WO2002084849A1 - Method and device for determining the rotational position of an electric induction machine - Google Patents

Method and device for determining the rotational position of an electric induction machine Download PDF

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WO2002084849A1
WO2002084849A1 PCT/DE2002/000769 DE0200769W WO02084849A1 WO 2002084849 A1 WO2002084849 A1 WO 2002084849A1 DE 0200769 W DE0200769 W DE 0200769W WO 02084849 A1 WO02084849 A1 WO 02084849A1
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WO
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sensor elements
sensor
rotor
ring
magnetizable
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Application number
PCT/DE2002/000769
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Inventor
Anton Dukart
George Blosch
Anton Paweletz
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • H02K29/08Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using magnetic effect devices, e.g. Hall-plates, magneto-resistors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14Electronic commutators
    • H02P6/16Circuit arrangements for detecting position
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08Structural association with bearings

Definitions

  • Electronically commutable motors are increasingly being used as drive units for electromechanical actuators in the automotive industry.
  • an exact angular position detection of such electric induction machines is necessary.
  • the angular position detection is based on the scanning of the angular position of the motor shaft with the aid of an additional device which is installed on the motor flange and is usually stored separately for the demanding positioning drives or can be integrated into the electrical induction machine.
  • an actuating system in which an adjustment is carried out with the aid of a reluctance motor.
  • the drive also acts as a sensor here.
  • hollow-shaft motors are used as the electrical induction machine, hollow-shaft incremental encoders, hollow-shaft resolvers or electromagnetic scanning of magnetic reluctance are usually used, e.g. Magnetic gears are used.
  • the electrical energy is converted into mechanical energy via intermediate translation or gear stages, e.g. converted into a translatory movement.
  • the mechanical contact to the motor shaft of the electrical induction machine can be blocked, since the motor shaft in the middle of the electromechanical actuator is completely converted and is therefore not accessible.
  • a gear ratio or a translatory movement has already taken place, e.g. by means of a ball screw.
  • the angular errors resulting from this type of scanning which result in particular from the inevitable play between the built-in mechanical components and the bending or torsional stiffness of the mechanical components, are not permitted result.
  • the sensor elements for example accommodated on the motor bearing and positioned opposite one another, can be provided with a shield in which the magnetic lines of the stray field of the motor are concentrated without the resulting ones Falsify analog signals from the magnetoresistive sensor elements or the Hall sensors.
  • the solution proposed according to the invention an improvement in the detection accuracy of the rotational position of the electric induction machine can be achieved.
  • the position errors are only related to the pole pitch of the electrical machine and are designed so that they are only a fraction (e.g. 1/200) of this pole pitch. This is particularly important if the electrical induction machine to be monitored with regard to its rotational position position works as a high torque which is followed by only a slight mechanical transmission.
  • Such electrical induction machines generally have a relatively large number of poles, so that the solution proposed according to the invention can be used to prevent electrically operable window surfaces, sunroofs or the like due to insufficiently accurate position detection of the drive shaft of the electric induction machine assigned to them have moved insufficiently into their corresponding closed positions.
  • the analog sensor signals with which a precise position description (angular position of the rotor) within a pole pitch can be used can also be used as the basis for the motor control (e.g. as reference curves for the current controller).
  • the magnetic axis of the rotor can cover the magnetic axis of the sensor ring in a defined manner. This would mean that e.g.
  • the maximum in time of the sine sensor signal corresponds exactly to the specific position of the axis of one of the rotor poles with respect to a correspondingly selected reference point on the stator.
  • the number of poles of the sensor can be the same as the number of poles of the motor or a multiple of the number of motor poles.
  • 1.1 shows a section through an actuator with a drive from a cylindrical three-field machine and conversion of the rotation into a linear movement with a concentric gear spindle set
  • FIG. 1.2 shows a detailed illustration of the motor bearing of the electrical induction machine
  • FIG. 1.3 shows an enlarged representation of the sensor elements accommodated on the engine mount
  • FIG. 2 shows the course of the axial component of the induction in the gap between the magnetic ring and sensors
  • FIG. 3.1 shows a magnetic sensor ring with the course of the magnetic induction (Bfz) and. To be detected by the sensor elements
  • FIG. 3.2 shows an enlarged detail with drawn angular divisions ⁇ from a segmented magnetized sensor ring.
  • FIG. 1 shows a section through an electrical rotary machine designed as a concentric, electrical hollow shaft motor.
  • the electrical induction machine 1 shown in section in FIG. 1 is configured as a hollow shaft motor.
  • a shown in dashed lines closure part 2 closes' an only schematically reproduced output 4, which in turn rotationally fixed on a rotating housing on a hollow shaft 13 rotor carrier 12 is added.
  • the electrical induction machine 1 configured as a hollow shaft motor as shown in FIG. 1.1 comprises a spindle 5 which contains a bearing journal 6. Between the bearing journal 6 and the spindle sleeve surrounding it, bearing bodies 7, which are provided as spherical segments as shown in FIG. 1.1, are accommodated.
  • the spindle sleeve 8 is supported by means of an axial bearing 9 on a collar which is formed on the hollow housing shaft 13.
  • a radial bearing 10 is accommodated which is supported on the inside of the housing hollow shaft 13.
  • the housing hollow shaft 13 in turn is part of the housing 3 of the electrical induction machine 1.
  • a rotor support 12 is rotatably received on the housing hollow shaft 13.
  • the rotor support 12 is supported on the one hand on the outer ring of a motor bearing 19 and on the other hand is supported by a radial bearing 11 which is received on the hollow housing shaft 13 with an undercut.
  • an annularly configured receiving element 23 is non-rotatably received on the housing shaft 13, on which sensor elements, which are not shown in FIG.
  • a magnetizable sensor 26 is accommodated on the inner wall of the rotor carrier 12 in the area of the motor bearing 19, as shown in FIG. 1.1.
  • the rotor carrier 12 which is rotatably received on the housing hollow shaft 13 by means of the bearings 19 and 11, on the outside carries on the one hand the rotor 14 of the electric rotary field machine 1 the electrical induction machine 1 is held.
  • a stator winding 16 is assigned to the stator 15, while connections are designated by reference number 17 as shown in FIG. 1.1.
  • a motor air gap 18 is formed between the stator 15 and the rotor 14, which is preferably designed as a laminated core, in which the electrical forces between the stator 15 or the stator winding 16 and the laminated core of the rotor are effective.
  • FIG. 1.2 A more detailed representation of the motor bearing of the electrical induction machine can be seen from the representation according to FIG. 1.2.
  • sensor elements 24, 25 which are electrically offset from one another by exactly 1/4 of the magnetization pole pitch (corresponding to 90 °) are accommodated.
  • an additional pair of such sensor elements could be arranged offset by 180 ° on the opposite side. In this case, you could compensate for any radial play in the bearings.
  • the resulting signal from both sensor pairs 24, 25 should be determined separately and be processed further as an average.
  • the sensor elements 24 and 25 can be designed as magnetoresistive sensor elements; the sensor elements 24 and 25 can also be Hall sensors.
  • the sensor ring 26 is in turn enclosed by a shielding ring 28, the outer side of which lies against the inner side of the rotor carrier 12 as shown in FIG. 1.1.
  • the motor bearing 19 is shown, which comprises an inner ring 22 and an outer ring 21, between which a spherical-shaped roller body 20 is received.
  • the magnetizable sensor ring 26 can be removed from the illustration according to FIG. 1.2 only to a limited extent, but is indicated by the reference numbers 29 and 34, respectively
  • the area of the sensors 24, 25 is sinusoidal.
  • the period of the cutouts 35 ′ therefore corresponds to the period of the magnetization of the magnetic ring 30 or 33.
  • the magnetizable sensor ring 26 is in turn in the axial direction, i.e. Axial recesses 35 'extending parallel to the line of symmetry of the electrical induction machine 1.
  • Axial recesses 35 extend parallel to the line of symmetry of the electrical induction machine 1.
  • FIG. 1 shows that a fixed, internal receiving element 23 with externally attached sensor elements 24 and 25 with an outer circumferential sensor ring 26
  • design variants would be conceivable for an end arrangement, with an arrangement rotated by 90 °.
  • rotations of the arrangements are conceivable that comprise more or less than 90 °, so that the sensor elements 24, 25 are each received on a conical jacket.
  • FIG. 1.3 A detailed view of the circumference of the sensor element recorded can be seen from FIG. 1.3 shown on an enlarged scale.
  • the setting 30 of the magnetic induction is identified by reference numeral 30, which leads to alternating magnetization of a sensor 24, for example a magnetoresistive sensor element, and influences the electrical resistance of the sensor element 24, provided that it is a magnetoresistive sensor element.
  • the magnetic lines emanating from the stray field of the electrical induction machine 1 are preferably received by an annularly configured shielding element 28, which surrounds the magnetizable sensor ring 26.
  • the course 30 or 33 of the magnetic induction from N to S that forms in the sensor ring is shown in more detail in FIG. The lines that characterize the course of the magnetic induction run in opposite directions (see illustration according to FIG. 3.2).
  • the magnetizable sensor ring 26 which is fastened on the inside of the rotor carrier 12 rotating around the receiving element 23, is divided into individual segments 27.
  • the segment division (compare illustration according to FIG. 3.1) is designated by reference number 31.
  • the individual segments 27 of the segmented magnetizable sensor ring 26 are divided by recesses 35 'extending in the axial direction.
  • a monolithic magnetic ring can be magnetized alternately.
  • FIG. 3.1 shows a segment-by-segment magnetizable sensor ring with a course of magnetic induction (Bsz) to be detected by the sensor elements.
  • the magnetization of the magnetizable sensor rings is so coordinated, • that the induction curve 30 in the gap between the inside of the magnetizable sensor ring 26 and the outside of the receiving element fixed to the housing, which receives the sensor elements 24 and 25, is as homogeneous as possible in the axial direction. If the polarity is changed, the induction changes periodically approximately preferably sinusoidally with the rotational movements of the movable rotating components, ie the segmented sensor ring 26 received on the inner wall of the motor mount 12. The course becomes through the ferromagnetic yoke elements 29, which include the recesses 35 ' the axial component of the induction, for which purpose in particular the ferromagnetic edge elements 29 are used.
  • the course 30 of the magnetic induction Bsz can be achieved by appropriate adjustment of the geometrical shape of these recesses 35 'extending in the axial direction in coordination with the field of the sensor elements 24 and 25, so that the resulting analog signals of the sensor elements 24 designed as magnetoresistive sensors, for example or 25 have a sinusoidal profile 37.
  • the sine functions of the two magnetoresistive sensor elements 24 and 25 are shifted by an electrical angle of 90 °.
  • Analog signals can be calculated from the resulting voltages of the sensor elements 24 and 25, which represent the signal curve, with which a precise position description of the angular position of the rotor 14 within a pole pitch 31 is possible.
  • the magnetizable sensor ring 26 is divided into individual segments 27 in a pole pitch 31.
  • the course of the magnetic induction is identified by reference numeral 36, which is slightly delayed in the angular position of the individual segments 27 in the direction of the extension (compare position of the zero crossings 38 with respect to the beginning of the segment).
  • the course of the induction in the individual segments 27 of the magnetizable sensor ring 26 causes alternating magnetization on the sensor elements 24 and 25, for example, as magnetoresistive sensor elements (not shown here). This results in an induction vector curve into the plane of the character or out of the plane of the character (see illustration according to FIG. 3.2).
  • the desired course of the magnetic induction can be set, so that the resulting analog output signals of the magnetoresistive sensors 24 and 25 also have a sinusoidal course. From the resulting voltages of the sensors procured as magnetoresistive sensor elements, it is possible to determine two analog signals with which an exact position description, i.e. a precise detection of the winch cellage of the rotor 14 within a pole pitch is possible. These signals can be used to determine the electronic commutation of the electrical induction machine 1 and can be used as a basis for setting a reference curve in the current control.
  • linearly operating Hall sensors can also be used instead of the magnetoresistive sensor elements 24 or 25 used.
  • the configuration proposed according to the invention can thus also be operated with Hall sensors, in which two sensor signals "Sin” and “Cos” can also be used. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

The invention relates to a method and device for determining the rotational position of an electric induction machine (1), which can be commutated in an electronic manner. The inventive device comprises a rotor support (12), which accommodates a rotor (22), and comprises a stator coil (15, 16), which is arranged inside a housing (3) in a rotationally fixed manner. A magnetized ring element (26) is assigned to the rotor support (12) and interacts with rotationally fixed sensor elements (24, 25), e.g. magnetoresistive sensors or hall sensors, which detect the course of induction (30, 31). Signals, which are offset with regard to one another at an electric angle, of both sensor elements (24, 25) are determined from the periodically occurring magnetic reversal of the sensor elements (24, 25).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Drehlageerfassung einer elektrischen Drehfeldma- schineMethod and device for detecting the rotational position of an electrical rotating field machine
Technisches GebietTechnical field
Als Antriebseinheiten für elektromechanische Aktuatoren in der Automobilindustrie werden zunehmend elektronisch kommutierbare Motoren verwendet. Um die geforderten Momente, Stellkräfte sowie die geforderten Positionierungsgenauigkeiten zu erzielen sowie den dynamischen Eigenschaften solcher kommutierbarer elektrischer Drehfeldmaschinen Rechnung zu tragen, ist eine genaue Winkellageerkennung solcher elektrischer Drehfeld- maschinen erforderlich. Die Winkellageerkennung basiert auf der Abtastung der Winkellage der Motorwelle mit Hilfe einer Zusatzeinrichtung, die am Motorflansch eingebaut wird und für die anspruchsvollen Positionierantriebe meistens separat gelagert oder in die elektrische Drehfeldmaschine integrierbar ist.Electronically commutable motors are increasingly being used as drive units for electromechanical actuators in the automotive industry. In order to achieve the required moments, actuating forces and the required positioning accuracies as well as to take into account the dynamic properties of such commutatable electric induction machines, an exact angular position detection of such electric induction machines is necessary. The angular position detection is based on the scanning of the angular position of the motor shaft with the aid of an additional device which is installed on the motor flange and is usually stored separately for the demanding positioning drives or can be integrated into the electrical induction machine.
Stand der TechnikState of the art
Aus DE 195 03 492 ist eine Vorrichtung zum Antrieb und zur Lagebestimmung eines Stellsystems bekannt geworden. Gemäß dieser Lösung ist ein Stellsystem vorgesehen, bei dem eine Verstellung mit Hilfe eines Reluktanzmotors erfolgt. Durch Auswertung der stellungsabhängigen Induktivitäten des Motors kann unter Einsatz des Beobachterprmzips ohne zusätzlichen Sensor laufend die Position ermittelt werden. Der Antrieb übernimmt hier gleichzeitig die Funktion eines Sensors. Durch die Verwendung eines von der zugehörigen Leistungselektronik unabhängigen Indulctivitätsmeßverfahrens haben die Schwankungen in der Versorgungsspannung keinen Einfluß auf die Genauigkeit der Positionser- fassung der elektrischen Maschine. Diese Möglichkeit der Positionserfassung ist jedoch an den Einsatz eines Reluktanzmotors als elektrische Drehfeldmaschine gekoppelt; werden andere Antriebsmotoren eingesetzt, erfolgt deren Positionserfassung durch magnetische, elektromagnetische, magnetoresistive, kapazitive oder optische Sensoren. Bei der Lösung gemäß DE 195 03 492 sind bei hochpoligen Hohl ellenmascliinen die Induktivitäten zu sehr von den Ferigungstoleranzen abhängig. Ferner stehen bei einer mit hoher Taktfrequenz am Antrieb integrierten Ansteuerungsstörungen bei der Induktivitätsmessung zu erwarten z. B. durch die kapazitiven Kopplungen.From DE 195 03 492 a device for driving and determining the position of an actuating system has become known. According to this solution, an actuating system is provided in which an adjustment is carried out with the aid of a reluctance motor. By evaluating the position-dependent inductivities of the motor, the position can be continuously determined using the observer principle without an additional sensor. The drive also acts as a sensor here. By using an inductivity measurement method that is independent of the associated power electronics, the fluctuations in the supply voltage have no influence on the accuracy of the position detection of the electrical machine. This possibility of position detection is linked to the use of a reluctance motor as an electrical induction machine; If other drive motors are used, their position is detected by magnetic, electromagnetic, magnetoresistive, capacitive or optical sensors. In the solution According to DE 195 03 492, the inductances in multi-pole hollow cell clasps are too dependent on the manufacturing tolerances. Furthermore, control disturbances integrated in the inductance measurement with a high clock frequency on the drive are to be expected z. B. by the capacitive couplings.
Werden als elektrische Drehfeldmaschine Hohlwellenmotoren eingesetzt, kommen in der Regel Hohlwellen-Inl rementalgeber, Hohlwellen-Resolver oder elektromagnetische Abtastungsermittlung der magnetischen Reluktanz z.B. Magnetzahnräder zum Einsatz.If hollow-shaft motors are used as the electrical induction machine, hollow-shaft incremental encoders, hollow-shaft resolvers or electromagnetic scanning of magnetic reluctance are usually used, e.g. Magnetic gears are used.
Bei elektromagnetischen Akuatoren wird die elektrische Energie über zwischengeschaltete Übersetzungs- bzw. Getriebestufen in mechanische Energie, z.B. in eine translatorische Bewegung umgewandelt. Dabei kann der mechanische Kontakt zur Motorwelle der elektrischen Drehfeldmaschine versperrt sein, da die Motorwelle in der Mitte des elektromecha- nischen Aktuators vollständig umbaut und daher nicht zugänglich ist. Zwar ist der Kontakt zu rotierenden bzw. sich linear bewegenden Teilen vorhanden, aber es hat bereits eine Getriebeübersetzung oder eine translatorische Bewegung stattgefunden, z.B. mittels einer Kugelgewindespindel. Angesichts der Anforderungen an die Regelung bzw. die Dosierung einer Axialkraft, sind die sich aus dieser Art der Abtastung ergebenden Winkelfehler nicht zulässig, die sich insbesondere aus zwangsläufig vorhandenem Spiel zwischen den einge- bauten mechanischen Komponenten, sowie den Biege- oder Torsionssteifigkeitεn der mechanischen Bauteile ergeben.In the case of electromagnetic actuators, the electrical energy is converted into mechanical energy via intermediate translation or gear stages, e.g. converted into a translatory movement. The mechanical contact to the motor shaft of the electrical induction machine can be blocked, since the motor shaft in the middle of the electromechanical actuator is completely converted and is therefore not accessible. Although there is contact with rotating or linearly moving parts, a gear ratio or a translatory movement has already taken place, e.g. by means of a ball screw. In view of the requirements for the regulation or the metering of an axial force, the angular errors resulting from this type of scanning, which result in particular from the inevitable play between the built-in mechanical components and the bending or torsional stiffness of the mechanical components, are not permitted result.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ergibt sich die Möglichkeit, an als Hohlwellenmotoren konfigurierten elektrischen Drehfeldmaschinen eine preiswerte, einfach herzustellende, jedoch hochgenaue Positionserkennung bereitzustellen, bei der ohne direkten mechanischen Kontakt mit der Welle, deren Drehlageposition exakt zu bestimmen ist, sich eben diese bestimmen läßt. Durch die Zuordnung zweier einander um exakt 1/4 der Aufinagnetisierungspolteilung (entsprechend 90°) elelctrisch versetzter Sensorelemente im Gehäuse, seien es magnetoresistive Sensoren oder Hall-Sensoren, kann die Positionserfassung beriüirungslos durch die Erfassung der magnetischen Induktion ermittelt werden, so daß die mit Toleranzen oder mit Spiel behaftete Messung der Winkellage der elektrischen Drehfeldnαaschine über mechanische Komponenten umgangen werden kann. In vorteilhaf- ter Weise können die am Motorlager z.B. untergebrachten, einander gegenüberliegend positionierten Sεnsorelεmente mit einer Abschirmung versehen werden, in welcher sich die magnetischen Linien des Streufeldes des Motors konzentrieren, ohne die resultierenden Analogsignale der magnetoresistiven Sensorelemente oder der Hall-Sensoren zu verfälschen.With the solution proposed according to the invention, it is possible to provide inexpensive, easy-to-manufacture, but highly accurate position detection on electrical rotary field machines configured as hollow shaft motors, in which this can be determined without direct mechanical contact with the shaft, the rotational position of which is to be exactly determined. By assigning two sensor elements in the housing that are offset electrically by exactly 1/4 of the magnetization pole pitch (corresponding to 90 °), be it magnetoresistive sensors or Hall sensors, the position detection can be determined without contact by detecting the magnetic induction, so that the tolerances or playful measurement of the angular position of the electrical rotary field machine can be avoided by mechanical components. Advantageously, the sensor elements, for example accommodated on the motor bearing and positioned opposite one another, can be provided with a shield in which the magnetic lines of the stray field of the motor are concentrated without the resulting ones Falsify analog signals from the magnetoresistive sensor elements or the Hall sensors.
Mit der erfindungs gemäß vorgeschlagenen Lösung läßt sich eine Verbesserung der Erfas- sungsgenauigkeit der Drehlageposition der elektrischen Drehfeldmaschine erzielen. Die Positionsfehler sind dabei nur auf die Polteilung der elektrischen Maschine bezogen und so ausgelegt, dass sie nur einen Bruchteil (z. B. 1/200) dieser Polteilung betragen. Dies ist besonders dann von Bedeutung, wenn die hinsichtlich ihrer Drehlageposition zu überwachende elektrische Drehfeldmaschine als Hocbmoment otor arbeitet, dem nur eine geringe mechanische Übersetzung nachgeschaltet ist. Solche elektrischen Drehfeldmaschinen weisen in der Regel eine relativ große Polzahl auf, so daß sich der Einsatz der erfindungsge- rαäß vorgeschlagenen Lösung anbietet, um zu verhindern, daß elektrisch betätigbare Fensterflächen, Schiebedächer oder dergleichen aufgrund unzureichend genauer Positionserfassung der Antriebswelle der dieser zugeordneten elektrischen Drehfeldmaschine nur un- zureichend in ihre entsprechenden Schließstellungen gefahren sind.With the solution proposed according to the invention, an improvement in the detection accuracy of the rotational position of the electric induction machine can be achieved. The position errors are only related to the pole pitch of the electrical machine and are designed so that they are only a fraction (e.g. 1/200) of this pole pitch. This is particularly important if the electrical induction machine to be monitored with regard to its rotational position position works as a high torque which is followed by only a slight mechanical transmission. Such electrical induction machines generally have a relatively large number of poles, so that the solution proposed according to the invention can be used to prevent electrically operable window surfaces, sunroofs or the like due to insufficiently accurate position detection of the drive shaft of the electric induction machine assigned to them have moved insufficiently into their corresponding closed positions.
Vorteilhafterweise kann insbesondere die Polzahl des Sensors der Polzahl des Motors angepaßt werden, z.B. bei einem 24-poligen Motor (2p = 24) wird auch die Polzahl des Sensorringes 26, 2p = 24 betragen. Die analogen Sensorsignale, mit denen eine genaue Positi- onsbeschreibung (Winkellage des Rotors) innerhalb einer Polteilung möglich ist, können zusätzlich als Basis für die Motoransteuerung benutzt werden (z.B. als Referenzkurven für den Stromregler). Gleichzeitig kann die magnetische Achse des Rotors in einer definierten Weise die magnetische Achse des Sensorringes decken. Dies würde bedeuten, daß z.B. das Erreichen des zeitlichen Maximums des Sinus-Sensorsignals (Sensorelement 24) genau der bestimmten Position der Achse eines der Rotorpole bezüglich eines entsprechend ausgewählten Referenzpunktes am Stator entspricht. Die Polzahl des Sensors kann der Polzahl des Motors gleich sein oder ein Vielfaches der Motorpolzahl darstellen. Durch eine entsprechende Ausrichtung des Sensorringes (26) zusammen mit den Jochelementert 35 an der Symmetrieachse eines der Rotorpole, wird innerhalb einer Motor-Polteilung eine eindeuti- ge Rotorlageerfassung realisierbar (ohne daß eine zusätzliche elektronische Offseteinstellung notwendig wird).In particular, the number of poles of the sensor can advantageously be adapted to the number of poles of the motor, e.g. with a 24-pole motor (2p = 24) the number of poles of the sensor ring will also be 26, 2p = 24. The analog sensor signals with which a precise position description (angular position of the rotor) within a pole pitch can be used can also be used as the basis for the motor control (e.g. as reference curves for the current controller). At the same time, the magnetic axis of the rotor can cover the magnetic axis of the sensor ring in a defined manner. This would mean that e.g. reaching the maximum in time of the sine sensor signal (sensor element 24) corresponds exactly to the specific position of the axis of one of the rotor poles with respect to a correspondingly selected reference point on the stator. The number of poles of the sensor can be the same as the number of poles of the motor or a multiple of the number of motor poles. By appropriate alignment of the sensor ring (26) together with the yoke elements 35 on the axis of symmetry of one of the rotor poles, a clear rotor position detection can be realized within a motor pole division (without an additional electronic offset setting being necessary).
Zeichnungdrawing
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben. Es zeigt:The invention is described in more detail below with reference to the drawing. It shows:
• Figur 1.1 einen Schnitt durch einen Aktuator mit einem Antrieb von einer zylindrischen Dre feldmaschine und Konvertierung der Rotation in eine lineare Bewegung mit einem konzentrischen Getriebespindelsatz,1.1 shows a section through an actuator with a drive from a cylindrical three-field machine and conversion of the rotation into a linear movement with a concentric gear spindle set,
Figur 1.2 eine detaillierte Darstellung des Motorlagers der elektrischen Drehfeldmaschine,FIG. 1.2 shows a detailed illustration of the motor bearing of the electrical induction machine,
Figur 1.3 eine vergrößerte Wiedergabe der am Motorlager aufgenommenen Sensorelemente,FIG. 1.3 shows an enlarged representation of the sensor elements accommodated on the engine mount,
Figur 2 den Verlauf der axialen Komponente der Induktion im Spalt zwischen Magnetring und Sensoren,FIG. 2 shows the course of the axial component of the induction in the gap between the magnetic ring and sensors,
Figur 3.1 einen magnetischen Sensorring mit durch die Sensorelemente zu detektie- renden Verlauf der magnetischen Induktion (Bfz) undFIG. 3.1 shows a magnetic sensor ring with the course of the magnetic induction (Bfz) and. To be detected by the sensor elements
Figur 3.2 einen vergrößert wiedergegebenen Ausschnitt mit eingezeichneten Winkel- teilungen τ aus einem segmentweise magnetisierten Sensorring.FIG. 3.2 shows an enlarged detail with drawn angular divisions τ from a segmented magnetized sensor ring.
Ausführungsvariantenvariants
Aus der Darstellung gemäß Figur 1 geht ein Schnitt durch eine als konzentrische, elektri- scher Hohlwellenmotor beschaffene elektrische Dre eld aschine näher hervor.1 shows a section through an electrical rotary machine designed as a concentric, electrical hollow shaft motor.
Die in Figur 1 im Schnitt dargestellte elektrische Drehfeldmaschine 1 ist als ein Hohlwellenmotor konfiguriert. Ein in gestrichelter Linienführung dargestelltes Verschlußteil 2 verschließt 'einen hier nur schematisch wiedergegebenen Abtrieb 4, welcher seinerseits drehfest an einem auf einer Gehäusehohlwelle 13 rotierenden Rotorträger 12 aufgenommen ist. Die als Hohlwellenmotor konfigurierte elektrische Drehfeldmaschine 1 gemäß der Darstellung in Figur 1.1 umfaßt eine Spindel 5, die einen Lagerzapfen 6 enthält. Zwischen dem Lagerzapfen 6 und der diesen umgebenden Spindelhülse sind als Kugelsegmente gemäß der Darstellung in Figur 1.1 beschaffene Lagerkörper 7 aufgenommen. Die Spindelhülse 8 stützt sich mittels eines Axiallagers 9 an einem Bund ab, der an der Gehäusehohlwelle 13 ausgebildet ist. An der Außenseite der den Lagerzapfen 6 umgebenden drehbar auf diesen aufgenommenen Spindelhülse 8 ist ein Radiallager 10 aufgenommen, welches sich seiner- seits an der Innenseite der Gehäusehohlwelle 13 abstützt. Die Gehäusehohlwelle 13 ihrerseits ist Teil des Gehäuses 3 der elektrischen Drehfeldmaschine 1.The electrical induction machine 1 shown in section in FIG. 1 is configured as a hollow shaft motor. A shown in dashed lines closure part 2 closes' an only schematically reproduced output 4, which in turn rotationally fixed on a rotating housing on a hollow shaft 13 rotor carrier 12 is added. The electrical induction machine 1 configured as a hollow shaft motor as shown in FIG. 1.1 comprises a spindle 5 which contains a bearing journal 6. Between the bearing journal 6 and the spindle sleeve surrounding it, bearing bodies 7, which are provided as spherical segments as shown in FIG. 1.1, are accommodated. The spindle sleeve 8 is supported by means of an axial bearing 9 on a collar which is formed on the hollow housing shaft 13. On the outside of the spindle sleeve 8, which surrounds the bearing journal 6 and is rotatably received thereon, a radial bearing 10 is accommodated which is supported on the inside of the housing hollow shaft 13. The housing hollow shaft 13 in turn is part of the housing 3 of the electrical induction machine 1.
Auf der Gehäusehohlwelle 13 ist ein Rotorträger 12 drehbar aufgenommen. Der Rotorträ- ger 12 stützt sich einerseits auf dem Außenring eines Motorlagers 19 ab und ist andererseits von einem Radiallager 11 unterstützt, welches mit einem Freistich an der Gehäusehohlwelle 13 aufgenommen ist. An der Gehäusehσhlwelle 13 ist darüber hinaus auch ein ringförmig konfiguriertes Aufnahmeelement 23 drehfest aufgenommen, an welchem in Figur 1.1 nicht näher dargestellte die Drehlageerkennung ermöglichende Sensorelemente gehalten sind. An der Innenwandung des Rotorträgers 12 im Bereich des Motorlagers 19 ist gemäß der Darstellung in Figur 1.1 ein magnetisierbarer Sensoπing 26 aufgenommen.A rotor support 12 is rotatably received on the housing hollow shaft 13. The rotor support 12 is supported on the one hand on the outer ring of a motor bearing 19 and on the other hand is supported by a radial bearing 11 which is received on the hollow housing shaft 13 with an undercut. In addition, an annularly configured receiving element 23 is non-rotatably received on the housing shaft 13, on which sensor elements, which are not shown in FIG. A magnetizable sensor 26 is accommodated on the inner wall of the rotor carrier 12 in the area of the motor bearing 19, as shown in FIG. 1.1.
Der drehbar mittels der Lager 19 bzw. 11 auf der Gehäusehohlwelle 13 aufgenommene Rotorträger 12 trägt an seiner Außenseite einerseits den Rotor 14 der elektrischen Dreh- feldmaschine 1. Gehäuseseitig ist dem Rotor 14 ein Ständer 15 zugeordnet, der drehfest an einem ringförmigen Bereich des Gehäuses 3 der elektrischen Drehfeldmaschine 1 gehalten ist. Dem Ständer 15 ist eine Ständerwicklung 16 zugeordnet, während Anschlüsse mit Bezugszeichen 17 gemäß der Darstellung in Figur 1.1 bezeichnet sind. Zwischen Ständer 15 und dem Rotor 14 - ausgebildet vorzugsweise als Blechpakete - ist ein Motorluftspalt 18 ausgebildet, in welchem die elektrischen Kräfte zwischen den Ständer 15 bzw. der Ständerwicklung 16 sowie dem Blechpaket des Rotors wirksam werden.The rotor carrier 12, which is rotatably received on the housing hollow shaft 13 by means of the bearings 19 and 11, on the outside carries on the one hand the rotor 14 of the electric rotary field machine 1 the electrical induction machine 1 is held. A stator winding 16 is assigned to the stator 15, while connections are designated by reference number 17 as shown in FIG. 1.1. A motor air gap 18 is formed between the stator 15 and the rotor 14, which is preferably designed as a laminated core, in which the electrical forces between the stator 15 or the stator winding 16 and the laminated core of the rotor are effective.
Aus der Darstellung gemäß Figur 1.2 geht eine detailliertere Darstellung des Motorlagers der elektrischen Drehfeldmaschine hervor.A more detailed representation of the motor bearing of the electrical induction machine can be seen from the representation according to FIG. 1.2.
In Figur 1.2 ist das auf der Gehäusehohlwelle 13 drehfest angeordnete sich ringförmig um diese erstreckende Aufhahmeelement 23 herausgezeichnet. An der dem magnetisierbaren Sensorring 26 zuweisenden Seite sind einander um exakt 1/4 der Aufmagnetisierungspol- teilung (entsprechend 90°) elektrisch versetzte Sensorelemente 24, 25 aufgenommen. Al- ternativ könnte ein zusätzliches Paar solcher Sensorelemente auf der gegenüberliegenden Seite um 180° versetzt angeordnet werden. In diesem Falle könnte man eventuelles Radialspiel der Lager ausgleichen. Bei dieser alternativen Lösung sollte das resultierende Signal von beiden Sensorpaaren 24, 25 separat ermittelt werden und als Mittelwert weiter verarbeitet werden können. Die Sensorelemente 24 bzw. 25 können einerseits als magnεtoresi- stive Sensorelemente beschaffen sein; bei den Sensorεlemεnten 24 bzw. 25 kann es sich ebenso um Hall-Sensoren handeln. Der Sensorring 26 ist seinerseits von einem Abschirm- ring 28 umschlossen, welcher mit seiner Außenseite gεmäß der Darstellung in Figur 1.1 an der Innenseite des Rotorträgers 12 anliegt. Neben dem ringförmig sich erstreckenden Auf- nahmeelement 23 ist das Motorlager 19 dargestellt, welches einen Innenring 22 sowie einen Außenring 21 umfaßt, zwischen denen ein hier kugelförmig- ausgebildeter Wälzkörper 20 aufgenommen ist.In FIG. 1.2, the receiving element 23, which is arranged in a rotationally fixed manner on the hollow housing shaft 13 and extends around it, is drawn out. On the side facing the magnetizable sensor ring 26, sensor elements 24, 25 which are electrically offset from one another by exactly 1/4 of the magnetization pole pitch (corresponding to 90 °) are accommodated. Alternatively, an additional pair of such sensor elements could be arranged offset by 180 ° on the opposite side. In this case, you could compensate for any radial play in the bearings. In the case of this alternative solution, the resulting signal from both sensor pairs 24, 25 should be determined separately and be processed further as an average. On the one hand, the sensor elements 24 and 25 can be designed as magnetoresistive sensor elements; the sensor elements 24 and 25 can also be Hall sensors. The sensor ring 26 is in turn enclosed by a shielding ring 28, the outer side of which lies against the inner side of the rotor carrier 12 as shown in FIG. 1.1. In addition to the ring-shaped extension Taking element 23, the motor bearing 19 is shown, which comprises an inner ring 22 and an outer ring 21, between which a spherical-shaped roller body 20 is received.
Aus der Darstellung gemäß Figur 1.2 nur beschränkt entnehmbar, jedoch durch die Be- zugszeichen 29 bzw. 34 angedeutet, ist der magnetisierbare Sensorring 26 in einzelneThe magnetizable sensor ring 26 can be removed from the illustration according to FIG. 1.2 only to a limited extent, but is indicated by the reference numbers 29 and 34, respectively
Segmente 27 unterteilt. Die weichmagnetischen Elemente 35 mit Aussparungen 35' haben die Aufgabe, das resultierende mehrpolige Axialfeld so zu gestalten, das die Induktion imSegments 27 divided. The soft magnetic elements 35 with recesses 35 'have the task of designing the resulting multipole axial field in such a way that the induction in the
Bereich der Sensoren 24, 25 sinusoidal verläuft. Die Periode der Aussparungen 35' ent- spricht deshalb der Periode der Magnetisierung des Magnetringes 30 bzw. 33.The area of the sensors 24, 25 is sinusoidal. The period of the cutouts 35 ′ therefore corresponds to the period of the magnetization of the magnetic ring 30 or 33.
Der magnetisierbare Sensorring 26 ist seinerseits durch sich in axiale Richtung, d.h. parallel zur Symmetrielinie der elektrischen Drehfeldmaschine 1 erstreckende axiale Aussparungen 35' durchzogen. Neben der in Figur 1 wiedergegebenen Darstellung eines festste- henden, innen liegenden Aufhahmeelementes 23 mit außen angebrachten Sensorelementen 24 und 25 mit einem außen umlaufenden Sensorring 26 wäre auch denkbar, ein feststehendes, außenliegendes Aufnahmeelement 23 vorzusehen, mit innen angebrachten Sensorelementen 24 und 25 in Kombination mit einem innen umlaufenden Sensorring 26. Weiterhin wären Ausführungsvarianten denkbar für eine stirnseitige Anordnung, mit einer um 90° gedrehten Anordnung. Daneben sind Drehungen der Anordnungen denkbar, die mehr oder weniger als 90° umfassen, so dass die Sensorelemente 24, 25 jeweils auf einem Kegelmantel aufgenommen sind.The magnetizable sensor ring 26 is in turn in the axial direction, i.e. Axial recesses 35 'extending parallel to the line of symmetry of the electrical induction machine 1. In addition to the illustration shown in FIG. 1 of a fixed, internal receiving element 23 with externally attached sensor elements 24 and 25 with an outer circumferential sensor ring 26, it would also be conceivable to provide a fixed, external receiving element 23, with internally attached sensor elements 24 and 25 in combination with an inner circumferential sensor ring 26. Furthermore, design variants would be conceivable for an end arrangement, with an arrangement rotated by 90 °. In addition, rotations of the arrangements are conceivable that comprise more or less than 90 °, so that the sensor elements 24, 25 are each received on a conical jacket.
Aus der in vergrößertem Maßstab wiedergegebenen Figur 1.3 geht eine Detailansicht der am Umfang des aufgenommenen Sensorelementes hervor.A detailed view of the circumference of the sensor element recorded can be seen from FIG. 1.3 shown on an enlarged scale.
Das ringfonnig sich um die Gehäusehohlwelle 13 drehfest aufgenommene, erstreckende Aufnahmeelement 23 umfaßt zwei einander um exakt 1/4 der Aufmagnetisierungspoltei- lung (entsprechend 90°, τ = 1 = 360°) elelctrisch versetzte Sensorelemente 24, 25, von de- nen gemäß der Darstellung in Figur 1.3 lediglich eines wiedergegeben ist. Mit Bezugszeichen 30 ist der sich einstell endε Verlauf der magnetischen Induktion gekennzeichnet, welcher zu einer Wechselummagnetisierung eines beispielsweise als magnetoresistives Sensorelement ausgebildeten Sensors 24 führt und den elektrischen Widerstand des Sensorεle- mentes 24 beeinflußt, vorausgesetzt es handelt sich um ein magnetoresistives Sensorele- ment. Die vom Streufeld der elektrischen Drehfeldmaschine 1 ausgehenden magnetischen Linien werden bevorzugt von einem ringförmig konfigurierten Abschirmelement 28 aufgenommen, welches den magnetisierbaren Sensorring 26 umschließt. Aus Figur 2 geht in schematischer Darstellung der sich im Sensorring ausbildende Verlauf 30 bzw. 33 der magnetischen Induktion von N nach S näher hervor. Die den Verlauf der magnetischen Induktion charakterisierten Linien laufen einander entgegen (vergleiche Darstellung gemäß Figur 3.2).The annular receiving element 23, which is held in a rotationally fixed manner around the hollow housing shaft 13, comprises two sensor elements 24, 25 which are offset electrically from one another by exactly 1/4 of the magnetization pole pitch (corresponding to 90 °, τ = 1 = 360 °), of which according to FIG Representation in Figure 1.3 only one is shown. The setting 30 of the magnetic induction is identified by reference numeral 30, which leads to alternating magnetization of a sensor 24, for example a magnetoresistive sensor element, and influences the electrical resistance of the sensor element 24, provided that it is a magnetoresistive sensor element. The magnetic lines emanating from the stray field of the electrical induction machine 1 are preferably received by an annularly configured shielding element 28, which surrounds the magnetizable sensor ring 26. The course 30 or 33 of the magnetic induction from N to S that forms in the sensor ring is shown in more detail in FIG. The lines that characterize the course of the magnetic induction run in opposite directions (see illustration according to FIG. 3.2).
Gemäß der Wiedergabe in Figur 2 ist der magnetisierbare Sensorring 26, der am um das Aufnahmeelement 23 rotierende Rotorträger 12 an dessen Innenseite befestigt ist, in einzelne Segmente 27 unterteilt. Die Segmentteilung (vergleiche Darstellung gemäß Figur 3.1) ist mit Bezugszeichen 31 bezeichnet. Die einzelnεn Segmente 27 des segmentweise magnetisierbaren Sensorringεs 26 sind durch sich in axiale Richtung erstreckende Aussparungen 35' unterteilt. Anstelle eines magnetisierbaren Sensorringes 26, der in einzelne Segmente 27 unterteilt ist, kann ein monolithischer Magnetring wechselweise aufmagneti- siert werden.According to the representation in FIG. 2, the magnetizable sensor ring 26, which is fastened on the inside of the rotor carrier 12 rotating around the receiving element 23, is divided into individual segments 27. The segment division (compare illustration according to FIG. 3.1) is designated by reference number 31. The individual segments 27 of the segmented magnetizable sensor ring 26 are divided by recesses 35 'extending in the axial direction. Instead of a magnetizable sensor ring 26, which is divided into individual segments 27, a monolithic magnetic ring can be magnetized alternately.
Figur 3.1 zeigt einen segmentweisε magnetisierbaren Sensorring mit durch die Sensorelemente zu detektierenden Verlauf der magnetischen Induktion (Bsz).FIG. 3.1 shows a segment-by-segment magnetizable sensor ring with a course of magnetic induction (Bsz) to be detected by the sensor elements.
Aus der Darstellung gemäß Figur 3.1 gεht hervor, daß die magnetoresistiven, als Sensorelemente 24 bzw. 25 fungierenden Sensoren sich zueinander um exakt 1/4 der Aufmagne- tisierungspolteilung τ (entsprechend 90°) elektrisch' versetzt zueinander befinden. Bevorzugt εntspricht diε Winkelentfernung 32 genau einem Viertel der Polteilung 31. Die Polteilung 31 des magnetischen Sensorringes 26, d.h. die Anordnung von N-Segmentεn 27 bzw. S-Segmenten 27 entspricht vorzugsweise der Polpaarzahl der elektrischen Drehfeldmaschine 1. Die Aufmagnetisierung der magnetisierbaren Sensorringe ist so abgestimmt, • daß der Indulctionsverlauf 30 im Spalt zwischen der Innenseite des magnetisierbaren Sensorringεs 26 und dεr Außenseite des gehäusefest angeordneten Aufhahmeelementes, welches die Sεnsorelεmente 24 bzw. 25 aufnimmt, in axiale Richtung möglichst homogen ist. Wird die Polarität gewechselt, ändert sich die Induktion periodisch nähεrungsweise bevorzugt sinusoidal mit den rotatorischen Bewegungen der beweglichen rotierenden Bauteile d.h. des an der mnenwandung dεs Motorträgers 12 aufgenommenen segmentierten Sensorringes 26. Durch diε ferromagnetischen Jochelemente 29, die die Aussparungen 35' umfassen, wird der Verlauf der axialen Komponentε der Induktion geformt, wozu insbesonderε die ferromagnetischen Randelemente 29 dienen. Durch entsprechende Einstellung der geometrischen Form dieser sich in axialer Richtung erstreckenden Aussparungen 35' in Abstimmung mit de Feld dεr Sεnsorelemente 24 bzw. 25 läßt sich der Verlauf 30 der magnetischen Induktion Bsz erreichen, so daß die resultierenden Analogsignale der z.B. als magnetoresistive Sensoren ausgebildeten Sensorelemεnte 24 bzw. 25 εinen sinusoidalεn Verlauf 37 aufweisεn. Diε Sinusfunktionen der beiden magnetoresistiven Sensorelεmente 24 bzw. 25 sind dabei um einen elektrischen Winkel von 90° verschoben. Aus den den Signalverlauf repräsentierenden resultierenden Spannungen der Sensorεlemente 24 bzw. 25 lassen sich analoge Signale errechnen, mit denen eine genaue Positionsbeschreibung der Winkellage des Rotors 14 innerhalb einer Polteilung 31 möglich ist.From the view in Figure 3.1 gεht seen that the magnetoresistive as sensor elements 24 and 25 functioning sensors each other tisierungspolteilung is exactly 1/4 of the Aufmagne- τ (corresponding to 90 °) electrically offset 'are to each other. The angular distance 32 preferably corresponds to exactly a quarter of the pole pitch 31. The pole pitch 31 of the magnetic sensor ring 26, ie the arrangement of N segments 27 or S segments 27 preferably corresponds to the number of pole pairs of the electric induction machine 1. The magnetization of the magnetizable sensor rings is so coordinated, • that the induction curve 30 in the gap between the inside of the magnetizable sensor ring 26 and the outside of the receiving element fixed to the housing, which receives the sensor elements 24 and 25, is as homogeneous as possible in the axial direction. If the polarity is changed, the induction changes periodically approximately preferably sinusoidally with the rotational movements of the movable rotating components, ie the segmented sensor ring 26 received on the inner wall of the motor mount 12. The course becomes through the ferromagnetic yoke elements 29, which include the recesses 35 ' the axial component of the induction, for which purpose in particular the ferromagnetic edge elements 29 are used. The course 30 of the magnetic induction Bsz can be achieved by appropriate adjustment of the geometrical shape of these recesses 35 'extending in the axial direction in coordination with the field of the sensor elements 24 and 25, so that the resulting analog signals of the sensor elements 24 designed as magnetoresistive sensors, for example or 25 have a sinusoidal profile 37. The sine functions of the two magnetoresistive sensor elements 24 and 25 are shifted by an electrical angle of 90 °. Analog signals can be calculated from the resulting voltages of the sensor elements 24 and 25, which represent the signal curve, with which a precise position description of the angular position of the rotor 14 within a pole pitch 31 is possible.
Aus der Darstellung gemäß Figur 3.2 geht ein vergrößert wiedergegebener Ausschnitt aus einem segmentweise magnetisierbaren Sensorring näher hervor.From the illustration according to FIG. 3.2, an enlarged representation of a segment from a segmentally magnetizable sensor ring is shown in greater detail.
Aus dieser Darstellung ist εrkεnnbar, daß dεr magnetisierbare Sensorring 26 in Einzelsεg- mente 27 in εiner Polteilung 31 unterteilt ist. Mit Bezugszeichen 36 ist der Verlauf der magnetischen Induktion gekennzεichnet, die sich in Winkellage der einzεlnen Segmente 27 in Winlcelerstreckung leicht verzögert (vergleiche Lage der Nulldurchgänge 38 in Bezug auf Segmentbεginn) einstellt. Der Induktionsverlauf in den einzelnen Segmenten 27 des magnetisierbaren Sensorringes 26 bewirkt einε Wechselummagnetisiεrung an dεn beispiels- weise als magnetoresistiven Sensorelementεn ausgebildeten Sensorelementen 24 bzw. 25 (hier nicht dargestellt). Dadurch kommt es zu einem Induktionsvektorverlauf in die Zei- chenebenε hinein oder aus dεr Zeichenebene hinaus (verglεichε Darstεllung gemäß Figur 3.2).From this representation it can be seen that the magnetizable sensor ring 26 is divided into individual segments 27 in a pole pitch 31. The course of the magnetic induction is identified by reference numeral 36, which is slightly delayed in the angular position of the individual segments 27 in the direction of the extension (compare position of the zero crossings 38 with respect to the beginning of the segment). The course of the induction in the individual segments 27 of the magnetizable sensor ring 26 causes alternating magnetization on the sensor elements 24 and 25, for example, as magnetoresistive sensor elements (not shown here). This results in an induction vector curve into the plane of the character or out of the plane of the character (see illustration according to FIG. 3.2).
Durch die Auslegung der axialen Aussparungen 35 in Abstimmung mit dem Magnetfeld der Sensorelemente kann der gewünschte Verlauf der magnetischen Induktion eingestellt werden, so daß die resultierenden Analogausgangssignale der magnetoresistiven Sensoren 24 bzw. 25 ebenfalls sinusoidalen Verlauf aufweisen. Aus den resultierenden Spannungen der als magnetoresistiven Sensorelemente beschaffenen Sensoren ist es möglich, zwei analoge Signale zu bestimmen mit denen eine genaue Positionsbeschreibung, d.h. einε ge- nauε Erfassung der Winlcellage des Rotors 14 innerhalb einer Polteilung möglich ist. Diese Signale können zur Ermittlung der elεktronischen Kommutierung der elektrischen Drehfeldmaschine 1 herangezogen werden sowie der Einstellung einer Referenzkurve bei der Stromregεlung zugrundegelegt werden.By designing the axial recesses 35 in coordination with the magnetic field of the sensor elements, the desired course of the magnetic induction can be set, so that the resulting analog output signals of the magnetoresistive sensors 24 and 25 also have a sinusoidal course. From the resulting voltages of the sensors procured as magnetoresistive sensor elements, it is possible to determine two analog signals with which an exact position description, i.e. a precise detection of the winch cellage of the rotor 14 within a pole pitch is possible. These signals can be used to determine the electronic commutation of the electrical induction machine 1 and can be used as a basis for setting a reference curve in the current control.
In einer weiteren Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erfassung der Drehlagε eines Rotors einer elektrischen Drehfeidmaschine 1 können statt der eingεsetztεn magnetoresistiven Sensorelemente 24 bzw. 25 auch linear arbeitende Hall-Sensoren eingesetzt werden. Damit läßt sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Konfiguration auch mit Hall-Sensorεn betreiben, bei denen ebenfalls zwei Sensorsignale "Sin" und "Cos" verwendet werdεn können. BezugszeichenlisteIn a further embodiment variant of the device proposed according to the invention for detecting the rotational position of a rotor of an electric rotating field machine 1, linearly operating Hall sensors can also be used instead of the magnetoresistive sensor elements 24 or 25 used. The configuration proposed according to the invention can thus also be operated with Hall sensors, in which two sensor signals "Sin" and "Cos" can also be used. LIST OF REFERENCE NUMBERS
I elεktrische Drehfeldmaschine 2 GehäuseverschlußteilI electrical rotary field machine 2 housing closure part
3 Gehäuse Abtrieb3 housing output
5 Spindel5 spindle
6 Lagerzapfεn 7 Lagεrkörpεr6 bearing journals 7 bearing bodies
8 Spindelhüls ε8 spindle sleeve ε
9 Axiallager9 thrust bearings
10 Radiallager10 radial bearings
I I Radiallager 12 RotorträgerI I radial bearing 12 rotor carrier
13 Gehäusehohlwellε13 housing hollow shaft
14 Rotor14 rotor
15 Ständer15 stands
16 Wicklung 17 Wicklungsanschlüsse16 winding 17 winding connections
18 Motorluftspalt18 engine air gap
19 Motorlager19 engine mounts
20 Wälzkörper20 rolling elements
21 Lageraußeixring 22 Lagerinnenring21 bearing outer ring 22 inner bearing ring
23 Aufhahmeelement23 receiving element
24 Erstes Sensorelement24 First sensor element
25 Zweites Sensorelement25 Second sensor element
26 Magnetisierbarer Sensorring 27 Magnetpol26 Magnetizable sensor ring 27 Magnetic pole
28 Abschirmring28 shielding ring
29 Fenomagnetisches Jochelemεnt29 Fenomagnetic yoke element
30 Magnetische Induktion30 Magnetic induction
31 Poiteilung 32 Winkelentfernung31 Poi division 32 angular distance
33 Induktionsverlauf33 Induction curve
34 Jochteilung34 Yoke division
35 Axiale Aussparung Aussparung Kurve Sinusoidaler Induktionsverlauf Verschobener Nulldurchgang 35 Axial recess Recess curve sinusoidal induction curve shifted zero crossing

Claims

Patentansprüebe Patentansprüebe
1. Verfahren zur Drehlageerfassung an einer elεktrischen Drehfeldmaschine (1), die elektronisch kommutierbar ist, mit einem einen Rotor (22) aufnehmenden Rotorträger (12) und einer innerhalb eines Gehäuses (3) drehfest angeordneten Ständerwicklung (15, 16), dadurch gekennzeichnet, daß1. A method for detecting the rotational position on an electrical rotary field machine (1) which is electronically commutable, with a rotor carrier (12) accommodating a rotor (22) and a stator winding (15, 16) arranged in a rotationally fixed manner within a housing (3), characterized in that that
dem Rotorträger (12) ein magnetisierbares Ringelement (26) zugeordnet ist, - drehfest aufgenommene Sensor elemente (24, 25) vorgesεhεn sind, die dena magnetizable ring element (26) is assigned to the rotor carrier (12), - rotationally fixed sensor elements (24, 25) are provided, which the
Verlauf der magnetischen Induktion (30 bzw. 33) erfassεn und aus der periodisch erfolgenden Ummagnetisierung des Sensorelementes (24 bzw. 25) um einen elektrischen Winkel verschobene Signalkurven (36) beider Sensorelemente (24 bzw. 25) generiert werdεn.Detect the course of the magnetic induction (30 or 33) and generate signal curves (36) of both sensor elements (24 or 25) shifted by an electrical angle from the periodic remagnetization of the sensor element (24 or 25).
2. Vεrfahrεn gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der magnetischen Induktion (30, 33) im Ringspalt zwischen dem magnetisierbaren Ringelementen (26) und den Sensorelementen (24, 25) sich periodisch mit rσtatorischen Bewegungεn der ro tatarischen Bauteile (12, 26) ändert.2. Vεrfahrεn according to claim 1, characterized in that the course of the magnetic induction (30, 33) in the annular gap between the magnetizable ring elements (26) and the sensor elements (24, 25) periodically with rσtatorischen Movement of the ro tatar components (12, 26) changes.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Verlauf der magnetischen Induktion (30, 33) sinusoidal ändert.3. The method according to claim 1, characterized in that the course of the magnetic induction (30, 33) changes sinusoidally.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzεichnet, daß durch die Formgebung von Aussparungen (35) und die Wiederholabfolgε dεr Aussparungen (35) im magnetisierbaren Ringelement (26) von den Sensorelementen (24, 25) generierte Analogsignale einen sinusoidalen Verlauf aufweisen.4. The method according to claim 1, characterized gekennzεichnet that by the shape of recesses (35) and the repeat repetition of the recesses (35) in the magnetizable ring element (26) from the sensor elements (24, 25) generated analog signals have a sinusoidal profile.
5. Verfahren gemäß Anspruch 15 dadurch gekεnnzεichnet, daß aus dεn den Signalver- lauf präsentierenden Spannungen der Sensorelemente (24, 25) zwei Analogsignale genεriεrt werdεn, die die exakte Bestimmung der Drehlagε dεs Rotorträgers (12) dεr elektrischen Drehfεldmaschine (1) erlauben und die zur eiεktro ischen Kommutierung der elektrischen Drehfeldmaschine (1) herangezogen werden.5. The method according to claim 1 5, characterized in that from the voltages of the sensor elements (24, 25) presenting the signal profile, two analog signals are generated which allow the exact determination of the rotational position of the rotor carrier (12) of the electrical rotary machine (1) and which are used for eiεktro is commutation of the electrical induction machine (1).
6. Vorrichtung zur Drehlageerfassung an einer elektrischen Drehfeldmaschme (1), die elektronisch kommutierbar ist, mit einem einem Rotor (22) aufhehmεnden Rotorträger (12) und einer innerhalb eines Gehäuses (3) drehfest angeordneten Ständεr- wicklung (15, 16), dadurch gekennzeichnet, daß dem Rotorträger (12) ein mit die- sem rotierendes, magnetisierbares Ringelement (26) zugeordnet ist, welches am Gehäuse (3) drehfest aufgenommen und um einander etwa gegenüberliegend aufgenommene Sensorεlemente (24, 25) rotiert.6. Device for detecting the rotational position on an electrical rotating field machine (1), which can be electronically commutated, with a rotor carrier (12) receiving a rotor (22) and a stator winding (15, 16) arranged in a rotationally fixed manner within a housing (3), thereby characterized in that the rotor support (12) has a Sem rotating, magnetizable ring element (26) is assigned, which is non-rotatably received on the housing (3) and rotates around sensor elements (24, 25) received approximately opposite one another.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorεlemente (24, 25) als lineare Hall-Sensoren ausgebildεt sind.7. The device according to claim 6, characterized in that the sensor elements (24, 25) are designed as linear Hall sensors.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnεt, daß das magnεtische Ringelement (26) als ein in Segmenten (27) magnetisierbarer Sensorring ausgebil- det ist.8. The device according to claim 6, characterized gekennzeichnεt that the magnetic ring element (26) is designed as a magnetizable in segments (27) sensor ring.
9. Vorrichtung gemäß Ansprach 6, dadurch gekεnnzεichnεt, daß diε Sεnsorelemente (24, 25) als magnetosresistive Sensoren ausgebildet sind.9. The device according spoke 6, characterized gekεnnzεichnεt that diε Sεnsorelemente (24, 25) are designed as magneto-resistive sensors.
10. Vorrichtung gemäß Ansprach 8, dadurch gekεnnzei chnet, daß die Sensorelemente (24, 25) in einem einem Bruchteil einer Polteilung (31) des segmentierten Sεnsor- ringes (26) entsprechenden Winkellage (32) aufgenommen sind.10. The device according spoke 8, characterized gekεnnzei chnet that the sensor elements (24, 25) in a fraction of a pole pitch (31) of the segmented Sεnsor- ring (26) corresponding to the angular position (32) are received.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Polteilung (31) des segmentierten Sensorringeε (26) dεr Jochteilung (34) fenomagnetischer Jochelemente (29) entspricht.11. The device according to claim 8, characterized in that the pole pitch (31) of the segmented sensor rings (26) corresponds to the yoke pitch (34) of fenomagnetic yoke elements (29).
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem magnetisierbaren Ringelement (26) und dem Rotorträger (12) ein Abschirmring (28) • aufgenommen ist, in welchem sich diε magnetischen Linien des Streufeldes der elεktrischεn Drehfeldmaschme (1) konzentrieren. 12. The apparatus according to claim 6, characterized in that between the magnetizable ring element (26) and the rotor support (12), a shielding ring (28) • is received, in which diε magnetic lines of the stray field of the elεktrischεn rotating field machine (1) concentrate.
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