DE69200018T2

DE69200018T2 - Bürstenlose, elektrische, drehende Maschine zur Erfassung der absoluten Winkelstellung.

Info

Publication number: DE69200018T2
Application number: DE1992600018
Authority: DE
Inventors: Pascal Normand
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Johnson Controls Automotive Electronics SAS
Priority date: 1991-04-24
Filing date: 1992-04-21
Publication date: 1994-04-21
Anticipated expiration: 2012-04-22
Also published as: EP0511082A1; ES2047402T3; DE69200018D1; FR2675966A1; FR2675966B1; EP0511082B1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische drehende Maschine zur Erfassung der absoluten Winkelstellung (einen sogenannten "Resolver"), der von Geber-, Detektor- oder Differentialbauart sein kann, insbesondere eine bürstenlose derartige Maschine, die mit Hilfe wenigstens eines sich drehenden Transformators elektrisch versorgt wird, umfassend einerseits für den Detektor für die Winkelstellung einen magnetischen Kreis und eine Wicklung, die zu einem Rotor gehören, sowie einen magnetischen Kreis und eine Wicklung, die zu einem Stator gehören, und andererseits für den der Versorgung dienenden Transformator einen magnetischen Kreis und eine Wicklung, die zum Rotor gehören, sowie einen magnetischen Kreis und eine Wicklung, die zum Stator gehören, wobei die zum Rotor gehörenden Teile des Detektors für die Winkelstellung und des Transformators mechanisch drehfest verbunden sind.
Die Fig. 1 der bei liegenden Zeichnung zeigt eine drehende Maschine dieser Bauart, wie sie zur Zeit hergestellt wird. Die Maschine 1 umfaßt einen Detektor 2 für die absolute Stellung und zu dessen elektrischer Speisung einen sich drehenden Transformator 11.
Der Detektor 2 für die absolute Stellung umfaßt im Stator S einen magnetischen Statorkreis 4 und eine Statorwicklung 5, die innerhalb eines im allgemeinen hülsenförmigen Statormantels 6 getragen werden.
Der Statormantel hat eine radiale Trennwand 7, die zusammen mit einem axial am Ende des Mantels befestigten ringförmigen Flansch 8 einen ringförmigen Sitz mit U-förmigem Querschnitt begrenzt, der die primäre Statorwicklung 9 des Transformators 11 mit den elektrischen Verbindungsdrähten 10 aufnimmt.
Im Rotor R enthält der Detektor 2 für die Winkelstellung einen magnetischen Rotorkreis 12 und eine Rotorwicklung 13, die auf einer Rotornabe 14 getragen werden, die zentral hohl ist, um auf eine (nicht gezeigte) Welle aufgepreßt zu werden. Der Transformator 11 hat einen Ring 15 mit U-förmigem Querschnitt, der auf die Rotornabe 14 aufgepreßt ist und in dem die sekundäre Rotorwicklung 16 des Transformators angeordnet ist, die mit der Rotorwicklung 13 des Detektors elektrisch verbunden ist.
Eine auf diese herkömmliche Weise ausgebildete drehende Maschine hat zwei wesentliche Nachteile.
Vor allem sind der Statormantel und die Rotornabe zwei bearbeitete Metallteile, die teuer sind einerseits wegen des verwendeten Materials (Metall) - das überdies gewöhnlich ein magnetisch hochwertiges Metall ist, wie Fe Ni- und andererseits wegen der zu ihrer Formgebung erforderlichen Bearbeitung, die außerdem schwierig und somit kostenspieliger am verwendeten magnetisch hochwertigen Material auszuführen ist. Außerdem sind diese Teile schwer, deren Aufgabe im wesentlichen eine mechanische ist und die in die wesentliche elektromagnetische Funktion nicht eingreifen.
Ein weiterer Nachteil beruht darin, daß die Rotor- und Statorwicklungen des Detektors für die Winkelstellung mechanisch nicht geschützt sind (wobei die Wicklungen des Transformators ihrerseits besser geschützt sind, da sie in den U-förmigen ringförmigen Sitzen geschützt sind). Nun werden aber diese drehenden Maschinen dem Benutzer demontiert geliefert, dessen Aufgabe darin besteht, den Rotor und den Stator während ihrer Montage an ihren jeweiligen Trägern zu vereinigen. Wegen des Fehlens jeglichen Schutzes in der Nähe der Wicklungen können diese während der Montage zu leicht beschädigt werden.
Aufgabe der Erfindung ist daher im wesentlichen die Beseitigung der angegebenen Nachteile und die Schaffung einer verbesserten Ausbildung einer drehenden Maschine der oben angegebenen Bauart, die leichter, weniger kostspielig und besser geschützt ist als die gegenwärtigen Maschinen.
Zu diesem Zweck zeichnet sich eine drehende Maschine der im Oberbegriff betrachteten Art im wesentlichen erfindungsgemäß dadurch aus, daß
- die jeweils zum Rotor gehörenden magnetischen Kreise und Wicklungen des Detektors für die Winkelstellung und des Transformators in einer Umhüllung aus einem elektrisch isolierenden Material eingebettet sind, das den ausgegossenen Rotorkörper und die Rotornabe bildet,
- die jeweils zum Stator gehörenden magnetischen Kreise und Wicklungen des Detektors für die Winkelstellung und des Transformators in einer Umhüllung aus einem elektrisch isolierenden Material eingebettet sind, das den ausgegossenen Statorkörper und den Statormantel bildet.
Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung halten die isolierenden Rotor- und Statorumhüllungen die verschiedenen elektromagnetischen Kreise und bilden die Rotor- und Statorkörper anstelle der Rotornabe und des Statormantels der bisherigen Maschinen. Das diese Umhüllungen bildende isolierende Material ist nicht nur weniger kostspielig als die bisher verwendeten magnetisch hochwertigen Metallmaterialien, sondern ist auch weniger schwer als diese. Außerdem kann das Ausgießen durch bekannte, schnelle und automatische Verfahren erfolgen (zum Beispiel mittels Schwerkraft oder unter Druck), die weniger kostspielig als das bisher erforderliche Bearbeiten der Metallteile sind. Der durch die Beseitigung der genannten Metallteile erzielte Preisgewinn kann einen merklichen Teil der Kosten der Maschine darstellen.
Überdies sind die im Umhüllungsmaterial eingebetteten Wicklungen, insbesondere die Rotor- und Statorwicklungen des Detektors für die Winkelstellung, gegen zufällige mechanische Stöße geschützt, zum Beispiel während der Vereinigung des Rotors mit dem Stator.
Es ist bereits bekannt, Elektromotoren durch Vorsehen einer isolierenden Umhüllung des Rotors und/oder des Stators vorzusehen. Jedenfalls wurden derartige Umhüllungen bei speziellen Elektromotoren mit hoher Drehzahl und/oder starker Erhitzung angewendet: Die verwendeten Umhüllungen hatten jeweils eine mechanische Aufgabe (Erhöhung des mechanischen Widerstands der Oberteile oder Drahtwülste von Wicklungen gegen hohe Drehzahlen) und/oder eine thermische Aufgabe (Verbesserung der Verteilung der Wärme und Vermeidung der Bildung von heißeren Zonen innerhalb des Motors). Es sei außerdem angegeben, daß bei derartigen Elektromotoren das Anbringen der isolierenden Umhüllung mit keinerlei Weglassung von bisher vorhandenen Metallteilen verbunden ist: Vielmehr wird die Umhüllung auf die Bauteile aufgebracht, und es ergibt sich daraus eine Vermehrung an Material und Herstellungsarbeit, folglich eine Vermehrung des Gewichts und der Kosten der auf diese Weise behandelten Motoren.
Die Anmelderin hat überdies festgestellt, daß es auch noch möglich wäre, die Kosten einer drehenden Maschine nach der Erfindung dadurch zu verringern, daß für die magnetischen Metallteile des Transformators wenig hochwertige Materialien verwendet werden, insbesondere martensitischer oder ferritischer Stahl (zum Beispiel Z12 C13 oder Z6 CDF 18 02), anstelle von bis heute verwendeten magnetisch hochwertigen Materialien (wie Fe Ni). Es ist somit möglich, die gewünschten Funktionseigenschaften für die Maschine zu erzielen bei gleichzeitiger Verringerung der Kosten der Maschine durch die Anwendung von weniger kostspieligen und leichter zu bearbeitenden Materialien.
Die Erfindung ist anhand der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform besser verständlich, die lediglich als rein darstellendes Beispiel angegeben und in Fig. 2 der anliegenden Zeichnung in Seitenansicht mit halbem diametralem Schnitt dargestellt ist.
In Fig. 2 sind dieselben aufeinanderfolgenden Bezugszeichen beibehalten, um die Stücke oder Teile zu bezeichnen, die mit denjenigen von Fig. 1 identisch sind.
In der in Fig. 2 dargestellten drehenden Maschine 17 der Erfindung sind die elektromagnetischen Elemente des Detektors 2 für die Winkelstellung und des Transformators 11 identisch mit denjenigen der bisherigen Maschine 1 der Fig. 1 mit der Ausnahme, daß die Statorwicklung 9 des Transformators hier in einem metallischen Sitz mit U-förmigem Querschnitt geschützt ist, wobei dieser Sitz durch einen L-förmigen Ring 18 erhalten wird, mit dem ein ringförmiger Flansch 19 verbunden ist.
Außerdem bestehen alle zum Transformator 11 gehörenden Metallteile (Statorringe 18, 19 und Rotorring 15) aus einem magnetischen Material, das weniger hochwertig als das gewöhnlich verwendete ist: Man kann auf diese Weise auf martensitische oder ferritische Stähle, zum Beispiel Z12 C13 oder Z6 CDF 18 02, zurückgreifen.
Die elektromagnetischen Teile sind in ein elektrisch isolierendes Material eingebettet. So sind die elektromagnetischen Statorteile des Detektors 2 und des Transformators 11 in eine isolierende Hülle eingebettet, die einen isolierenden ausgegossenen Statorkörper 20 bildet, auf dessen zylindrischer Innenfläche lediglich die metallischen Kreise 4, 18 und 19 auf gleicher Höhe liegen. Die Wicklung 5 des Detektors ist vollständig umhüllt und daher mechanisch geschützt. Die äußere Form des Statorkörpers 20 ist in jeder gewünschten geeigneten Form ausgebildet.
In gleicher Weise sind die elektromagnetischen Rotorteile des Detektors 2 und des Transformators 11 in eine isolierende Umhüllung eingebettet, die einen isolierenden Rotorkörper 21 bildet, auf dessen zylindrischer Außenfläche lediglich die metallischen Kreise 12 und 15 auf gleicher Höhe liegen. Die Wicklung 13 des Detektors ist vollständig umhüllt und folglich mechanisch geschützt. Der Rotorkörper 21 hat eine axiale Bohrung 22 für seine Montage auf einer (nicht gezeigten) sich drehenden Welle.
Es sei darauf hingewiesen, daß die primäre Statorwicklung 9 und die sekundäre Rotorwicklung 16 nicht unbedingt in das Stator- bzw. Rotorumhüllungsmaterial eingebettet sein müssen, da sie sich in ihren jeweiligen U- und ringförmigen Sitzen befinden, wo sie gleichzeitig gehalten und mechanisch geschützt sind.
Das zur Bildung der Rotor- und Statorkörper verwendbare isolierende Material kann von beliebiger, sich für diese Anwendung eignenden Art sein. Die Bildung dieser Umhüllungen kann durch jedes geeignete Verfahren erfolgen, zum Beispiel durch Schwerkraft oder unter Druck je nach der gewünschten Qualität.
Die bei einer Ausführungsform einer Maschine nach der Erfindung verwendete Umhüllung ist typisch durch die folgenden Eigenschaften gekennzeichnet:
- linearer Ausdehnungskoeffizient ≤ 50 x 10&supmin;&sup6;
- Temperaturbereich: -55 ºC bis +130 ºC
- Härte (Shore D) No. 80 - 90
- dielektrische Festigkeit: ≤15 kV/mm
- Schrumpfung: < 0,2 %.
Die Anwendung der technischen Lösung gemäß der Erfindung ermöglicht:
- eine Verbesserung der Zuverlässigkeit durch vollständigen Schutz gegen Stöße und eine aggressive Umgebung,
- eine Verminderung der Kosten durch die Weglassung von bearbeiteten-Teilen, wobei diese Kostenverminderung umso größer ist, je größer die Abmessungen der Maschine sind,
- eine Verminderung der Herstellungszeit der Maschinen,
- eine Verminderung des Gewichts der Maschinen.

Claims

1. Bürstenlose elektrische drehende Maschine zur Erfassung der absoluten Winkelstellung, die mit Hilfe wenigstens eines sich drehenden Transformators (11) elektrisch versorgt wird, umfassend:

einerseits für den Detektor (2) für die Winkelstellung einen magnetischen Kreis (12) und eine Wicklung (13), die zu einem Rotor gehören, sowie einen magnetischen Kreis (4) und eine Wicklung (5), die zu einem Stator gehören, und andererseits für den der Versorgung dienenden Transformator (11) einen magnetischen Kreis (15) und eine Wicklung (16), die zum Rotor gehören, sowie einen magnetischen Kreis (18, 19) und eine Wicklung (9), die zum Stator gehören, wobei die zum Rotor gehörenden Teile des Detektors für die Winkelstellung und des Transformators mechanisch drehfest verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet daß

- die jeweils zum Rotor gehörenden magnetischen Kreise (12, 15) und Wicklungen (13, 16) des Detektors (2) für die Winkelstellung und des Transformators (11) in einer Umhüllung aus einem elektrisch isolierenden Material eingebettet sind, das den ausgegossenen Rotorkörper (21) und die Rotornabe bildet,

- die jeweils zum Stator gehörenden magnetischen Kreise (4, 18, 19) und Wicklungen (5, 9) des Detektors (2) für die Winkelstellung und des Transformators (11) in einer Umhüllung aus einem elektrisch isolierenden Material eingebettet sind, das den ausgegossenen Statorkörper (20) und den Statormantel bildet.

2. Elektrisch drehende Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Metallteile des Transformators aus einem wenig hochwertigen Material, insbesondere aus martensitischem oder ferritischem Stahl, ausgebildet sind.

3. Elektrische drehende Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Rotor gehörende magnetische Kreis (15) des Transformators einen im Querschnitt U-förmigen, radial nach außen offenen Ring umfaßt, der im Umhüllungsmaterial eingeschlossen ist.

4. Elektrische drehende Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß der zum Stator gehörende magnetische Kreis des Transformators einen Ring (18) umfaßt, der im Schnitt Lförmig und radial nach innen und axial offen ist, und daß eine ringförmige Haltescheibe (19) axial am Lförmigen Ring anliegt, um einen Kreis mit U-förmigem Querschnitt zu bilden.