DE19842523A1 - Integrierte Sensorik für elektromagnetische Energiewandler - Google Patents
Integrierte Sensorik für elektromagnetische EnergiewandlerInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Energiewandler gemäß dem
Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches.
In der elektrischen Antriebstechnik kommt den bürstenlosen feldgeführten Antrieben eine
stark wachsende Bedeutung zu. Die verstärkte Wettbewerbssituation in In- und Ausland,
streckenweise strengere Vorschriften und Gesetzgebungen, wie beispielsweise im Bereich der
Heizungstechnik, sowie ständig steigende technische Ansprüche an das Produkt führen zu
neuen sehr stark kunden- und kostenorientierten Antriebslösungen. Die Vielfalt reicht vom
einfachen Einphasenantrieb mit ungeregelter Drehzahl bis zu komplexen hochdynamischen
Servo-Antriebssystemen, die über Feldbusse miteinander verkettet sind.
Während man früher noch vermehrt versuchte, komplexe Antriebsaufgaben durch verstärkten
Einsatz mechanischer Bauteile zu lösen, wird heute in aller Regel die Intelligenz in den
Elektronikteil verlagert. Wesentliche Voraussetzung für diese Entwicklung ist die
kostengünstige Verfügbarkeit von schnellen hochintegrierten Steuerungen sowie von
zuverlässigen, robusten und hochdynamischen Leistungselektronikschaltungen.
Der zu beobachtende Trend zu verstärktem Elektronikeinsatz und material- sowie
fertigungstechnisch vereinfachten Motorkonstruktionen führt, wenn erhöhte Zuverlässigkeit,
guter Wirkungsgrad und eine große Lebensdauer angestrebt werden, in wachsendem
Ausmaße zu Antriebskonzepten mit bürstenlosen Motoren. Besonders sind hierbei die Gruppe
der Permanentmagnetmotoren sowie der Asynchronmotoren hervorzuheben.
Für äußerst hohe Anforderungen an den Drehzahlbereich, die Lebensdauer, die Reinheit und
die Dichtheit des Antriebssystems - also im wesentlichen Anwendungsgebiete, die unter
Verwendung konventioneller Lagertechniken nicht oder nur schwer realisierbar sind, wie
beispielsweise Hochgeschwindigkeitsfräs- und Schleifspindeln, Turbokompressoren,
Vakuumpumpen, oder Pumpen für hochreine chemische oder medizinische Erzeugnisse -
werden vermehrt aktive Magnetlager oder Motoren mit integrierter Magnetlagerwicklung,
auch bekannt unter dem Namen "lagerlose Motoren", eingesetzt.
Sowohl bei bürstenlosen Motoren, wie auch bei aktiven Magnetlagern oder lagerlosen
Motoren bereitet die Sensorik zur Messung der Luftspaltfelder, des Rotorwinkels, des radialen
Abstandes zwischen Rotor und Stator oder der Axialverschiebung des Rotors zum Teil
erhebliche technische und wirtschaftliche Probleme.
In vielen Antriebskomponenten werden zur Messung der Luftspaltfelder und damit zur
indirekten Bestimmung der Rotorposition Hallsensoren und für die Messung des radialen und
axialen Abstandes zwischen Stator und Rotor Wirbelstromsensoren eingesetzt.
Die Messung des Luftspaltfeldes bereitet bislang Schwierigkeiten, da die Hallsensoren infolge
sich ergebender Montage- und Anschlußprobleme, sowie aufgrund des Platzmangels nicht
sinnvoll im Luftspalt untergebracht werden können. Die Alternativen, das Luftspaltstreufeld
an den axialen Stirnseiten des Rotors zu messen oder eigens hinter dem Hauptrotor
angebrachte Zusatz-Permanentmagnetrotorscheiben oder -ringe zu verwenden sind sowohl
aus technischer wie auch aus wirtschaftlicher Sicht nicht sehr zufriedenstellend.
Im ersten Falle mißt man nicht das eigentliche Hauptfeld, sondern nur ein in der Form
gegenüber dem Hauptfeld verzerrtes und zumeist sehr schwaches Streufeld. Bereits geringe
axiale Montagetoleranzen des Rotors führen daher zum Teil zu unbefriedigenden.
Meßergebnissen und einem mangelhaften Betriebverhalten des Antriebes.
Im zweiten Falle lassen sich technisch recht gute Ergebnisse erzielen, der erhöhte Material-
und Montageaufwand für den Hilfsrotor sind jedoch aus wirtschaftlicher Sicht von großem
Nachteil.
Noch größere Probleme bereitet die radiale und axiale Distanzmessung in Magnetlagern oder
lagerlosen Motoren mit Hilfe von Wirbelstromsensoren. Sehr aufwendig sind hierbei die
Herstellung der Magnetspulen, die genaue Platzierung und Justage der Spulen, die Führung,
Sicherung gegen Beschädigung und Kontaktierung der feinen elektrischen Drahtanschlüsse,
sowie die Realisierung definierter Anschlußlängen. Letzteres ist hinsichtlich der
Beeinflussung des Kondensator-Spulenschwingkreises von großer Bedeutung, insbesondere
wenn mehrere Wirbelstromsensoren verwendet werden und diese einzeln abgestimmt werden
müssen.
Problematisch ist wie bei den Hallsensoren die räumliche Anordnung der
Wirbelstromsensoren. Für die Anbringung im Luftspalt (ideal: in der Luftspaltmitte), ist meist
kein ausreichender Platz und bei einer Anordnung außerhalb des Luftspaltes ergeben sich
beim Kippen der Rotors größere Meßfehler bezüglich der Rotordistanz, da die Sensoren und
der Kippunkt in unterschiedlichen Ebenen senkrecht zur Rotorachse liegen.
Die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe besteht daher in der Vereinfachung des
Sensorikteiles bei gleichzeitiger Reduktion der Material-, Montage- und Justagekosten sowie
der Bereitstellung einer robusten industrietauglichen Ausführung.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe geht aus dem unabhängigen Patentanspruch
hervor. Bevorzugte Ausführungen sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.
Von besonderem Vorteil bei der erfindungsgemäßen Lösung des Problems sind
- - der Entfall der Einzelanfertigung der Wirbelstromsensorspulen,
- - der Entfall der Montage der Wirbelstromsensorspulen,
- - die Gewährung definierter und reproduzierbarer Spulenanschlußleitungen,
- - die mittige Anordnung der Wirbelstrom- und Hallsensoren oder anderer Sensoren im Luftspalt der Maschine oder des Magnetlagers,
- - die Möglichkeit einer räumlich nahen Anordnung des Wirbelstromsensors, des Schwingkreiskondensators und der übrigen Sensorelektronik,
- - der Entfall von mechanischen Trägern für die Positionierung und Sicherung der Hallsensoren,
- - der Entfall der Drahtanschlüsse für die Hallsensoren,
- - die exakte Ausrichtung der Wirbelstrom- und Hallsensoren untereinander,
- - die Abschirmung der elektrischen Schaltung durch die ferromagnetischen Statorhälften,
- - die Integration von Signal-, Leistungselektronik und Sensorik auf einer Leiterplatte direkt am oder im Stator,
- - Möglichkeit einer guten Kühlung der Leistungselektronikhalbleiter über das Statorblech,
- - die robuste Ausführung der Sensorik sowie der Schutz der elektrischen Bauteile durch die Anordnung zwischen zwei Statorhälften,
- - die Realisierbarkeit enger Luftspalte trotz der Anordnung der Sensoren in der axialen Luftspaltmitte,
- - die einfache Ausrichtung der Leiterplatte und der Statorblechpakete zueinander,
- - die auf der Leiterplatte integrierbare Steckeranschlüsse für Signal-, Leistungs- und Sensorikteil,
- - die Sicherheit vor Drahtbrüchen, da bis auf die (robusten) Antriebswicklungen keine Drahtanschlüsse erforderlich sind,
- - die einfache Möglichkeit einer automatischen Prüfung der gesamten Statoreinheit. Als nachteilig ist hier jedoch zu vermerken, daß eine nachträgliche Reparatur der unter den Statorblechen versteckten elektrischen Bauteilen (Hallsensoren, evtl. weitere Bauelemente) nicht ohne Entfernung der Statorwicklung möglich ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 den Querschnitt eines Motors bzw. Magnetlagers mit integrierter Leiterplatte,
Fig. 2 die Draufsicht einer bestückten Leiterplatte, wobei die Leitungsführungen zwischen
den Bauelementen der Einfachheit halber nicht eingezeichnet sind,
Fig. 3 die räumliche Ansicht eines Leiterplattenausschnittes mit Wirbelstrom- und Hallsensor
von der Luftspaltseite aus gesehen, wobei der Einfachheit halber die kreisförmige
Leiterplatteninnenkontur sowie die kreisförmig geführten Leiter der Spulen gestreckt
gezeichnet sind,
Fig. 4 den Querschnitt eines Motors bzw. Magnetlagers mit integrierter Leiterplatte mit der
Erweiterung gegenüber Fig. 1 um eine axiale Wirbelstromsensoreinheit,
Fig. 5 ein Beispiel zur Vergrößerung der Querschnittsfläche des Wirbelstromsensors und zur
Verbesserung der Fernwirkung des Magnefeldes durch die Spule einer zusätzlichen
Leiterplatte,
Fig. 6 ein Beispiel zur Integration von elektrischen Bauteilen in der Statorblecheinheit mit
der Möglichkeit einer guten Wärmeabfuhr insbesondere bei Leistungshalbleitern,
Fig. 7 verschiedene Alternativen zu Anordnung der Wirbelstromsensorspulen auf der (den)
Leiterplatten,
Fig. 8 den Querschnitt eines Motors oder Magnetlagers mit integrierter Leiterplatte und einer
nichtferromagnetischen Zwischenschicht im Rotor,
Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel eines Wirbelstromsensors für einen vielnutigen Motor.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines elektromagnetischen Energiewandlers mit integrierter
Leiterplatte. Der Energiewandler kann beispielsweise als Motor in unterschiedlichen
Bauformen (z. B. Innen-, Außen-, Scheibenläufer-, Linearmotor), als lagerloser Motor oder
auch als aktives Magnetlager (z. B. Axial-, Radiallager) realisiert werden. Erfindungsgemäß
ist die Leiterplatte (3) in einer Ebene zwischen den Wickelköpfen (1, 5) des Stators (7), hier
in der Mitte des Statorblechpaketes, angeordnet. Abhängig von der Applikation können eine
oder mehrere Leiterplatten symmetrisch oder asymmetrisch in den Zwischenschichten des
Statorblechpaketes eingebracht werden.
In der Darstellung von Fig. 2 entspricht die Leiterplattenkontur (19) bis auf den Bereich der
Steckeranschlußfahne (59) der Kontur des Blechpaketes. Dies ist jedoch nicht unbedingt
erforderlich. Zwingend ist jedoch die Aussparung für die Durchführung der Wicklungsstränge
(8) im Bereich der Nuten (9) und eventuell auch im Bereich der Befestigungsöffnungen (10,
49).
Bei der Befestigung der Leiterplatte (3) im Stator (7) ist darauf zu achten, daß die
Leiterführungen und elektrischen Bauteile über die ferromagnetischen Statorteile (2, 4) nicht
kurzgeschlossen werden. Mögliche Vorkehrungen sind Abstandshalter in Form von
Isolierfolien (16, 17) mit Ausstanzungen im Bereich der Bauteile, die Beschichtung (16, 17)
der ferromagnetischen Körper oder der Leiterplattenoberflächen (16, 17) oder auch das
Einhalten von ausreichenden Luftspalten zwischen Leiterplatte und den Blechpaketen durch
Aufsetzen der Leiterplatte (3) auf Abstandsscheiben oder -hülsen.
Wie man aus Fig. 2 erkennt, sind auf der Leiterplatte verschiedene elektrische Bauteile
platziert. Dies können beispielsweise Bauteile für die Sensorik (11, 12, 13), die
Sensorelektronik (14), die Signalelektronik (14), die Leistungselektronik (20) oder für den
elektrischen Anschluß (15) des Antriebes sein. Die einzelnen Baugruppen sind in der
Zeichnung lediglich symbolisch durch willkürlich ausgewählte und platzierte Bauteile
angedeutet. Die Bauteile können sowohl im Bereich der Statorzähne, des Statorjoches oder
auch, sofern die Leiterplatte die Statorteile überragt, außerhalb der Statorkontur angeordnet
sein.
Besonders hervorgehoben werden soll die Möglichkeit einer einfachen Realisierung von
Wirbelstromsensoren (12) über das Leiterplattenlayout mit Hilfe von Leiterbahnabschnitten
(21) und Durchkontaktierungen (22). Ein Wirbelstromsensor kann sich hierbei aus mehreren
Spulen zusammensetzen, die seriell oder parallel miteinander verschaltet sind. Beispiele für
solche Spulengruppen befinden sich in Fig. 3, Fig. 5 und Fig. 7. Dabei können sowohl
Gruppierungen mit gleicher Feldausrichtung (35, 36, 52, 53, 57, 58) als auch Gruppierungen
mit wechselnder Polarität (50, 51, 55, 56 und bei Vertauschen der Anschlüsse einer Spule
auch 57, 58) realisiert werden. Die Unterteilung in gleichsinnige Einzelspulen (35, 36, 52, 53,
57, 58) kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn, wie in Fig. 2, andere Bauelemente
ebenfalls in Luftspaltnähe platziert werden sollen. Ansonsten empfiehlt sich aus Gründen des
kleineren Widerstandes und der geringeren Anzahl von Durchkontaktierungen die
Realisierung einer größeren Einzelspule (54). Bei den Abbildungen der Fig. 5 und 7 ist
symbolisch für die Spule nur eine Windung dargestellt. In der Regel werden die Spulen
jedoch mit mehreren hintereinanderliegenden Windungen versehen. Um höhere
Spulenquerschnitts-flächen und damit größere Induktivitätswerte zu realisieren kann die
Leiterplattendicke in handelsüblichen Stufen (z. B. 1,6 mm, 2,4 mm, 3,2 mm) variiert werden.
Damit vergrößert sich die Dicke auch in Bereichen außerhalb der Wirbelstromsensoren, wo
eine Erhöhung nicht erforderlich oder vielleicht sogar gar nicht erwünscht ist. In kritischen
Fällen kann daher in einem beschränkten Teilbereich (zumindest in dem Bereich der
Wirbelstromsensoren) eine zweite Leiterplatte aufgesetzt werden, wie dies die Fig. 5 (3,
32) und 7 (3; 32) zeigen. Ebenso wie bei der Anordnung der Spulen in Querrichtung kann
auch hier die Polarität der Spulen gleichsinnig (35, 36) oder gegensinnig (55, 56) gewählt
werden. Um Kurzschlüsse zu vermeiden können auch zur Trennung der Leiterplatten
isolierende Abstandshalter (31) zur Anwendung kommen. Mit der Auswahl an
Spulenkonfigurationen (12, 29, 30, 27, Fig. 5, Fig. 7) können sowohl radiale als auch axiale
Abstandsmessungen durchgeführt werden. Entscheidend ist, daß für die radiale Messung eine
radiale Feldkomponente und für die axiale Messung eine axiale Feldkomponente der Spule
zur Verfügung steht. In allen Fällen muß dem Wirbelstromsensor eine elektrisch leitende
Fläche am Rotor gegenüberstehen, die mit zunehmender Annäherung an den Sensor dessen
Magnetfeld schwächt. Dieser Einfluß wirkt sich auf das Verhalten des Wirbelstrom-
Kondensator-Schwingkreises aus und kann über eine Auswerteschaltung eine Information
über die Wegdistanz zwischen Sensor und Rotor liefern. Elektrisch leitende Flächen können
z. B. in Form eines Metallringes, einer Metallscheibe oder durch metallische Beschichtung
von Rotorteilen realisiert werden. Beispiele für Radialsensoren können den Fig. 2, 3, 5,
und den oberen vier Abbildungen der Fig. 7 entnommen werden. Fig. 4 und die untere
Abbildung in Fig. 7 zeigen Ausführungen zu Axialsensoren. Günstig erweist sich hierfür
eine radiale Überdeckung von Leiterplatte und Rotor. In dem Beispiel aus Fig. 7 sind zur
Verbesserung der Sensorempfindlichkeit zwei metallische Schichten (60) in den Rotor
eingebracht. In vielen Fällen genügt bereits auch die Leitfähigkeit der ferromagnetischen
Körper (61, 62).
In der Praxis haben sich zur Lageerkennung des Rotors vier im Winkel von jeweils 90 Grad
angeordnete Wirbelstromsensoren bewährt. Für eine solche Anordnung sind in der Zeichnung
beispielhaft vier auf verschiedenen Schenkeln platzierte Sensorspulenpaare angeführt. Sollte
der elektromagnetische Energiewandler aus einer höheren Anzahl von Schenkeln oder Zähnen
bestehen, so können die Spulen eines einzelnen Wirbelstromsensors auch auf verschiedenen
Schenkeln bzw. Zähnen platziert werden. Zur Erhöhung der Spuleninduktivität und damit zur
Verbesserung der Charakteristik des Wirbelstromsensor-Kondensator-Schwingkreises können
im Nahfeld der Spulen jeweils ein oder mehrere Ferritkörper (44) angeordnet sein. Diese
werden vorteilhaft in eine entsprechende Ausnehmung (ähnlich 43) der Leiterplatte eingelegt.
Um eine möglichst hohe elektrische Empfindlichkeit zu erzielen sollten die
Wirbelsensorspulen möglichst nahe an den Luftspalt (18) gesetzt werden.
Ebenfalls sehr einfach lassen sich Magnetfeldsensoren (11) in den Leiterplattenaufbau
integrieren. Sie können vorteilhaft in Ausnehmungen (43) der Leiterplatte (3) in der Nähe des
Luftspaltes (18) eingelegt werden. Die Messung der Flußdichte erlaubt insbesondere bei
Permanentmagnetmotoren eine Aussage über die Winkelposition des Rotors. Sehr günstig
erweist sich bei einer Leiterplattenanordung mit einem oder zwei benachbarten
ferromagnetischen Körpern, daß das Ankerfeld im Bereich des Hallsensors sehr schwach
ausgeprägt ist. In Gegensatz hierzu ist das zu messende Permanentmagnetfeld vergleichsweise
stark, wenn der Sensor in der Leiterplatte in der Nähe des Luftspaltes angebracht wird.
Bei Verwendung von SMD-Bauteilen ist es möglich die Bauteile (11) über die Kontaktpins
(45) in den Ausnehmungen (43) aufzuhängen und die Anschlüsse an den entsprechenden
Kontaktierungspads anzulöten. Bauteile mit vertikaler Feldmeßrichtung können in der
Ausnehmung gekippt und an der Ober- und Unterseite der Leiterplatte gelötet werden. Die
Anordnung der Fig. 3 eignet sich insbesondere für Bauteile mit horizontaler Meßrichtung.
Im Gegensatz zum Zeichnungsvorschlag in Fig. 2 kann es günstig sein, das Spulenpaar (12)
eines Schenkels durch eine große Spule mit langen Leiterbahnzügen zu ersetzen und den
Magnetfeldsensor seitlich der Spule, rechts oder links, anzubringen.
Weiterhin soll eine einfache Möglichkeit der Statortemperaturerfassung aufgezeigt werden.
Dies kann über elektrische Widerstände mit beispielsweise mäanderförmigen Leiterzügen
(13) geschehen. Die temperaturabhängige Widerstandsänderung wird über eine entsprechende
Elektronik gemessen und ausgewertet.
Weitere Spulenanordnungen sind auf der Leiterplatte möglich, wie beispielsweise Spulen zur
Messung der Drehzahl und der Winkelposition über die induzierte Spannung bei bewegtem
Rotor. Auf weitere Aufzählungen und Ausführungen soll jedoch an dieser Stelle nicht
eingegangen werden.
Um die axiale Länge des Energiewandlers möglichst klein zu halten, können hervorstehende
Bauelemente (14, 20) in Ausnehmungen (42) des ferromagnetischen Körpers (2, 4)
eintauchen. Die Realisierung der entsprechenden Ausschnitte kann bei Blechpaketen in den
Stanzvorgang und bei Pulververbundwerkstoffen in den Preßvorgang integriert werden. Für
Leistungshalbleiterbauelemente bietet sich sogar die Möglichkeit, den verbleibenden
Hohlraum mit einer Wärmeleitpaste (41) auszufüllen und damit einen guten Wärmeübergang
zum ferromagnetischen Körper zu schaffen.
Fig. 8 zeigt eine Anordnung des elektrischen Energiewandlers, bei dem der Rotor in drei
Schichten untergliedert ist. Die äußeren Schichten werden von zwei Permanentmagnetrotoren
aus ferromagnetischen Körpern (63, 64) und Permanentmagneten (64, 65) gebildet, bei der
mittleren Schicht handelt es sich um einen nichtferromagnetisches Material (66), wie
beispielsweise Aluminium, Kunststoff oder ein Luftraum. Zwischen den einander
gegenüberliegenden Permanentmagnetrotorscheiben und Statorscheiben (2, 4) bilden sich bei
einer Verschiebung des Rotors aus der axialen Mitte magnetische Rückstellkräfte aus. Diese
werden durch die Einbringung der Zwischenschicht (66) infolge der sich ergebenden
Feldkonzentration verstärkt. Die Charakteristik der passiven Axiallagerung wird somit
verbessert und die Stabilität erhöht.
In Fig. 9 ist ein mögliches Realisierungsbeispiel für die Sensoranordnung in einem
vielnutigen Motor angeführt. Auf der Leiterplatte sind insgesamt vier Wirbelstrom- (77, 78,
andere nicht dargestellt) und ebenfalls vier Hallsensoren (72, 79, andere nicht dargestellt)
untergebracht. Ein Wirbelstromsensor (77) besteht aus 5 Einzelspulen (67, 68, 69, 70, 71) mit
jeweils mehreren Windungen (nicht dargestellt) ähnlich der Spule (12) aus Fig. 2. Die
Einzelspulen sind seriell über die Leitungsverbindungen (76) zu einem Wirbelstromsensor
zusammengeschaltet. Der Einfachheit halber enden die Kontaktanschlüsse (73, 74; 75) in der
Zeichnung blind. Natürlich können diese Anschlüsse direkt einer Steckverbindung ähnlich (15)
oder einer ebenfalls auf der Leiterplatte untergebrachte Elektronik ähnlich (14) zugeführt
werden.
Claims (17)
1. Elektromagnetische Energiewandler, insbesondere bürstenlose Motoren, Motoren mit
integrierter Magnetlagerwicklung oder Magnetlager, umfassend einen Stator mit
mindestens einer Strangwicklung, einem bewegten Teil, insbesondere einem Rotor, und
mindestens einer Leiterplatte für die Platzierung und den elektrischen Anschluß von
elektrischen Bauteilen,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Leiterplatten (3) in einer Ebene
zwischen den Wickelköpfen (1, 5) des Stators (7) des elektromagnetischen
Energiewandlers angebracht ist.
2. Elektromagnetischer Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Leiterplatte (3) zwischen zwei ferromagnetischen Formkörpern (2, 4), insbesondere
zwischen zwei Blech-, Eisenpulververbund- oder Ferritpaketen, angebracht ist.
3. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur (19) der Leiterplatte (3) in Teilbereichen grob der
Kontur des Wicklungsträgers oder der ferromagnetischen Formkörper (2, 4) folgt, so daß
Nutöffnungen (9) oder Bohrungen (10) für Befestigungsmittel in diesen Körpern durch die
Leiterplatte (3) nicht versperrt werden.
4. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte durch entsprechende Abstandshalter, wie
Isolationsfolien (16, 17), Scheiben, Beschichtungen (16, 17) der ferromagnetischen
Formkörper (2, 4) oder der Leiterplatte (3) selbst, elektrisch von den Statorteilen (2, 4) des
Energiewandlers, wie zum Beispiel den Blechpaketen oder den Wicklungen, getrennt ist.
5. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte mit elektrischen Bauteilen (11, 12, 13, 14),
insbesondere mit Sensoren (11, 12, 13) zur Erfassung von mechanischen, elektrischen
oder thermischen Größen, einer Signalelektronik (14) zur Verstärkung und Auswertung
der Sensorsignale, einer Signalelektronik (14) zur Steuerung oder Regelung des
Energiewandlers; einer Leistungselektronik (20) zur Ansteuerung der Wicklungen (8) des
Energiewandlers und Steckanschlüssen (15) ausgerüstet ist.
6. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß auf der Leiterplatte (3) mindestens ein Wirbelstromsensor
(12), der sich insbesondere zur Messung von Wegstrecken oder Winkeln zwischen dem
Stator (7) und dem bewegten Teil (6) des Energiewandlers eignet, integriert ist, in der Art,
daß mit Hilfe von Leiterbahnabschnitten (21) und gegebenenfalls Durchkontaktierungen
(22) eine magnetische Spule mit bevorzugt radialer Wicklungsachse (23) gebildet wird,
die durch entsprechende Anregung ein magnetisches Wechselfeld aufbaut, das
insbesondere radial in den Luftspalt (18) des Energiewandlers eindringt und somit eine
Messung der Radialposition des bewegten Körpers (6) erlaubt.
7. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Oberfläche (24, 25) der Leiterplatte (3) von
einem Teil (26) des Rotors (6) überdeckt wird und daß sich auf der Leiterplatte (3) in
diesem überdeckten Bereich mindestens ein nach einem der vorangegangenen Ansprüche
aufgebauter Wirbelstromsensor (27) mit bevorzugt axialer Wicklungsachse (28) befindet,
dessen magnetisches Feld insbesondere axial in den Luftspalt des Energiewandlers
eindringt und somit eine Messung der Axialposition des bewegten Körpers erlaubt.
8. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Wirbelstromsensor (12, 77) aus einer oder aus
mehreren seriell oder parallel zusammengeschalteten Spulen (29, 30, 67, 68, 69, 70, 71)
zusammensetzt.
9. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der Leiterplatte (3), gegebenenfalls durch eine
elektrische Isolierschicht (31) getrennt, eine zweite Leiterplatte (32) mit ebenfalls
mindestens einer Wirbelstromspule (33) befindet, und zwar nicht notwendigerweise aber
doch vorzugsweise so, daß die Wirbelstromspulen der beiden Leiterplatten (3, 32)
übereinander angeordnet und elektrisch miteinander verschaltet sind um die aktive
Spulenfläche (34) des Wirbelstromsensors zu vergrößern und damit eine größere
Fernwirkung des magnetischen Feldes (35, 36) zu erzielen.
10. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (3) mit mindestens einem Magnetfeldsensor
(11), insbesondere einem Hallsensor bestückt ist, der sich insbesondere über die Messung
des magnetischen Feldes (37) zwischen Stator und dem bewegten Teil des
Energiewandlers zur indirekten Messung von Wegstrecken oder Winkeln zwischen dem
Stator und dem bewegten Teil eignet.
11. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß auf der Leiterplatte (3) mindestens ein Temperatursensor
(13) integriert ist, der entweder als externes Bauelement auf der Leiterplatte bestückt ist,
oder der in Form von Leiterzügen (38) auf der Leiterplatte (3) einen elektrischen
Widerstand bildet, dessen Widerstandsänderung über eine entsprechende Elektronik (14)
gemessen werden kann und eine Aussage über den Temperaturverlauf im Energiewandler
liefert.
12. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die Sensoren zur Messung von Wegstrecken oder
Winkeln an dem an den Luftspalt des Energiewandlers grenzenden Randbereich (39) der
Leiterplatte (3) befinden.
13. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem ferromagnetischen Körper (2) sich
mindestens ein Freiraum (42) befindet, in den mindestens ein auf der Leiterplatte (3)
montiertes Bauteil (40) hineinragen kann, ohne daß es zu einem elektrischen Kontakt
zwischen dem elektrischen Bauteil (40) und dem ferromagnetischen Körper (2) kommt.
14. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Freiräume (42) mit einem elektrisch isolierenden aber
thermisch gut leitfähigem Mittel (41) an- oder ausgefüllt werden, um einen ausreichenden
Wärmeübergang zwischen dem in den Freiraum hineinragenden elektrischen Bauteil (40)
und dem ferromagnetischen Körper (2) zu erzielen.
15. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Leiterplatte Freiräume (43) befinden, in die
Bauteile (11), insbesondere elektrische oder magnetische Bauteile, wie Hallsensoren oder
Ferritkerne (44), hineinragen können, insbesondere in der Art, daß bei elektrischen
Bauteilen an den Rändern der Freiräume an der Oberfläche der Leiterplatte (3)
Kontaktierungsmöglichkeiten (45) für das elektrische Bauteil vorgesehen sind.
16. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor aus mehreren scheibenartigen Schichten (46, 47,
48) aufgebaut ist, wobei sich zwischen zwei ferromagnetischen oder
permanentmagnetischen Schichten (46, 48) eine nichtferromagnetische Schicht (47), die
der Leiterplatte (3) gegenübersteht um bei einer eventuellen axialen Auslenkung des
Rotors eine größere magnetische Rückzugskraft zu bewirken.
17. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Leiterplatte Aussparungen wie Bohrungen (10),
Kerben (49) oder Kanten, befinden, die sich zur Positionierung der Leiterplatte (3) zum
Stator (7) und gegebenenfalls auch, sofern die Statorteile direkt oder indirekt an der
Leiterplatte befestigt sind, sich zur Montage der Leiterplatte und somit des Stators in
einem Gerät eignen.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19842523A DE19842523A1 (de) | 1998-09-17 | 1998-09-17 | Integrierte Sensorik für elektromagnetische Energiewandler |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19842523A DE19842523A1 (de) | 1998-09-17 | 1998-09-17 | Integrierte Sensorik für elektromagnetische Energiewandler |
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Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=7881229
Family Applications (1)
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DE19842523A Withdrawn DE19842523A1 (de) | 1998-09-17 | 1998-09-17 | Integrierte Sensorik für elektromagnetische Energiewandler |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19842523A1 (de) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7088215B1 (en) | 2005-02-07 | 2006-08-08 | Northrop Grumman Corporation | Embedded duo-planar printed inductor |
DE102012010995A1 (de) | 2012-06-02 | 2013-12-05 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Elektromotor sowie Verfahren zur Bestimmung der Temperatur in dem Wickelkopf eines Elektromotors |
DE102012011003A1 (de) | 2012-06-02 | 2013-12-05 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Elektromotor |
DE102012011004A1 (de) | 2012-06-02 | 2013-12-05 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Elektromotor sowie Verfahren zur Bildung eines Aufnahmeraums für einen Temperatursensor in einem Elektromotor |
DE102019134671B4 (de) | 2019-12-17 | 2023-02-23 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Filter für eine elektrische maschine |
-
1998
- 1998-09-17 DE DE19842523A patent/DE19842523A1/de not_active Withdrawn
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WO2006086177A1 (en) | 2005-02-07 | 2006-08-17 | Northrop Grumman Corporation | Embedded duo-planar printed inductor |
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