AT515170A2

AT515170A2 - Elektrische Maschine mit einer Sensoreinrichtung zur Rotorlageerkennung

Info

Publication number: AT515170A2
Application number: ATA50766/2013A
Authority: AT
Inventors: Gerald Dipl Ing Vogt; Leopold Ing Hellinger; Gerhard Ing Neumann; Patrick Müller
Original assignee: Melecs Ews Gmbh & Co Kg
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2015-06-15
Also published as: AT515170A3; WO2015074914A3; WO2015074914A2; EP3072221A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor, mit einem Stator (6) und einem Rotor (5) und einer feststehenden Sensoreinrichtung (1-4) zum Erfassen der Relativlage zwischen Stator und Rotor, - wobei die Sensoreinrichtung ein Flussleitelement (3) und ein magnetisches Sensorelement (2) umfasst und über das Flussleitelement der Magnetfluss eines mit dem Rotor (5) umlaufenden Magneten zum Sensorelement (2) leitbar ist, - wobei das Sensorelement (2) mit Abstand zum Rotor (5) angeordnet ist und ein sich zwischen dem Sensorelement (2) und dem Rotor (5) befindender Luftspalt von dem Flussleitelement überbrückt wird, und - wobei das Sensorelement (2) unmittelbar an einer Leiterplatte (1) angeordnet ist . Dabei ist vorgesehen, dass das Flussleitelement möglichst einfach zu fertigen ist, indem es einen einzigen ferromagnetischen Bolzen (3) aufweist, der parallel zur Rotationsachse des Rotors (5) angeordnet ist, wobei sich ein Ende des Bolzens (3) in unmittelbarer Nähe des Sensorelements (2) befindet.

Description

Beschreibung

Elektrische Maschine mit einer Sensoreinrichtung zurRotorlageerkennung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine,insbesondere einen Elektromotor, mit einem Stator und einemRotor und einer feststehenden Sensoreinrichtung zum Erfassender Relativlage zwischen Stator und Rotor, - wobei die Sensoreinrichtung ein Flussleitelement und einmagnetisches Sensorelement umfasst und über dasFlussleitelement der Magnetfluss eines mit dem Rotorumlaufenden Magneten zum Sensorelement leitbar ist, - wobei das Sensorelement mit Abstand zum Rotor angeordnetist und ein sich zwischen dem Sensorelement und dem Rotorbefindender Luftspalt von dem Flussleitelement überbrücktwird, und - wobei das Sensorelement unmittelbar an einer Leiterplatteangeordnet ist.

Der Begriff „feststehende Sensoreinrichtung" bedeutet, dassdiese im Betriebszustand nicht rotiert, sondern wie derStator feststeht. Die Sensoreinrichtung kann z.B. fest oderlösbar mit dem Stator bzw. dem Statorgehäuse verbunden sein.

Das Flussleitelement dient dazu, die für die Messungnotwendige magnetische Feldstärke am Ort des Sensorelementszur Verfügung zu stellen. Denn aus Bauraumgründen ist es oftnicht möglich, das Sensorelement ausreichend nahe beim Rotorzu platzieren. Das Flussleitelement ist in der Regel auseinem ferromagnetischen bzw. weichmagnetischen Werkstoffgefertigt.

Stand der Technik

Einschlägige elektrische Maschinen mit Sensoreinrichtung sindetwa aus der DE 10 2007 060 241 Al bekannt, wo dasSensorelement ein Hallsensor ist und das ferromagnetischebzw. weichmagnetische Flussleitelement zur Ausbildung einesmagnetischen Rückschlusses zwei zum Rotor führendePolabschnitte sowie einen die Polabschnitte verbindenden Stegaufweist, wobei das Sensorelement benachbart zu dem Stegpositioniert ist.

Nachteilig an dieser Ausführungsvariante ist, dass dasFlusselement aufgrund des Aufbaus aus zwei Polabschnitten undeinem Steg aufwändig zu fertigen ist.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eineSensoreinrichtung für eine elektrische Maschine zur Verfügungzu stellen, welche über ein einfacher zu fertigendesFlussleitelement verfügt.

Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit denMerkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, indem dasFlussleitelement einen einzigen ferromagnetischen,insbesondere weichmagnetischen, Bolzen aufweist, der parallelzur Rotationsachse des Rotors angeordnet ist, wobei sich einEnde des Bolzens in unmittelbarer Nähe des Sensorelementsbefindet. Ein einzelner Bolzen ist als einteiliges Elementeinfacher herzustellen also ein dreiteiliges Flusselement.

Der Bolzen kann einfacher, nämlich nur an einer Stelle, amStator befestigt werden, während das dreiteilige Flusselementaus dem Stand der Technik an zwei Stellen am Stator befestigtwerden muss.

Wenn sich der Bolzen in Richtung Sensorelement verjüngt,bewirkt dies eine Konzentration der magnetischen Feldlinien an dem Ende des Bolzens, das sich in unmittelbarer Nähe desSensorelements befindet. Somit wird das Magnetfeld an diesemEnde des Bolzens verstärkt, das Sensorelement erhält einstärkeres Signal.

Eine mögliche Lagerung des Bolzens besteht darin, dass derBolzen an seinem, dem Sensorelement abgewandten Ende in einerHülse gelagert ist. Die Hülse umgibt den Bolzen dabeivorzugsweise formschlüssig. Im Fall eines Bolzens mitkreisrundem Querschnitt hat die Hülse also z.B. einenkreisringförmigen Querschnitt. In der Regel wird die Hülsezumindest abschnittsweise den gesamten Umfang des Bolzensumgeben.

Die Hülse kann in Längsrichtung des Bolzens mehr als dieHälfte des Bolzens umfassen, sodass nur das Ende des Bolzensnahe dem Sensorelement aus der Hülse ragt.

Die Hülse kann besonders einfach hergestellt werden, wenn sieeinteilig mit zumindest einem Teil des Gehäuses des Statorsausgebildet ist. Dabei können die Hülse und der die Hülseaufweisende Teil des Gehäuses des Stators aus Kunststoffgefertigt sein und zum Beispiel mittels Spritzgusshergestellt werden.

Der Bolzen kann gleichzeitig mit der Fertigung der Hülse indiese eingebracht werden, sodass der Bolzen in die Hülseeingegossen ist. Der Bolzen könnte hierzu etwa in dasSpritzgusswerkzeug eingelegt werden, bevor der flüssigeKunststoff in das Spritzgusswerkzeug gelangt. Alternativ kannder Bolzen in die Hülse des fertig hergestelltenSpritzgussteils eingesetzt werden. Für die Befestigung des Sensorelements an der Leiterplattegibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten:

Das Sensorelement kann an der dem Rotor zugewandten Seite derLeiterplatte befestigt sein. Dies hat den Vorteil, dass der

Abstand zwischen Sensorelement und Rotor kleiner ist und dasFlussleitelement entsprechend kürzer ausgeführt werden kann.

Oder das Sensorelement kann an der dem Rotor abgewandtenSeite der Leiterplatte befestigt sein, wobei die Leiterplatteüber einen unterhalb des Sensorelements vorgesehenenDurchtritt für den Bolzen verfügt. Durch diesen Durchtritt -in Form eines durchgehenden Loches in der Leiterplatte - kannder Bolzen dennoch direkt (ohne Leiterplatte dazwischen) undnahe an das Sensorelement herangeführt werden, etwa bis aufeinen Abstand von weniger als 2 mm, insbesondere weniger als1 mm, indem das Ende des Bolzens in diesen Durchtritt ragt.

Da die übrigen Bauelemente der Leiterplatte in der Regel aufder dem Rotor abgewandten Seite befestigt sind, könnenSensorelement und übrige Bauelemente im gleichenVerfahrensschritt auf der Leiterplatte befestigt werden, esfindet dann eine einseitige Platinenbestückung statt.

Wenn ein Durchtritt in der Leiterplatte vorgesehen ist, kannder Bolzen in jenem Längsbereich, mit dem er in denDurchtritt ragt, einen kleineren Durchmesser haben als ineinem anderen Längsbereich, insbesondere am anderen Ende, woder Bolzen in der Hülse gelagert ist. Dies hat neben derKonzentration der magnetischen Feldlinien auch den Vorteil,dass der Durchtritt klein gehalten werden kann. DerDurchmesser des Durchtritts wird in der Regel kleiner seinals der Durchmesser des Sensorelements, weil dasSensorelement ja meist mit einem Teil seiner Unterseite ander Leiterplatte befestigt und elektrisch kontaktiert ist.

Der Durchmesser des Bolzens ist generell kleiner als derDurchmesser des Sensorelements. Der Außendurchmesser derHülse kann dem Durchmesser des Sensorelements entsprechen.

Die Länge des Bolzens kann das zwei- bis dreifache desDurchmessers des Sensorelements betragen, es kann aber auchwesentlich länger sein.

Damit das Sensorelement im gleichen Verfahrensschritt wie dieanderen Bauteile der Leiterplatte (zur Bildung einerFlachbaugruppe) automatisch bestückt werden kann, kannvorgesehen sein, dass das Sensorelement alsoberflächenmontiertes Bauelement an der Leiterplattebefestigt ist. Oberflächenmontierte Bauelemente (SMD-Bauelemente, Englisch: surface-mounted devices, SMDs) habenim Gegensatz zu Bauelementen der Durchsteckmontage (Englisch:Through Hole Technology, THT), den bedrahteten Bauelementen,keine Drahtanschlüsse, sondern werden mittels lötfähigerAnschlussflächen direkt auf eine Leiterplatte gelötet.

Durch die Oberflächenmontage des Sensorelements entfällt dasSchwall- oder Wellenlöten der Sensorelemente, wodurch sichauch eine höhere Qualität der Lötstellen ergibt.

Das Sensorelement wird in der Regel als Hall-Sensorausgebildet sein. Ein Hallsensor (auch Hall-Sonde oder Hall-Geber) nutzt den Hall-Effekt zur Messung von Magnetfeldern.Wird ein einfacher Hallsensor von einem Strom durchflossenund in ein senkrecht dazu verlaufendes Magnetfeld gebracht,liefert er eine Ausgangsspannung, die proportional zumProdukt aus magnetischer Feldstärke und Strom ist (Hall-Effekt). Ein Hall-Sensor liefert somit auch dann ein Signal,wenn das Magnetfeld, in dem er sich befindet, konstant ist.

Es könnte jedoch auch ein GMR-Sensor verwendet werden, derauf dem GMR-Effekt beruht. Der GMR-Effekt (englisch giantmagnetoresistance) oder Riesenmagnetowiderstand wird inStrukturen beobachtet, die aus sich abwechselndenmagnetischen und nichtmagnetischen dünnen Schichten miteinigen Nanometern Schichtdicke bestehen. Der Effekt bewirkt,dass der elektrische Widerstand der Struktur von dergegenseitigen Orientierung der Magnetisierung dermagnetischen Schichten abhängt, und zwar ist er beiMagnetisierung in entgegengesetzte Richtungen deutlich höherals bei Magnetisierung in die gleiche Richtung.

Kurzbeschreibung der Figuren

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgendenTeil der Beschreibung auf die Figuren Bezug genommen, aus derweitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten undWeiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäßeelektrische Maschine mit einem, dem Rotor zugewandtenSensorelement,

Fig. 2 eine Detail aus Fig. 1 umfassend das Sensorelement undden Bolzen,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäßeelektrische Maschine mit einem, dem Rotor abgewandten

Sensorelement,

Fig. 4 eine Detail aus Fig. 3 umfassend das Sensorelement undden Bolzen.

Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Elektromotor mit einem Stator 6 und einemRotor 5 und einer feststehenden Sensoreinrichtung, die amStator 6, genauer am Gehäuse des Stators 6, montiert ist. DieSensoreinrichtung umfasst ein Flussleitelement, das alsrotationssymmetrischer (zylindrischer) Bolzen 3 oder auch alsBolzen 3 mit eckigem (z.B. im Wesentlichen rechteckigem)Querschnitt ausgeführt sein kann, und ein magnetischesSensorelement 2, dass als Hallsensor ausgeführt ist.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus in Fig. 1. In Fig. 2 ist zuerkennen, dass das Sensorelement 2 unmittelbar an einerLeiterplatte 1 angeordnet ist, und zwar an jener Seite, diedem Rotor 5 zugewandt ist. Die Leiterplatte 1 enthält - hiernicht dargestellte - weitere Bauelemente für die Steuerungdes Elektromotors. Diese Bauelemente sind auf der anderenSeite der Leiterplatte 1 befestigt. Der Bolzen 3 fluchtet mit der Mittelachse des Sensorelements 2, sein Durchmesser isthier etwas kleiner als der Durchmesser des Sensorelements undim Wesentlichen unverändert über die gesamte Länge desBolzens 3.

Der Bolzen 3 ist in einer Hülse 4 gehalten, deren Länge etwadrei Viertel der Länge des Bolzens 3 beträgt. Die Hülse 4 isteinteilig mit dem Gehäuse des Stators 6 ausgeführt und wurdemittels Spritzguss aus Kunststoff hergestellt.

Fig. 3 zeigt im Wesentlichen den gleichen Elektromotor wie inFig. 1. Die Sensoreinrichtung umfasst wieder ein einzigesFlussleitelement, das als rotationssymmetrischer oder eckigerBolzen 3 ausgeführt sein kann, und ein magnetischesSensorelement 2, dass als Hallsensor ausgeführt ist.

Fig. 4 zeigt - analog zu Fig. 2 im Hinblick auf Fig. 1 -einen Ausschnitt aus Fig. 3. In Fig. 4 ist zu erkennen, dassdas Sensorelement 2 unmittelbar an einer Leiterplatte 1angeordnet ist, und zwar an jener Seite, die dem Rotor 5abgewandt ist. Die Leiterplatte 1 enthält auf der gleichenSeite - hier nicht dargestellte - weitere Bauelemente für dieSteuerung des Elektromotors. Der Bolzen 3 fluchtet mit derMittelachse des Sensorelements 2, sein Durchmesser ist hierauch wieder kleiner als der Durchmesser des Sensorelements 2.Der Durchmesser des Bolzens 3 verjüngt sich zu jenem Endehin, das vom Rotor 5 abgewandt ist, auf etwa die Hälfte desDurchmessers in Rotornähe. Der Bolzen 3 ragt an seinemrotorfernen Ende durch einen unmittelbar unter demSensorelement 2 befindlichen Durchtritt 7 in die Leiterplatte1. Dadurch kann dieses Ende des Bolzens 3 ganz nahe, etwa aufweniger als 1 mm, an das Sensorelement 2 herangeführt werden.

Der Bolzen 3 ist in Fig. 4 wieder in einer Hülse 4 gehalten,deren Länge etwa die Hälfte der Länge des Bolzens 3 beträgt.Die Hülse 4 ist einteilig mit dem Gehäuse des Stators 6ausgeführt und wurde mittels Spritzguss aus Kunststoffhergestellt.

In diesen Ausführungsbeispielen ist der Bolzen 3 ausWeicheisen gefertigt, er könnte jedoch auch aus einem anderenferromagnetischen bzw. weichmagnetischen Werkstoff gefertigtsein.

Bezugszeichenliste: 1 Leiterplatte 2 Sensorelement (Hallsensor) 3 Bolzen (Flussleitelement) 4 Hülse 5 Rotor 6 Stator 7 Durchtritt

Claims

Patentansprüche 1. Elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor, miteinem Stator (6) und einem Rotor (5) und einerfeststehenden Sensoreinrichtung (1-4) zum Erfassen derRelativlage zwischen Stator und Rotor, - wobei die Sensoreinrichtung ein Flussleitelement (3)und ein magnetisches Sensorelement (2) umfasst und überdas Flussleitelement der Magnetfluss eines mit dem Rotor (5) umlaufenden Magneten zum Sensorelement (2) leitbarist, - wobei das Sensorelement (2) mit Abstand zum Rotor (5)angeordnet ist und ein sich zwischen dem Sensorelement (2) und dem Rotor (5) befindender Luftspalt von demFlussleitelement überbrückt wird, - wobei das Sensorelement (2) unmittelbar an einerLeiterplatte (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,dass das Flussleitelement einen einzigenferromagnetischen Bolzen (3) aufweist, der parallel zurRotationsachse des Rotors (5) angeordnet ist, wobei sichein Ende des Bolzens (3) in unmittelbarer Nähe desSensorelements (2) befindet.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (3) sich in RichtungSensorelement (2) verjüngt.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, dass der Bolzen (3) an seinem, demSensorelement (2) abgewandten Ende in einer Hülse (4)gelagert ist.
4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (4) einteilig mitzumindest einem Teil des Gehäuses des Stators (6)ausgebildet ist.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurchgekennzeichnet, dass die Hülse (4) und der die Hülseaufweisende Teil des Gehäuses des Stators (6) ausKunststoff gefertigt sind.
6. Elektrische Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurchgekennzeichnet, dass der Bolzen (3) in die Hülse (4)eingegossen ist.
7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) ander dem Rotor (5) zugewandten Seite der Leiterplatte (1)befestigt ist.
8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) ander dem Rotor (5) abgewandten Seite der Leiterplatte (1)befestigt ist, wobei die Leiterplatte (1) über einen unterhalb des Sensorelements (2) vorgesehenen Durchtritt(7) für den Bolzen (3) verfügt.
9. Elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurchgekennzeichnet, dass der Bolzen (3) in jenemLängsbereich, mit dem er in den Durchtritt (7) ragt,einen kleineren Durchmesser hat als in einem anderenLängsbereich.
10. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2)als oberflächenmontiertes Bauelement an der Leiterplatte(1) befestigt ist.
11. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) als Hallsensor ausgebildet ist.