EP2786164A1 - Verwendung von flexiblen magnetischen dünnschichtsensorelementen - Google Patents

Verwendung von flexiblen magnetischen dünnschichtsensorelementen

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Publication number
EP2786164A1
EP2786164A1 EP12805959.9A EP12805959A EP2786164A1 EP 2786164 A1 EP2786164 A1 EP 2786164A1 EP 12805959 A EP12805959 A EP 12805959A EP 2786164 A1 EP2786164 A1 EP 2786164A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnetic thin
film sensor
flexible magnetic
air gap
sensor elements
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12805959.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Falk Bahr
Henry Barth
Wilfried Hofmann
Denys Makarov
Michael Melzer
Ingolf MÖNCH
Martin Oppermann
Oliver G. Schmidt
Thomas Zerna
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Dresden
Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Dresden, Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV filed Critical Technische Universitaet Dresden
Publication of EP2786164A1 publication Critical patent/EP2786164A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/07—Hall effect devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux

Definitions

  • the invention relates to the fields of electrical engineering, materials engineering and mechanical engineering and relates to the use of flexible magnetic thin film sensor elements which can be used for measuring the magnetic flux density in electromagnetic energy converters and magnetomechanical energy converters.
  • Elastic electronic components are currently undergoing extensive scientific research because they are of interest for a broad application and offer the possibility of adapting their shape to the examination subject after their production.
  • elastic optoelectronic Kerm et al., Nature Mater. 2010, 9, 929-937
  • elastic magnetic Melzer et al., Nano Letters 201 1, 11, 2522-2526
  • elastic electronic components Kerm et al., Nature Mater. 201 1, 10, 316-323.
  • MEMS micro-electromechanical systems
  • the object of the present invention is to specify the use of flexible magnetic thin-film sensor elements in electric machines and magnetic bearings, which can be placed in the air gaps without significantly limiting the air gap width.
  • the object is achieved by the invention specified in the claims.
  • Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • At least one flexible magnetic thin-film sensor element which is mounted on non-planar surfaces in the air gap on or at least one of the main elements of electromagnetic energy converters and magnetomechanical energy converters and the non-planar surface of at least one of the main elements in the air gap at least partially covered, for measuring the magnetic flux density in the air gap and or used for controlling and / or monitoring electromagnetic energy converters and magnetomechanical energy converters on the basis of the measured magnetic flux density.
  • flexible magnetic thin-film sensor elements which are arranged in the air gap on or on at least one of the main elements, such as stator or rotor, of rotating electrical machines are used.
  • Thin film sensor elements disposed in the air gap on or on at least one of the major elements, such as primary or secondary, of linear electric machines.
  • Thin-film sensor elements which are arranged in the air gap on or on at least one of the main elements, such as stator or rotor, of magnetic bearings used.
  • flexible magnetic thin-film sensor elements are arranged in the air gap on or on at least one of the main elements, such as primary or secondary part of non-contact energy transfers. It is also advantageous if flexible magnetic thin-film sensor elements which realize at least 5%, advantageously up to 95%, coverage of the non-planar surface are used.
  • a magnetic thin-film sensor element is used on a flexible substrate, advantageously made of polymers or Si.
  • a flexible magnetic thin-film sensor element of layers containing at least one magnetic layer which are advantageously made of Co, Ni, Fe and / or their alloys or Heusler's alloys, advantageously FesSi, Cu2MnAI, is used.
  • the measurement of the magnetic flux density in the air gap can be advantageously used for various control tasks.
  • magnetic bearings the regulation of the radial and axial rotor position can be supported.
  • electrical machines the highly dynamic field-oriented control can be improved.
  • support for the combined control of radial bearings and the rotor angle of the rotor is possible.
  • the measured magnetic flux density can be used to monitor electrical machines.
  • the air gap is the area or the space between surfaces of the main elements of rotating electrical machines or linear electric machines or magnetic bearings or non-contact energy transfer, wherein the surfaces guide the magnetic flux.
  • the magnetic flux serves to generate a magnetic force and / or a torque in the rotating electrical machines and / or linear electric machines and / or magnetic bearings and / or non-contact energy transfers.
  • the arrangement of the magnetic thin-film sensor elements according to the invention always takes place in the air gap of electromagnetic energy converters and magnetomechanical energy converters on at least one main element.
  • the arrangement of the magnetic thin-film sensor elements according to the invention can also take place in the air gap of electromagnetic energy converters and magnetomechanical energy converters with more than two main elements, for example a rotor and two stator packets, on two of the three main elements, for example on the two stator packets.
  • magnetic thin-layer sensor element should be understood to mean that this sensor element is used to measure the magnetic flux density. Whether the thin-film sensor element entirely or partially consists of magnetic materials is insignificant.
  • the flexible magnetic thin-film sensor element is understood to mean a sensor element which in its entirety has a mechanical flexibility, ie in which not only the carrier material but also the sensor element itself, including integrated electrical lines and encapsulation layers, is mechanically flexible.
  • electromagnetic energy converters are to be understood as meaning electrical machines, active magnetic bearings, bearingless machines and non-contact inductive energy transmissions.
  • Magnetomechanical energy converters are to be understood in the context of this invention as passive magnetic bearings.
  • the solution according to the invention is intended to be used for rotating and linear electric machines, non-contact inductive energy transfers and active and passive magnetic bearings.
  • Electric machines can operate as a motor or generator and perform either rotary or linear movements.
  • electrical machines can be subdivided into rotating electrical machines, such as electric motors or generators, linear electric machines, such as linear motors, and stationary electrical machines, such as transformers.
  • Rotary electrical machines, linear electric machines and active magnetic bearings are electromagnetic energy converters.
  • Passive magnetic bearings are magnetomechanical energy converters.
  • a bearingless machine is an electric machine, wherein the bearing of the rotor or the carriage without contact by magnetic forces without the Presence of a separate magnetic bearing takes place.
  • the stator of the bearingless machine includes the windings for generating the torque and the windings for generating the bearing force for storage.
  • a bearingless machine can perform rotating or linear or both movements.
  • the measurement results of the measurement of the magnetic flux density and advantageously the air gap induction by the inventive use of the flexible magnetic thin-film sensor elements can be used in rotating and linear electric machines, non-contact inductive energy transmission and active magnetic bearings for control and / or monitoring, and in passive magnetic bearings for monitoring ( Monitoring).
  • Magnetic bearings can take over the storage of the moving main element (rotor or carriage).
  • the magnetic bearings distinguish “passive magnetic bearings” and "active magnetic bearings". Passive magnetic bearings have only permanent magnets. Active magnetic bearings have at least one electromagnet and may additionally have permanent magnets. The position of the part to be stored (rotor or slide) is controlled by an electromagnet in active magnetic bearings.
  • the measurement of the magnetic flux density is achieved according to the invention by firmly positioning at least one flexible magnetic thin-film sensor element on the non-planar surface of at least one of the air gap-limiting device elements.
  • the flexible magnetic thin-film sensor elements are known per se. Due to their small layer thickness as a thin-film component, which usually have a layer thickness in the range of 1 to 100 ⁇ , claim in air gaps of electromagnetic energy converters and magnetomechanical energy converters, the usual air gap widths of 0.3 mm to 1 mm, only small space and thus limit the existing Air gap width only low to very low.
  • An advantage of the solution according to the invention is that large areas of a non-planar surface in the air gap can be covered with the thin-film sensor element, and thus essentially the magnetic flux density can be measured completely in the air gap.
  • the influence of locally different flux densities can be eliminated by changes in the geometry of the device elements forming the non-planar surfaces, such as the stator pole or the stator tooth, for the measurement.
  • production-related non-constant air gap widths can lead to differences in flux density, the influence of which is then likewise eliminated with the solution according to the invention.
  • a control is required with active magnetic bearings.
  • the air gap induction is measured with the magnetic thin-film sensor element used according to the invention, and the position of the rotor / slide is detected by a separate position measuring system. Based on these two sizes, it is possible to stably position the rotor. This can be realized with one or more controllers.
  • the air gap induction measured by the thin-layer sensor element used according to the invention can be used on the one hand for monitoring and on the other hand for flow regulation.
  • Another advantage of the solution according to the invention is that it can also be used in devices with permanent magnets.
  • the magnetic flux density is measured in magnetic bearings, for example, and the measured values can be used to control the position of the object to be stored (eg Rotor) or for monitoring the magnetic bearing.
  • a flow-based control which are based on the measured air gap induction measurements, can provide an increase in the dynamic bearing parameters stiffness and damping within the control loop width and leads to a significantly higher robustness of the bearing against parameter fluctuations.
  • the magnetic flux density is measured in a rotating or linear electric machine and the measured values can be used for controlling the rotational movement (torque and / or rotational speed and / or rotational angle) and / or monitoring be used.
  • the magnetic flux density is measured and the measured values can be used for the regulation of the rotational movement (torque and / or rotational speed and / or rotational angle) and for the regulation of the position of the object to be stored ( Eg rotor) and / or used for the monitoring of bearingless motors.
  • the magnetic flux density is measured in non-contact inductive energy transmissions and the measured values can be used for regulating the energy transmission (primary and / or secondary voltage and / or voltage) and / or monitoring become.
  • the influences of stray fluxes and effects of a delayed magnetic flux build-up can be eliminated by eddy currents for control, whereby the control of the magnetic flux without Flußbeobachter- or estimator structure possible and the monitoring of such machines is supported.
  • the flexible magnetic thin-film sensor elements are positively and / or cohesively positioned in the air gap, since their change in position during the measurement would lead to an incomparable measurement result.
  • the thin-film sensor elements can advantageously be glued to the non-planar surface. For supply and measured value detection, the thin-film sensor elements are contacted. If the flexible magnetic thin film sensor element makes the measurement based on the Hall effect, the Hall voltage is measured. In the case of the measurement based on the magnetic impedance effect, the electrical resistance is measured.
  • the magnetic impedance effect describes the change in the complex resistance of a magnetic material when a magnetic field is applied.
  • the magnetic impedance effect includes all magnetoresistance effects such as anisotropic magnetoresistance effect (AMR), giant magnetoresistance effect (GMR), tunnel magnetoresistance effect (TMR) and giant magnetoimpedance effect (GI).
  • AMR anisotropic magnetoresistance effect
  • GMR giant magnetoresistance effect
  • TMR tunnel magnetoresistance effect
  • GI giant magnetoimpedance effect
  • M I magnetic impedance range
  • GMI giant magnetic impedance effect
  • AMR anisotropic magnetoresistance effect
  • GMR giant magnetoresistance effect
  • TM R tunnel magnetoresistance effect
  • the thin-film sensor element can be easily adapted to non-planar surfaces of electrical machines, non-contact inductive energy transfers or magnetic bearings and works safely and reliably.
  • the thin-film sensor elements can be mounted both on the stator or on the rotor or on the primary or secondary part of the magnetic bearing, the electric machine or the non-contact inductive energy transfer.
  • the concrete form of the non-planar surface is essentially irrelevant, as are, for example, the roughness or the porosity of the non-planar surface.
  • the flexible magnetic thin-film sensor element is applied as large as possible on the non-planar surface. This achieves a reliable measurement result. Likewise, distortions of the electric field are avoided, which are caused in particular by punctual and structured elements in the air gap.
  • the sensor elements can be used to measure the magnetic air gap flux densities in the entire working range of the magnetic bearings, the electrical machines or the non-contact inductive energy transfers.
  • a non-stick layer of photoresist (AZ ® 5214E) at 3500 revolutions per minute for 35 seconds and spin on a hot plate at 120 ° C. cured for 5 minutes. (10: 1) then a mixture is prepared from poly (dimethylsiloxane) (PDMS) and a crosslinking agent (Sylgard 184 ®) with 4000 rpm spin for 35 seconds. This gel-like polymer mixture is cured at 120 ° C in a drying oven for one hour, with a 20 ⁇ thicker elastic polymer film (rubber film) is formed.
  • PDMS poly (dimethylsiloxane)
  • Sylgard 184 ® crosslinking agent
  • a Hall coating system is then deposited as a thin-film sensor element of 2 nm chromium (adhesive layer) + 70 nm bismuth (Hall layer) + 3 nm tantalum (cover layer).
  • This layer stack has a Hall effect that can be used to measure magnetic fields perpendicular to the film plane.
  • the thus-coated PDMS film is cut on the Si (100) wafer into rectangles of 20 mm * 10 mm (according to the dimensions of the stator pole surfaces) and these films are peeled from the wafer. When the polymer layer is detached from the wafer, the previously thermally induced stretching relaxes, which results in a contraction of the polymer film.
  • This thin-film sensor element is now glued over the entire surface of the curved surface of the stator pole of a radial magnetic bearing (adhesive layer 50 ⁇ ) and serves in the very small air gap of 350 ⁇ width as an induction sensor.
  • the magnetic bearing is in this case a permanently magnetically premagnetized radial bearing with homopolar bias flux and heteropolar control flux. It consists of two sheet-packed stators with four stator poles each (stator length 10 mm, inside diameter 40 mm, outside diameter 90 mm). The stator poles are each wound with coils. The stator poles each have a width of 20 mm.
  • the four permanent magnets are arranged between the two stators in each case at the outer diameter in the alignment of the stator poles.
  • the permanent magnets are designed in segmental form (inner diameter 70 mm, outer diameter 90 mm, angle 45 °).
  • the outer diameter of the rotor is 39.3 mm, so that an air gap width of 350 ⁇ results.
  • the rotor consists of the rotor shaft (diameter 19.3 mm) and the rotor plate package (inner diameter 19.3 mm, outer diameter 39.3 mm).
  • the thin layer sensor element with the adhesive layer positioned in the air gap of the radial magnetic bearing has a total thickness of 150 ⁇ .
  • the inventive use of the flexible magnetic thin-film sensor element, the mechanical air gap width has not been significantly limited.
  • the sensor integrated on the stator pole provides the measured air gap induction, which can be traced back as a controlled variable of a cascade structure from linear position controller with subordinate flow control or for a river-based model-based control.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Elektrotechnik, der Werkstofftechnik und des Maschinenbaus und betrifft die Verwendung von flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementen, welche für die Messung der magnetischen Flussdichte in elektromagnetischen Energiewandlern und magnetomechanischen Energiewandlern eingesetzt werden können. Aufgabe der vorliegenden Lösung ist es, die Verwendung von flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementen in elektrischen Maschinen und Magnetlagern anzugeben, welche in den Luftspalten platziert werden können, ohne die Luftspaltbreite wesentlich zu begrenzen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung von mindestens einem flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelement, das auf nichtplanaren Oberflächen im Luftspalt auf oder an mindestens einem der Hauptelemente elektromagnetischer Energiewandler und magnetomechanischer Energiewandler angebracht ist und die nichtplanare Oberfläche mindestens eines der Hauptelemente im Luftspalt mindestens teilweise bedeckt, zur Messung der magnetischen Flussdichte im Luftspalt und/oder zur Regelung und/oder Überwachung elektromagnetischer Energiewandler und magnetomechanischer Energiewandler.

Description

Verwendung von flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementen
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Elektrotechnik, der Werkstofftechnik und des Maschinenbaus und betrifft die Verwendung von flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementen, welche für die Messung der magnetischen Flussdichte in elektromagnetischen Energiewandlern und magnetomechanischen Energiewandlern eingesetzt werden können.
Elastische elektronische Bauelemente werden derzeit umfangreich wissenschaftlich untersucht, da sie für eine breite Anwendung von Interesse sind und die Möglichkeit bieten, nach ihrer Herstellung noch ihre Form an das Untersuchungsobjekt anzupassen. Derzeit werden speziell elastische optoelektronische (Kim et al., Nature Mater. 2010, 9, 929-937), elastische magnetische (Melzer et al., Nano Letters 201 1 , 11, 2522-2526), und elastische elektronische Bauelemente (Kim et al., Nature Mater. 201 1 , 10, 316-323) untersucht.
Im Falle von elastischen magnetischen Bauelementen sind dehnbare magnetische Sensorelemente mit einer Streckung bis zu 4,5 % bekannt (Melzer et al., Nano Letters 201 1 , 11, 2522-2526). Zur Messung der in elektrischen Maschinen oder Magnetlagern vorhandenen maximalen Luftspaltinduktion sind starre, nicht verformbare Sensoren bekannt, die den Hal l-Effekt ausnutzen. Für diese Anwendungen ist insbesondere die Sensordicke von Bedeutung, die bei minimal 250 μιτι zuzüglich 150 m für die Ankontaktierung zur Signalabführung liegt.
Verschiedene Untersuchungen sind weiterhin für den Einsatz von starren Hallsensoren in rotierenden (Bleuler et al., Automatica Vol. 30 No. 5, S. 871 -876) und nicht rotierenden (Yi et al., Proceedings of the 34th Conference on Decision and Control, New Orleans 1995) Anwendungen bekannt.
Zur flussbasierten Regelung von Asynchronmotoren wurde auch der Einsatz von Mikro-Elektromechanischen Systemen (MEMS) vorgeschlagen (Nerguizian et al., European Micro and Nano Systems, EMN 2004, Paris ISBN: 2-84813-037-7).
Der Nachteil dieser bekannten Lösungen ist, dass relativ große Luftspaltbreiten vorhanden sein müssen, um die Sensorelemente aufnehmen zu können. Weiterhin ist von Nachteil, dass die laterale Ausdehnung der starren Sensorelemente nur gering sein kann. Dies führt auch zu einer nur punktförmigen Messung der Luftspaltinduktion und gibt nicht zwangsläufig ausreichend gute Ergebnisse über das Feld im gesamten Luftspalt.
Weiterhin ist bekannt, die Luftspaltinduktion über Sensorspulen zu messen, die um den Magnetlagerstatorpol oder um den Statorzahn einer elektrischen Maschine gewickelt sind (Schweitzer, G. et al.: Magnetic Bearings. Theory, Design and Application to Rotating Machinery. Springer, Berlin, 2009)
Aufgabe der vorliegenden Lösung ist es, die Verwendung von flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementen in elektrischen Maschinen und Magnetlagern anzugeben, welche in den Luftspalten platziert werden können, ohne die Luftspaltbreite wesentlich zu begrenzen. Die Aufgabe wird du rch d ie in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird mindestens ein flexibles magnetisches Dünnschichtsensorelement, das auf nichtplanaren Oberflächen im Luftspalt auf oder an mindestens einem der Hauptelemente elektromagnetischer Energiewandler und magnetomechanischer Energiewandler angebracht ist und die nichtplanare Oberfläche mindestens eines der Hauptelemente im Luftspalt mindestens teilweise bedeckt, zur Messung der magnetischen Flussdichte im Luftspalt und/oder zur Regelung und/oder Überwachung elektromagnetischer Energiewandler und magnetomechanischer Energiewandler auf der Basis der gemessenen magnetischen Flussdichte verwendet.
Vorteilhafterweise werden flexible magnetische Dünnschichtsensorelemente, die im Luftspalt auf oder an mindestens einem der Hauptelemente, wie Stator oder Rotor, von rotierenden elektrischen Maschinen angeordnet sind, verwendet.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden flexible magnetische
Dünnschichtsensorelemente, die im Luftspalt auf oder an mindestens einem der Hauptelemente, wie Primär- oder Sekundärteil, von linearen elektrischen Maschinen angeordnet sind, verwendet.
Weiterhin vorteilhafterweise werden flexible magnetische
Dünnschichtsensorelementen, die im Luftspalt auf oder an mindestens einem der Hauptelemente, wie Stator oder Rotor, von Magnetlagern angeordnet sind, verwendet.
Und auch vorteilhafterweise werden flexible magnetische Dünnschichtsensorelementen, die im Luftspalt auf oder an mindestens einem der Hauptelemente, wie Primär- oder Sekundärteil, von berührungsfreien Energieübertragungen angeordnet sind. Vorteilhaft ist es auch, wenn flexible magnetische Dünnschichtsensorelemente, die eine mindestens 5%-ige, vorteilhafterweise eine bis zu 95-%ige Bedeckung der nichtplanaren Oberfläche realisieren, verwendet werden.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn flexible magnetische Dünnschichtsensorelemente mit Abmessungen von mindestens 0.1 mm Breite und mindestens 0.1 mm Länge und mindestens 1 μιτι Dicke verwendet werden.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn mehrere flexible magnetische Dünnschichtsensorelemente, die neben- und/oder übereinander auf der nichtplanaren Oberfläche angeordnet sind, verwendet werden.
Auch vorteilhaft ist es, wenn zwei symmetrisch angeordnete flexible magnetische Dünnschichtsensorelemente verwendet werden.
Von Vorteil ist es auch, wenn ein magnetisches Dünnschichtsensorelement auf einem flexiblen Substrat, vorteilhafterweise aus Polymeren oder Si, verwendet wird.
Und ebenfalls von Vorteil ist es, wenn ein flexibles magnetisches Dünnschichtsensorelement aus Schichten, die mindestens eine magnetische Schicht enthalten, die vorteilhafterweise aus Co, Ni, Fe und/oder deren Legierungen oder Heuslersche-Legierungen, vorteilhafterweise FesSi, Cu2MnAI, sind, verwendet wird.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn flexible magnetische Dünnschichtsensorelemente aus einem oder mehreren Multilagensystemen, die mindestens ein magnetisches Material enthalten, vorteilhafterweise Co/Cu, Py/Cu und/oder Cu/Ru, verwendet werden.
Und auch von Vorteil ist es, wenn flexible magnetische Dünnschichtsensorelemente aus mindestens 0,5 nm dicken Schichten verwendet werden.
Von Vorteil ist es auch, wenn flexible magnetische Dünnschichtsensorelemente als Hall-Sensor auf der Basis von Bi oder halbleitenden Materialien verwendet werden. Mit der vorliegenden Erfindung wird es erstmals möglich, die magnetische Flussdichte in einem Luftspalt von elektromagnetischen Energiewandlern und magnetomechanischen Energiewandlern zuverlässig zu messen ohne die vorrichtungsseitig festgelegten Luftspaltbreiten wesentlich zu begrenzen und/oder elektromagnetische Energiewandler und magnetomechanische Energiewandler auf der Grundlage der gemessenen Werte zu überwachen und/oder zu regeln.
Die Messung der magnetischen Flussdichte im Luftspalt kann vorteilhaft für verschiedene Regelaufgaben verwendet werden. In Magnetlagern kann die Regelung der radialen und axialen Rotorposition unterstützt werden. In elektrischen Maschinen kann die hochdynamische feldorientierte Regelung verbessert werden. Für lagerlose Motoren ist eine Unterstützung der kombinierten Regelung von Radiallager und des Rotorwinkels des Rotors möglich.
Nicht zuletzt lässt sich die gemessene magnetische Flussdichte zum Monitoring elektrischer Maschinen einsetzen.
Der Luftspalt ist dabei der Bereich oder der Raum zwischen Oberflächen der Hauptelemente von rotierenden elektrischen Maschinen oder linearen elektrischen Maschinen oder von Magnetlagern oder berührungsfreien Energieübertragungen, wobei die Oberflächen den magnetischen Fluss führen. Der magnetische Fluss dient dabei zur Erzeugung einer magnetischen Kraft und/oder eines Drehmomentes in den rotierenden elektrischen Maschinen und/oder linearen elektrischen Maschinen und /oder Magnetlagern und/oder berührungsfreien Energieübertragungen.
Die erfindungsgemäße Anordnung der magnetischen Dünnschichtsensorelemente erfolgt im Luftspalt von elektromagnetischen Energiewandlern und magnetomechanischen Energiewandlern immer auf mindestens einem Hauptelement.
Die erfindungsgemäße Anordnung der magnetischen Dünnschichtsensorelemente kann aber auch im Luftspalt von elektromagnetischen Energiewandlern und magnetomechanischen Energiewandlern mit mehr als zwei Hauptelementen, beispielsweise einem Rotor und zwei Statorpaketen, auf zwei der drei Hauptelemente, beispielsweise auf den beiden Statorpaketen, erfolgen. Im Rahmen der Erfindung soll unter magnetischem Dünnschichtsensorelement verstanden werden, dass dieses Sensorelement zu Messung der magnetischen Flussdichte verwendet wird. Ob das Dünnschichtsensorelement dabei aus magnetischen Materialien ganz oder teilweise besteht, ist dabei unerheblich.
Weiterh in soll unter dem flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelement im Rahmen der Erfindung ein Sensorelement verstanden werden, welches in seiner Gesamtheit eine mechanische Flexibilität aufweist, also bei dem nicht nur das Trägermaterial sondern auch das Sensorelement selbst inklusive integrierter elektrischer Leitungen und Verkapselungsschichten mechanisch flexibel ist.
Unter elektromagnetischen Energiewandlern sollen im Rahmen dieser Erfindung elektrische Maschinen, aktive Magnetlager, lagerlose Maschinen und berührungsfreie induktive Energieübertragungen verstanden werden. Unter magnetomechanischen Energiewandlern sollen im Rahmen dieser Erfindung passive Magnetlager verstanden werden.
Die erfindungsgemäße Lösung soll für rotierende und lineare elektrische Maschinen, berührungsfreie induktive Energieübertragungen und aktive und passive Magnetlager angewandt werden.
Elektrische Maschinen können als Motor oder Generator arbeiten und entweder rotatorische oder lineare Bewegungen ausführen.
Dabei können elektrische Maschinen unterteilt werden in rotierende elektrische Maschinen, wie Elektromotor oder Generator, lineare elektrische Maschinen, wie Linearmotor, und ruhende elektrische Maschinen, wie Transformatoren.
Rotierende elektrische Maschinen, lineare elektrische Maschinen und aktive Magnetlager sind elektromagnetische Energiewandler.
Passive Magnetlager sind magnetomechanische Energiewandler.
Eine lagerlose Maschine ist eine elektrische Maschine, wobei die Lagerung des Rotors oder des Schlittens berührungsfrei durch magnetische Kräfte ohne das Vorhandensein eines separaten Magnetlagers erfolgt. Der Stator der lagerlosen Maschine enthält die Wicklungen zur Erzeugung des Drehmomentes und die Wicklungen zur Erzeugung der Tragkraft zur Lagerung. Eine lagerlose Maschine kann rotierende oder lineare oder beide Bewegungen ausführen.
Die Messergebnisse der Messung der magnetischen Flussdichte und vorteilhafterweise der Luftspaltinduktion durch die erfindungsgemäße Verwendung der flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelemente können in rotierenden und linearen elektrischen Maschinen, berührungsfreien induktiven Energieübertragungen und aktiven Magnetlagern für die Regelung und /oder das Monitoring, und bei passiven Magnetlagern für das Monitoring (Überwachung) verwendet werden.
Magnetlagerungen können dabei die Lagerung des bewegten Hauptelements (Rotor oder Schlitten) übernehmen.
Bei den Magnetlagern werden „passive Magnetlager" und „aktive Magnetlager" unterschieden. Passive Magnetlager weisen nur Permanentmagnete auf. Aktive Magnetlager weisen mindestens einen Elektromagneten auf und können zusätzlich Permanentmagnete aufweisen. Die Position des zu lagernden Teiles (Rotor oder Schlitten) wird bei aktiven Magnetlagern mit einem Elektromagneten geregelt.
Die Messung der magnetischen Flussdichte, wie der Luftspaltinduktion, wird erfindungsgemäß erreicht, indem mindestens ein flexibles magnetisches Dünnschichtsensorelement auf die nichtplanare Oberfläche mindestens eines der den Luftspalt begrenzenden Vorrichtungselemente fest positioniert wird.
Die flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelemente sind an sich bekannt. Durch ihre geringe Schichtdicke als Dünnschichtbauelement, die üblicherweise eine Schichtdicke im Bereich von 1 bis 100 μιτι aufweisen, beanspruchen Sie in Luftspalten von elektromagnetischen Energiewandlern und magnetomechanischen Energiewandlern, die übliche Luftspaltbreiten von 0.3 mm bis 1 mm aufweisen, nur geringen Platz und begrenzen so die vorhandene Luftspaltbreite nur gering bis sehr gering.
Es ist sogar möglich, mit der erfindungsgemäßen Lösung den Luftspalt von elektromagnetischen Energiewandlern und magnetomechanischen Energiewandlern auf unter 0.3 mm zu verringern, ohne dass die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der elektromagnetischen Energiewandler und magnetomechanischen Energiewandler verringert wird.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass große Bereiche einer nichtplanaren Oberfläche im Luftspalt mit dem Dünnschichtsensorelement bedeckt werden können, und so im Wesentlichen die magnetische Flussdichte vollständig im Luftspalt gemessen werden kann. Somit kann der Einfluss lokal verschiedener Flussdichten durch Änderungen in der Geometrie der Vorrichtungselemente, die die nichtplanaren Oberflächen bilden, beispielsweise der Statorpol oder der Statorzahn, für die Messung eliminiert werden. Ebenso können fertigungsbedingte nicht konstante Luftspaltbreiten zu Flussdichteunterschieden führen, deren Einfluss dann mit der erfindungsgemäßen Lösung ebenfalls eliminiert wird.
Zur Positionierung von zu lagernden Objekten (Rotor oder Schlitten) ist bei aktiven Magnetlagern eine Regelung erforderlich. Dazu wird mit dem erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Dünnschichtsensorelement die Luftspaltinduktion gemessen, sowie die Position des Rotors/Schlittens durch ein separates Positionsmesssystem erfasst. Anhand dieser beiden Größen ist es möglich, den Rotor stabil zu positionieren. Dies kann mit einem oder mehreren Reglern realisiert werden.
Bei rotierenden oder linearen elektrischen Maschinen kann die durch das erfindungsgemäß verwendete Dünnschichtsensorelement gemessene Luftspaltinduktion einerseits für das Monitoring und andererseits für die Flussregelung genutzt werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass sie auch bei Vorrichtungen mit Permanentmagneten einsetzbar ist.
Mit der erfindungsgemäßen Verwendung des flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementes wird die magnetische Flussdichte, vorteilhafterweise die Luftspaltinduktion, in beispielsweise Magnetlagern, gemessen und die Messwerte können für die Regelung der Position des zu lagernden Objektes (z.B. Rotor) oder für das Monitoring des Magnetlagers eingesetzt werden. Eine solche flussbasierte Regelung, die auf den ermittelten Messwerten der Luftspaltinduktion beruhen, kann eine Erhöhung der dynamischen Lagerparameter Steifigkeit und Dämpfung innerhalb der Regel kreisbandbreite liefern und führt zu einer deutlich höheren Robustheit des Lagers gegenüber Parameterschwankungen.
Mit der erfindungsgemäßen Verwendung des flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementes wird die magnetische Flussdichte, vorteilhafterweise die Luftspaltinduktion, in rotierenden oder linearen elektrischen Maschine gemessen und die Messwerte können für die Regelung der rotatorischen Bewegung (Drehmoment und/oder Drehzahl und/oder Drehwinkel) und/oder das Monitoring eingesetzt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Verwendung des flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementes wird die magnetische Flussdichte, vorteilhafterweise die Luftspaltinduktion, gemessen und die Messwerte können für die Regelung der rotatorischen Bewegung (Drehmoment und/oder Drehzahl und/oder Drehwinkel) und für die Regelung der Position des zu lagernden Objektes (z.B. Rotor) und/oder für das Monitoring von lagerlosen Motoren eingesetzt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Verwendung des flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementes wird die magnetische Flussdichte, vorteilhafterweise die Luftspaltinduktion, in berührungslosen induktiven Energieübertragungen gemessen und die Messwerte können für die Regelung der Energieübertragung (Strom und/oder Spannung primär- und/oder sekundärseitig) und/oder das Monitoring eingesetzt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung können die Einflüsse von Streuflüssen und Effekte eines verzögerten magnetischen Flussaufbaus durch Wirbelströme für die Regelung eliminiert werden, wodurch die Regelung des magnetischen Flusses ohne Flussbeobachter- oder Schätzerstruktur möglich und das Monitoring derartiger Maschinen unterstützt wird. Die flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelemente werden im Luftspalt form- und/oder stoffschlüssig positioniert, da ihre Positionsveränderung während der Messung zu einem nichtvergleichbaren Messergebnis führen würde. Die Dünnschichtsensorelemente können vorteilhafterweise auf die nichtplanare Oberfläche aufgeklebt werden. Zur Versorgung und Messwerterfassung sind die Dünnschichtsensorelemente kontaktiert. Sofern das flexible magnetische Dünnschichtsensorelement auf der Basis des Halleffektes die Messung vornimmt, wird die Hallspannung gemessen. Im Falle der Messung auf der Basis des Magnetimpedanzeffektes wird der elektrische Widerstand gemessen.
Der Magnetimpedanzeffekt beschreibt die Änderung des komplexen Widerstandes eines magnetischen Materials beim Anlegen eines magnetischen Feldes. Der Magnetimpedanzeffekt umfasst dabei alle Magnetwiderstandseffekte, wie den Anisotropiemagnetwiderstandseffekt (Anisotropie magnetoresistance AMR), Riesenmagnetwiderstandseffekt (Giant magnetoresistance GMR), den Tunnelmagnetowiderstandseffekt (Tunnel magnetoresistance TMR) und den Riesenmagnetoimpedanzeffekt (Giant magnetoimpedance GMI).
Als magnetische Materialien mit Magnetimpedanzeffekt können alle bekannten
Materialien eingesetzt werden, die
einen Magnetimpedanzef f e k t ( M I ) u n d / o d e r e i n e n Riesenmagnetimpedanzeffekt (GMI) aufweisen, wie FeCoBSi- Legierungen,
einen Anisotropiemagnetwiderstandseffekt (AMR) aufweisen, wie die Elementarmagneten Fe, Ni, Co und deren Legierungen,
eine Riesenmagnetwiderstandseffekt (GMR) aufweisen, wie Co/Cu, Py/Cu, Fe/Cr Schichtsysteme
d ie einen Tun nel magnetwiderstandseffekt (TM R) aufweisen , wie Fe/AI2O3/Fe-, Fe/MgO/Fe-Schichten,
einen Kolossalmagnetwiderstandseffekt aufweisen, wie LaMnO3.
Neben dem Vorteil der geringen Bauhöhe des Dünnschichtsensorelementes besteht ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung in seiner Flexibilität, die eine Verformung, Biegung und/oder Dehnung des Dünnschichtsensorelementes bei der Aufbringung , Anpassung und im Einsatz möglich machen . Dadurch kann das Dünnschichtsensorelement problemlos an nichtplanare Oberflächen von elektrischen Maschinen, berührungsfreien induktiven Energieübertragungen oder Magnetlagern angepasst werden und arbeitet sicher und zuverlässig. Die Dünnschichtsensorelemente können dabei sowohl am Stator oder am Rotor oder an Primär- oder Sekundärteil des Magnetlagers, der elektrischen Maschine oder der berührungsfreien induktiven Energieübertragung angebracht werden. Die konkrete Form der nichtplanaren Oberfläche ist dabei im Wesentlichen unerheblich, ebenso wie beispielsweise die Rauheit oder die Porosität der nichtplanaren Oberfläche.
Vorteilhaft ist es, wenn das flexible magnetische Dünnschichtsensorelement möglichst großflächig auf der nichtplanaren Oberfläche aufgebracht ist. Dadurch wird ein zuverlässiges Messergebnis erreicht. Ebenso werden Verzerrungen des elektrischen Feldes vermieden, die insbesondere durch punktuelle und strukturierte Elemente im Luftspalt hervorgerufen werden.
Mit den Sensorelementen kann die Messung der magnetischen Luftspaltflussdichten im gesamten Arbeitsbereich der Magnetlager, der elektrischen Maschinen oder der berührungsfreien induktiven Energieübertragungen erfolgen.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Beispiel 1
Auf einen Siliziumwafer (Si(100)-Wafer) mit 101 mm Durchmesser und einer Dicke von 0,5 mm wird eine Antihaftschicht aus Fotolack (AZ® 5214E) mit 3500 Umdrehungen pro Minute für 35 Sekunden aufgeschleudert und auf einer Heizplatte bei 120°C für 5 Minuten ausgehärtet. Anschließend wird eine Mixtur (10:1 ) aus Poly(dimethylsiloxane) (PDMS) und einem Vernetzer (Sylgard® 184) mit 4000 Umdrehungen pro Minute für 35 Sekunden aufgeschleudert. Dieses gelartige Polymergemisch wird bei 120°C in einem Trockenofen für eine Stunde ausgehärtet, wobei sich ein 20 μιτι dicker elastischer Polymerfilm (Gummifilm) ausbildet. Beim anschließenden Erkalten (auf Raumtemperatur) des PDMS-Films auf dem Si(100)- Wafer wird die thermische Kontraktion des elastischen Polymers (Gummi) durch den festen Siliziumwafer unterdrückt, da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien sich stark unterscheiden (9.6 * 10"4 K"1 für PDMS und 2.6 * 10"6 K" 1 für Silizium). Somit wird eine thermisch induzierte Streckung des elastischen Polymerfilms realisiert. Dieser elastische Polymerfilm ist das flexible Substrat.
Auf der vorgestreckten Polymeroberfläche wird anschließend ein Hall-Schichtsystem als Dünnschichtsensorelement aus 2 nm Chrom (Haftschicht) + 70 nm Wismut (Hall- Schicht) + 3 nm Tantal (Deckschicht) abgeschieden. Dieser Schichtstapel weist einen Hall-Effekt auf, der zur Messung von magnetischen Feldern senkrecht zur Filmebene verwendet werden kann. Der so beschichtete PDMS-Film wird auf dem Si(100)-Wafer in Rechtecke zu 20 mm * 10 mm (gemäß der Abmaße der Statorpoloberflächen) geschnitten und diese Filme vom Wafer abgezogen. Beim Lösen der Polymerschicht vom Wafer relaxiert die zuvor thermisch induzierte Streckung, was eine Kontraktion des Polymerfilms zur Folge hat. Durch die Kontraktion bildet sich in der darauf liegenden nicht komprimierbaren Sensorschicht eine Faltenstruktur aus. Diese Falten schützen die Sensorschicht vor Beschädigungen durch die mechanische Beanspruchung beim Krümmen des Dünnschichtsensorelementes. Dies führt schließlich zur Biegsamkeit des Dünnschichtsensorelementes auf dem flexiblen Substrat. Nach der Kontaktierung des Sensorschichtsystems in Hallgeometrie (vier Drähte in rechteckiger Anordnung) wird erneut eine PDMS Schicht mit den zuvor genannten Parametern aufgeschleudert, um eine Verkapselung des Dünnschichtsensorelementes zu realisieren.
Dieses Dünnschichtsensorelement wird nun ganzflächig auf die gekrümmte Oberfläche des Statorpols eines Radialmagnetlagers geklebt (Klebschicht 50 μιτι) und dient in dem sehr kleinen Luftspalt von 350 μιτι Breite als Induktionssensor. Das Magnetlager ist hierbei ein permanentmagnetisch vormagnetisiertes Radiallager mit homopolarem Vormagnetisierungsfluss und heteropolarem Steuerfluss. Es besteht aus zwei blechpaketierten Statoren zu je vier Statorpolen (Statorlänge 10 mm, Innendurchmesser 40 mm, Außendurchmesser 90 mm). Die Statorpole sind jeweils mit Spulen bewickelt. Die Statorpole haben jeweils eine Breite von 20 mm. Die vier Permanentmagnete (Länge 10 mm) sind zwischen den beiden Statoren jeweils am Außendurchmesser in der Flucht der Statorpole angeordnet. Die Permanentmagnete sind in Segmentform gestaltet (Innendurchmesser 70 mm, Außendurchmesser 90 mm, Winkel 45 °). Der Außendurchmesser des Rotors beträgt 39.3 mm, sodass sich eine Luftspaltbreite von 350 μιτι ergibt. Der Rotor besteht aus der Rotorwelle (Durchmesser 19.3 mm) und dem Rotorblech paket (Innendurchmesser 19.3 mm, Außendurchmesser 39.3 mm).
Das im Luftspalt des Radialmagnetlagers positionierte Dünnschichtsensorelement mit der Klebschicht weist eine Gesamtdicke von 150 μιτι auf. Durch die erfindungsgemäße Verwendung des flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementes ist die mechanische Luftspaltbreite nicht wesentlich begrenzt worden.
Die auf dem Statorpol integrierte Sensorik liefert die gemessene Luftspaltinduktion, die als Regelgröße einer Kaskadenstruktur aus linearem Lageregler mit unterlagerter Flussregelung oder für eine flussgestützte modellbasierte Regelung zurückgeführt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verwendung von mindestens einem flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelement, das auf nichtplanaren Oberflächen im Luftspalt auf oder an mindestens einem der Hauptelemente elektromagnetischer Energiewandler und magnetomechanischer Energiewandler angebracht ist und die nichtplanare Oberfläche mindestens eines der Hauptelemente im Luftspalt mindestens teilweise bedeckt, zur Messung der magnetischen Flussdichte im Luftspalt und/oder zur Regelung und/oder Überwachung elektromagnetischer Energiewandler und magnetomechanischer Energiewandler.
2. Verwendung nach Anspruch 1 von flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementen, die im Luftspalt auf oder an mindestens einem der Hauptelemente, wie Stator oder Rotor, von rotierenden elektrischen Maschinen angeordnet sind.
3. Verwendung nach Anspruch 1 von flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementen, die im Luftspalt auf oder an mindestens einem der Hauptelemente, wie Primär- oder Sekundärteil, von linearen elektrischen Maschinen angeordnet sind.
4. Verwendung nach Anspruch 1 von flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementen, die auf oder an mindestens einem der Hauptelemente, wie Stator oder Rotor, von Magnetlagern angeordnet sind.
5. Verwendung nach Anspruch 1 von flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementen, die auf oder an mindestens einem der Hauptelemente, wie Primär- oder Sekundärteil, von berührungsfreien Energieübertragungen angeordnet sind.
6. Verwendung nach Anspruch 1 von flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementen, die eine mindestens 5%-ige, vorteilhafterweise eine bis zu 95-%ige Bedeckung der nichtplanaren Oberfläche realisieren.
7. Verwendung nach Anspruch 1 von flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementen mit Abmessungen von mindestens 0.1 mm Breite und mindestens 0.1 mm Länge und mindestens 1 μιτι Dicke.
8. Verwendung nach Anspruch 1 von mehreren flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementen, die neben- und/oder übereinander auf der nichtplanaren Oberfläche angeordnet sind.
9. Verwendung nach Anspruch 1 von zwei symmetrisch angeordneten flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementen.
10. Verwendung nach Anspruch 1 eines magnetischen Dünnschichtsensorelementes auf einem flexiblen Substrat, vorteilhafterweise aus Polymeren oder Si.
11.Verwendung nach Anspruch 1 eines flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementes aus Schichten, die mindestens eine magnetische Schicht enthalten, die vorteilhafterweise aus Co, Ni, Fe und/oder deren Legierungen oder Heuslersche-Legierungen, vorteilhafterweise FesSi, Cu2MnAI, sind.
12. Verwendung nach Anspruch 11 von flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementen aus einem oder mehreren Multilagensystemen, die mindestens ein magnetisches Material enthalten, vorteilhafterweise Co/Cu, Py/Cu und/oder Cu/Ru.
13. Ve rwe n d u n g nach Anspruch 1 von flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementen aus mindestens 0,5 nm dicken Schichten.
14. Verwendung nach Anspruch 1 von flexiblen magnetischen Dünnschichtsensorelementen als Hall-Sensor auf der Basis von metallischen Materialien, wie Wismut , oder halbleitenden Materialien.
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