und dann in einer im Wesentlichen axialen Richtung parallel zur Rotationsachse 400 des Magnetziels 4.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel, das insbesondere in den 4a und 4b dargestellt ist, werden die Metallwände 5a, 5b, 5c aus Blechelementen 459 der Außenwand 453 hergestellt. Wie in 4a dargestellt, werden die Blechelemente 459 durch zinnenförmigen Zuschnitt der Oberkante 458 der Außenwand 453 des Scheibenhalters 45 hergestellt. Genauer gesagt, haben die Blechelemente 459 gemäß diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen rechteckige Formen, deren längere Seiten in axialer Richtung zur Rotationsachse 450 des Zielhalters 45 ausgerichtet sind. Die Metallwände 5a, 5b, 5c werden durch Biegen eines Blechelements 459 in eine Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur vorgenannten Rotationsachse 450 verläuft, und entlang des Pfeils 460 hergestellt. Um in diesem Beispiel das Umspritzen des Magnetziels 4 im Zielhalter 45 zu ermöglichen, werden die Blechelemente 459 einem ersten Tiefziehen unterzogen, mit dem ein Absatz gebildet wird, der in 4a deutlich sichtbar ist. Die Blechelemente 459 werden dann einem zweiten Tiefziehen unterzogen, um die Laschen zu biegen und einen Falz 462 zu formen, wie in 4b ersichtlich. Alternativ wird die Metallwand 5 an der Außenwand 453 angesetzt und fixiert, zum Beispiel durch Schweißen, wie in 4c dargestellt. In diesen Ausführungsbeispielen könnten Rückhaltelaschen, die nicht dargestellt sind, zuvor durch Tiefziehen kleiner Blechelemente des Bodens 454 des Zielhalters in Richtung des Inneren des Zielhalters 45 geformt werden. Sobald die Blechelemente 459 gebogen oder geschweißt sind, um die Metallwände 5 zu bilden, würden die Haltelaschen in Richtung des Bodens 454 des Zielhalters 45 gebogen, um die Metallwände 5 in ihrer Betriebsposition zu halten.
5 zeigt in der Draufsicht einen Teil des Magnetziels 4 und des Zielhalters 45 in einer Ausführungsform, die der in den 3a bis 3c dargestellten Ausführungsform ähnlich ist. Die 5 zeigt den Zielhalter 45, seine Innenwand 452, seine Außenwand 453, seinen Boden 454 sowie drei Metallwände, die allgemein mit der Referenz 5 bezeichnet sind und durch Biegen von Blechelementen in eine Richtung parallel zur Rotationsachse 450 des Zielhalters 45 hergestellt werden, Blechelemente, die wiederum durch Ausschneiden herausgearbeitet werden, allgemein mit der Referenz 55 bezeichnet sind und im Boden 454 des Zielhalters 45 angeordnet sind. In 5 ist auch ein Winkelpositionssensor 3 schematisch dargestellt.
In 5 ist eine Reihe von Kenngrößen der Erfassungsvorrichtung 500 gemäß der Erfindung dargestellt.
Unter Bezugnahme auf 5 ist der Öffnungswinkel 50 einer Metallwand 5 als der Winkel 50 definiert, der zur Rotationsachse 450 des Zielhalters 45 gemessen wird, der die betreffende Metallwand 5 begrenzt. Mit anderen Worten wird der Öffnungswinkel 50 einerseits durch eine Gerade, welche die Rotationsachse 450 des Zielhalters 45 mit der ersten Endkante 550a der Metallwand 5 radial verbindet, und andererseits durch eine Gerade, welche die Rotationsachse 450 des Zielhalters 45 mit der zweiten Endkante 550b derselben Metallwand 5 radial verbindet, bestimmt.
Eine Polteilung 46 des Magnetziels 4 ist auch als der Winkel 46 definiert, der um die Rotationsachse 400 des Magnetziels 4 gemessen wird und zwei aufeinanderfolgende Wechsel der magnetischen Pole Nord, Süd des Magnetziels 4 trennt. Daraus folgt, dass die erwähnte Polteilung 46 innerhalb von Fertigungs- und Montagetoleranzen der Winkel ist, der zwei um die zuvor definierte Rotationsachse 400, 450 aufeinanderfolgend angeordnete Metallwände 5 trennt. Wie in 5 dargestellt, ist die vorgenannte Polteilung 46 gleich dem um die Rotationsachse 450 des Zielhalters 45 gemessenen Winkels, der die mittleren Abschnitte zweier um den Umfang des Zielhalters 45 aufeinanderfolgend angeordneter Metallwände 5 trennt, wobei der mittlere Abschnitt einer Metallwand 5 hier unter Bezugnahme auf die Abmessung der betreffenden Metallwand 5, gemessen um die Rotationsachse 450 des Zielhalters 45, bestimmt wird.
Mit Bezug auf die 5 ist auch ein unbedeckter Polbogen 47 gegenüber dem (den) Sensor(en) 3 definiert. Der Polbogen 47, gemessen um die Rotationsachse 400 des Magnetziels 4, ist der Winkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Metallwänden, in dem der oder die Winkelpositionssensoren das Magnetfeld des Magnetziels erfassen. Ausgehend vom Polbogen 47 ist eine Länge 48 des Polbogens 47 als die um die Rotationsachse 400 des Magnetziels 4 gemessene Abmessung des Magnetziels 4 definiert, über die sich der durch den Polbogen 47 begrenzte Winkelsektor erstreckt. Mit anderen Worten ist die Länge 48 des Polbogens 47 ein Teil des Umfangs des Magnetziels 4, der zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wänden liegt und entlang dessen der Winkelpositionssensor 3 das Magnetfeld desselben Magnetziels 4 erfasst. Durch die Erzeugung von magnetischen Kurzschlüssen an den Zwischenpolen verändern die Wände die zeitliche Form der vom Sensor im Betrieb erfassten magnetischen Induktion.
5 zeigt auch den zuvor definierten Luftspalt 44, das heißt, den in radialer Richtung zur Rotationsachse 400 des Magnetziels 4 gemessenen Abstand zwischen dem Winkelpositionssensor 3 und der Oberfläche des Magnetziels 4 zu diesem Positionssensor. Für den Fall, dass die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung 500 mehrere Winkelpositionssensoren 3 umfasst, ist zu beachten, dass diese vorteilhafterweise in gleichen Abständen zum Magnetziel 4 angeordnet sind, so dass der vorgenannte Luftspalt 44 konstant ist.
In 5 ist auch ein Radius 49 des Magnetziels 4 dargestellt. Der Radius 49 wird zwischen der Rotationsachse 400 des Magnetziels 4 und der dem oder den Winkelpositionssensoren 3 zugewandten Oberfläche des Magnetziels 4 gemessen. Entsprechend der in 5 näher dargestellten relativen Anordnung des Magnetziels 4 und des oder der Winkelpositionssensoren 3 wird der Radius 49 zwischen der zuvor definierten Rotationsachse 400 und der Innenwand 40 des Magnetziels 4 gemessen.
Mit Bezug auf die 5 wird schließlich die Dicke 51 der Metallwände 5 definiert. Die Dicke 51 einer Metallwand 5 ist hier das radial zur Rotationsachse 400 des Magnetziels 4 gemessene Maß der betreffenden Metallwand 5.
Diese verschiedenen Größen und insbesondere ihre relativen Anteile werden bei der elektromagnetischen Abstimmung der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung 500 berücksichtigt.
Die 6a, 6b und 6c zeigen einen Vorteil, der sich aus der Realisierung der Metallwände 5 der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung 500 ergibt. Das Verhältnis 510 zwischen dem Öffnungswinkel 50 einer Metallwand und einer Polteilung 46 des Magnetziels ist auf der Abszisse aufgetragen. Auf der Ordinate sind die vorherrschenden Harmonischen und die harmonische Verzerrung der radialen magnetischen Induktion eingetragen, die von einem Winkelpositionssensor 3 erfasst werden, vor dem sich das betreffende Magnetziel 4 dreht. Insbesondere werden die 3., 5. und 7. Harmonische, als H3, H5 und H7 bezeichnet (und hier auf die 1. Harmonische oder Grundschwingung normiert), untersucht. Mit der „Rate der harmonischen Verzerrung des Signals“, TDH genannt, ist hier die Rate der harmonischen Verzerrung in Bezug auf die Grundschwingung gemeint, allgemein als THD-f bezeichnet. Letztere ist ein guter Indikator für die Signalqualität.
Diese drei Kurvensätze werden für Erfassungsvorrichtungen 500 ermittelt, die aufweisen

- identische Maße des Luftspalts 44,
- Magnetziele mit identischen Durchmessern (60 mm)
- Metallwände mit identischen Dicken 51.

Der einzige Parameter, der variiert, ist also die Anzahl der Polpaare des Ziels. Für 6a ist diese Zahl gleich eins, für 6b ist diese Zahl gleich fünf, und für 6c ist sie gleich zwölf.
Die 6a, 6b und 6c zeigen somit den Einfluss des Verhältnisses 510 (und damit des Öffnungswinkels 50 der Metallwände) auf die vorherrschenden Harmonischen und die harmonische Verzerrung der erfassten radialen magnetischen Induktion für eine variable Anzahl von Polpaaren.
Bei einem Öffnungswinkel 50 von Null, das heißt ohne jegliche Metallwand 5, handelt es sich bei der Erfassungsvorrichtung um eine Einrichtung, die dem Stand der Technik entspricht. Diese Situation entspricht derjenigen, in der die Kennzahl 510 Null ist. So kann man in 6a signifikante Werte der Harmonischen H3, H5 und H7 ablesen, wenn keine Metallwand vorhanden ist: in der Größenordnung von jeweils 35%, 20% und 15%. Es ist zu erkennen, dass das Vorhandensein der Laschen das Signal erheblich verbessert, indem diese Werte gesenkt werden. Das Gleiche gilt für die harmonische Verzerrung. Somit führt die Erfindung bei einer solchen Erfassungsvorrichtung zu einer erheblichen Verbesserung bei der Messung der Winkelposition des Rotors.
Das gleiche Phänomen wird für ein Ziel mit fünf Polpaaren beobachtet (6b). In Zusammenhang mit der Erfindung wird auch eine Verbesserung für das Ziel mit 12 Polpaaren beobachtet (6c), aber in diesem Fall ist die Verbesserung geringer. Die Werte der Harmonischen und der harmonischen Verzerrung sind bereits ohne jegliche Metallwand recht niedrig (in der Größenordnung von einem Prozent oder sogar weniger). In diesem Fall ist das Vorhandensein von Laschen weniger notwendig.
Es ist weiterhin festzustellen, dass die relativen Pegel der einzelnen Harmonischen in Bezug auf die Grundschwingung in 6a höher sind als in 6b und in 6b höher als in 6c. Je höher also die Anzahl der Polpaare ist, desto niedriger sind die relativen Pegel der einzelnen Harmonischen in Bezug auf die Grundschwingung. Die harmonische Verzerrung TDH sinkt ebenfalls mit zunehmender Anzahl der Polpaare.
Dieses Phänomen hängt damit zusammen, dass mit zunehmender Anzahl an Polpaaren die Polteilung 46 abnimmt und die Pole im Luftspalt Formen magnetischer Induktion erzeugen, die zu einer reinen Sinuskurve tendieren.
Dieses Phänomen kann auch beobachtet werden, wenn sich der Außendurchmesser des Ziels 4 ändert, da dieser auch den Wert der Polteilung 46 beeinflusst (hier nicht dargestellt).
Mit anderen Worten haben die Anzahl der Polpaare und der Außendurchmesser des Ziels 4 einen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Metallwände 5, indem sie das Verhältnis 510 zwischen dem Öffnungswinkel 50 der Wände und der Polteilung 46 für einen gegebenen Wert des Öffnungswinkels 50 der Metallwände verändern. Darüber hinaus ist aus den 6a, 6b und 6c ersichtlich, dass es unabhängig vom betreffenden Magnetziel 4 einen Bereich von Werten des zuvor definierten Verhältnisses 510 gibt, für den alle erfassten harmonischen Signale minimal oder nahe an ihrem Minimalwert sind. Die Minimalwerte der Harmonischen H3, H5 und H7 sowie der harmonischen Verzerrung THD sind jeweils durch die Markierungen H3O, H5O, H7O, THDO in der 6a; H3O', H5O', H7O', THDO' in der 6b und H3O", H5O", H7O" und THDO" in der 6c gekennzeichnet.
So liegt der optimale Bereich PO für das Ziel bei einem Polpaar bei einem Verhältnis 510 je nach betrachteter Harmonischen zwischen 0,10 und 0,35. Für das Ziel mit fünf Polpaaren liegt der optimale Bereich PO' zwischen 0,06 und 0,22. Und schließlich liegt der optimale Bereich PO" für ein Ziel mit zwölf Polpaaren zwischen 0,025 und 0,14.
So liegt, je nach Merkmalen der betreffenden Ziele, der optimale Wertebereich des Verhältnisses 510 im Wesentlichen zwischen 0,01 und 0,5, mit einem bevorzugten Bereich von 0,025 bis 0,35. Mit anderen Worten ermöglicht die Erfindung je nach Größe des Magnetziels 4 und der Anzahl von Polpaaren, die es aufweist, die festgestellten Harmonischen auf ihr Minimum zu reduzieren, solange die Metallwände 5 um die Rotationsachse 400 des betreffenden Magnetziels 4 einen Öffnungswinkel 50 der Wände zwischen 1 % und 50 % der Polteilung 46 des Ziels einnehmen. Damit erreicht die Erfindung einen weiteren ihrer Zwecke.
Außerdem ist zu erkennen, dass nicht alle Harmonischen in gleichem Maße beeinflusst werden. Zum Beispiel wird bei fünf Polpaaren (6b) die Harmonische H7 vor den Harmonischen H3 und H5 im Ganzen vernachlässigbar. In ähnlicher Weise werden bei 12 Polpaaren die Harmonischen H5 und H7 im Vergleich zur Harmonischen H3 vernachlässigbar. Daher wird der Wert des Verhältnisses 510 so gewählt, dass bestimmte Harmonische, die als kritischer angesehen werden als andere, je nach Anwendung reduziert werden.
Schließlich variieren die optimalen Werte des Verhältnisses 510 in Abhängigkeit von der Anzahl der Polpaare und dem Außendurchmesser des Magnetziels, aber auch in Abhängigkeit vom gewünschten Spektrum der Harmonischen.
Weitere, in den Figuren nicht dargestellte Kenngrößen der Erfassungsvorrichtung 500 ermöglichen eine weitere Optimierung des von dem oder den Winkelpositionssensoren 3 der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung 500 erzeugten Signals.
Somit liegt ein Verhältnis zwischen der zuvor definierten Länge 48 eines unbedeckten, dem (den) Sensor(en) 3 zugewandten Polbogens 47 und einem Radius 49 des Magnetziels 4 vorteilhafterweise zwischen 0,2 und 3 und vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,6. Mit anderen Worten wird die Winkelpositionserfassung des Magnetziels 4 um seine Rotationsachse 400 des Rotors 1 in Bezug auf den Stator 2 für Länge eines unbedeckten, dem (den) Sensor(en) 3 zugewandten Polbogens 47 optimal sein, die zwischen 20 % und dem Dreifachen des Radius 49 des Magnetziels 4 liegt.
Und schließlich liegt ein Verhältnis zwischen dem Luftspalt 44 der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung 500 und der Dicke 51 mindestens einer Metallwand 5 vorteilhafterweise zwischen 2 und 14 und vorzugsweise zwischen 2 und 7. Mit anderen Worten wird die von der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung 500 durchgeführte Winkelpositionserfassung bei einem großen Luftspalt 44 vor der Dicke 51 der Metallwände optimal sein.
Es ist zu beachten, dass die angegebenen Wertebereiche für die obigen Verhältnisse auch als Ergebnis der Streuung der Größen der Magnetziele 4 und der Variabilität in der Anzahl der Magnetpolpaare Nord - Süd zu verstehen sind, die diese Ziele aufweisen. Dennoch ist es mit der Erfindung in jedem Fall möglich, ein optimiertes Erfassungssignal zu erhalten und damit die gesetzten Ziele zu erreichen.
Die Erfindung ermöglicht somit durch die Realisierung der soeben beschriebenen Mittel die Erfassung der Winkelposition eines Rotors 1 einer drehenden elektrischen Maschine 600 mit einer höheren Genauigkeit, insbesondere dann, wenn der Rotor 1 einen großen Durchmesser, beispielsweise in der Größenordnung von 270 mm, oder einen kleinen Durchmesser, beispielsweise 60 mm, und eine geringe Anzahl von Magnetpolpaaren, beispielsweise 1 oder 5 Polpaare, aufweist. Durch die Realisierung dieser Mittel findet die Erfindung eine besonders vorteilhafte, aber nicht ausschließliche Anwendung in der Erfassung der Winkelposition von Rotoren 1 mit großem Durchmesser.
Die soeben beschriebene Erfindung ist jedoch nicht auf die ausschließlich beschriebenen und dargestellten Mittel und Konfigurationen beschränkt und gilt gleichermaßen für alle gleichwertigen Mittel oder Konfigurationen und für jede Kombination solcher Mittel oder Konfigurationen.
Insbesondere können das Magnetziel 4 und der oder die Winkelpositionssensoren 3 in jeder anderen Konfiguration angeordnet sein, wie z. B. in der zweiten internen radialen Konfiguration, oder in einer externen radialen Konfiguration oder auch in einer axialen Konfiguration.
In der ersten externen radialen Konfiguration, die in den Figuren nicht dargestellt ist, wird beispielsweise die Innenwand 40 des Magnetziels 4 von einer Außenfläche der Außenwand 453 des Aufnahmegehäuses 451 aufgenommen, die zuvor definiert wurde. Das Magnetziel 4 befindet sich somit außerhalb des vorgenannten Aufnahmegehäuses 451 und in einer radialen Richtung zur Rotationsachse 400 des Magnetziels 4 zwischen der Außenwand 453 des Aufnahmegehäuses 451 und den Winkelpositionssensoren 3. Die Winkelpositionssensoren 3 sind also, wie im Fall einer relativen internen radialen Konfiguration, gegenüber einer Oberfläche des Magnetziels 4 im Wesentlichen parallel zu dessen Rotationsachse 400 angeordnet.
In der in 7 dargestellten relativen axialen Konfiguration des Magnetziels 4 und des oder der Winkelpositionssensoren 3 hat das Magnetziel 4 vorteilhafterweise die Form einer durchbrochenen Scheibe, die an einer Innenfläche des Bodens 454 des Zielhalters 45 anliegt, und die Winkelpositionssensoren 3 sind in einer Richtung parallel zur Rotationsachse 400 des Magnetziels 4 gegenüber einer Fläche dieses Rings angeordnet, die senkrecht zu der vorgenannten gemeinsamen Rotationsachse 400, 450 steht. Der Zielhalter hat hier im Querschnitt die Form eines umgekehrten L. Mit anderen Worten hat er keine Innenwand 452 (oder inneren vertikalen Schenkel).
Die 8a, 8b und 8c veranschaulichen eine andere Ausführungsform der Metallwände gemäß der Erfindung. Die 8a veranschaulicht insbesondere einen Stahlblechstreifen 85, aus dem die erfindungsgemäßen Wände hergestellt werden. Die Fenster 81 werden in diesem Streifen 85 durch Laserschneiden, Stanzen oder Wasserstrahlschneiden hergestellt, wie in 8b veranschaulicht. Der Blechstreifen besteht in diesem Stadium aus einem sogenannten oberen Kranz 82 und einem sogenannten unteren Kranz 83 sowie den Metallwänden 5. Der Streifen 85 hat zusätzliche Aussparungen 88, wodurch sich Stifte 84 ergeben. In dieser Ausführungsform sind die Stifte 84 als Verlängerung der Metallwände 5 ausgeführt, es könnte aber auch anders sein. Der derart geschnittene Blechstreifen wird dann gebogen und seine beiden Enden 86, 87 werden zusammengeschweißt, wodurch ein einteiliges, gelochtes Teil 8 entsteht, wie in 8c dargestellt. Ein solches gelochtes Teil 8 kann im Zielhalter 45 an den Stiften 84 befestigt werden, die in zusätzliche Löcher im Boden 454 des Zielhalters 45 passen. Das einteilige gelochte Teil 8 könnte auch die Stifte 84 nicht aufweisen und durch Kleben oder Schweißen des unteren Kranzes 83 am Boden 454 des Zielhalters 45 befestigt werden. Die 9 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des gelochten Teils 8. Die Metallwände 5 sind hier durch den oberen Kranz 82 und den unteren Kranz 83 miteinander verbunden. Genauer gesagt, weist jede Metallwand 5 zwei Längsenden 51 und 52 auf, die als oberes Längsende 51 und unteres Längsende 52 bezeichnet werden. Der obere Kranz 82 verbindet die oberen Längsenden 51 der Metallwände 5 miteinander. Der untere Kranz 83 verbindet die unteren Längsenden 52 der Metallwände 5 miteinander. Der obere Kranz 82 umschließt die oberen Längsenden 51 der Metallwände 5. Der untere Kranz 83 umschließt die unteren Längsenden 52 der Metallwände 5. Das so aus dem oberen Kranz 82, dem unteren Kranz 83 und den Metallwänden 5 gebildete gelochte Teil 8 wird dann in den Zielhalter 45 eingeklebt.
Bei den in den 8c und 9 dargestellten Ausführungsformen ist das Vorhandensein von nur einem Kranz, dem oberen Kranz 82 oder dem unteren Kranz 83, für die ordnungsgemäße Ausführung der Erfindung ausreichend. Darüber hinaus gilt alles, was oben zu den 1 bis 6 beschrieben wurde, auch für die in den 8c und 9 beschriebenen Ausführungsarten, d.h. für die Ausführung, bei der die Metallwände 5 aus einem gelochten Teil 8 hervorgehen.
Somit ist die Erfindung auf jede Konfiguration des Magnetziels 4 und der Winkelpositionssensoren sowie auf jede Anzahl, jeden Typ oder jede Konfiguration der Winkelpositionssensoren 3 anwendbar, sofern diese gegenüber dem Magnetziel 4, das durch die Drehung des Rotors 1 einer drehenden elektrischen Maschine 600 in Rotation versetzt wird, fixiert sind, und sofern die zuvor beschriebenen Metallwände 5 in dem Luftspalt 44 angeordnet sind, der zwischen dem oder den Winkelpositionssensoren 3 und der Oberfläche des Magnetziels besteht, welches an diesen vorbeiläuft.

Claims

Vorrichtung (500) zur Erfassung der Winkelposition eines Rotors (1) einer drehenden elektrischen Maschine (600), wobei die Erfassungsvorrichtung (500) mindestens aufweist: - einen Winkelpositionssensor (3), - ein Magnetziel (4), das um eine Rotationsachse (400) drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung (500) mindestens eine Metallwand (5, 5a, 5b, 5c) aufweist, die zwischen dem Magnetziel (4) und dem Winkelpositionssensor (3) angeordnet ist.
Erfassungsvorrichtung (500) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie so viele einzelne Metallwände (5, 5a, 5b, 5c) aufweist, wie das Magnetziel abwechselnd magnetische Nord- und Südpole aufweist.
Erfassungsvorrichtung (500) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallwände (5, 5a, 5b, 5c) gleichmäßig winklig um die Rotationsachse (400) des Magnetziels (4) verteilt sind.
Erfassungsvorrichtung (500) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallwand (5, 5a, 5b, 5c) winklig um die Rotationsachse (400) des Magnetziels (4) senkrecht zu den abwechselnden magnetischen Nord- und Südpolen des Magnetziels (4) angeordnet ist.
Erfassungsvorrichtung (500) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis (510) zwischen einem Öffnungswinkel (50) der Metallwände (5, 5a, 5b, 5c) und einer Polteilung (46) des Magnetziels (4) zwischen 0,01 und 0,5 liegt.
Erfassungsvorrichtung (500) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen der Länge (48) eines unbedeckten, dem (den) Sensor(en) (3) zugewandten Polbogens (47) und einem Radius (49) des Magnetziels (4), das zu dem oder den Sensor(en) (3) gerichtet ist, zwischen 0,2 und 3 liegt.
Erfassungsvorrichtung (500) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen dem Luftspalt (44) der Erfassungsvorrichtung (500) und einer Dicke (51) der Metallwände (5, 5a, 5b, 5c) zwischen 2 und 14 liegt.
Erfassungsvorrichtung (500) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetziel (4) in einem Zielhalter (45) aufgenommen ist, der eine Rotationsachse hat, die im Wesentlichen mit der Rotationsachse des Magnetziels übereinstimmt.
Erfassungsvorrichtung (500) nach dem vorherigen Anspruch, in der zumindest eine der Metallwände (5, 5a, 5b, 5c) am Zielhalter (45) des Magnetziels (4) angebracht ist.
Erfassungsvorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in der die Metallwand (5, 5a, 5b, 5c) ein Magnet ist, der eine Halbach-Magnetisierung besitzt.
Erfassungsvorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in der eine Vielzahl von Metallwänden (5, 5a, 5b, 5c) als ein gelochtes Teil (8) ausgebildet ist.
Drehende elektrische Maschine (600), mindestens aufweisend: - einen Stator (2), - einen Rotor (1), der so montiert ist, dass er sich in Bezug zum Stator (2) dreht, - eine Vorrichtung (500) zur Erfassung der Winkelposition des Rotors (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.