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WO2015185262A1 - Magnetsensor für eine rotorwelle einer elektrischen maschine sowie elektrische maschine - Google Patents

Magnetsensor für eine rotorwelle einer elektrischen maschine sowie elektrische maschine Download PDF

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Publication number
WO2015185262A1
WO2015185262A1 PCT/EP2015/058705 EP2015058705W WO2015185262A1 WO 2015185262 A1 WO2015185262 A1 WO 2015185262A1 EP 2015058705 W EP2015058705 W EP 2015058705W WO 2015185262 A1 WO2015185262 A1 WO 2015185262A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
magnetic
sensor
rotor shaft
rotor
magnetically
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2015/058705
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias LETZGUS
Andreas Horvath
Klaus Lindner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of WO2015185262A1 publication Critical patent/WO2015185262A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/01—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for shielding from electromagnetic fields, i.e. structural association with shields
    • H02K11/014—Shields associated with stationary parts, e.g. stator cores
    • H02K11/0141—Shields associated with casings, enclosures or brackets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • H02K11/215—Magnetic effect devices, e.g. Hall-effect or magneto-resistive elements

Definitions

  • the invention relates to electronically commutated electrical machines that use a magnetic sensor, in particular for detection of a rotor position.
  • the present invention relates to measures for shielding the magnetic sensor against influences of the stator and the rotor magnetic field.
  • the current rotor position can be detected, for example, by means of a magnetic sensor arranged on a rotor shaft of the rotor.
  • Conventional magnetic sensors usually have a magnetic field sensitive sensor, such. As a Hall sensor, a GMR sensor or the like on.
  • the magnetic field sensitive sensor is mounted in an arrangement by which a magnetic field applied to the magnetic field sensitive sensor is variable depending on the rotor position of the rotor.
  • a donor wheel is attached to the rotor shaft. The magnetic field change is detected by the magnetic field sensitive sensor and appropriately provided as rotor position information.
  • the rotor of an electric machine is set in rotation as a result of the stator magnetic field generated by the stator, wherein the magnetic field strength in the air gap between the stator and rotor can be several Tesla.
  • the magnetic field strength in the air gap between the stator and rotor can be several Tesla.
  • these magnetic fields emerge from the air gap as stray magnetic fields, their field strength decreasing as a function of the distance.
  • the stray fields can couple into the rotor shaft, which is often formed of soft magnetic material, and have an effect in the region of the magnetic sensor.
  • eddy currents can extend over the usually also electrically conductive rotor shaft formed up to the area of the magnetic sensor and cause magnetic fields there.
  • both the stray magnetic fields from the air gap and magnetic fields caused by eddy currents generated in the rotor shaft can act on the magnetic sensor. If the influences thus caused in the region of the magnetic sensor are too great, this can be disturbed in its function and the detection of the rotor position can become inaccurate or faulty. As a result, the operation of the electric machine can be significantly impaired, since the generation of the stator magnetic field depends on a knowledge of the exact rotor position.
  • magnetic sensors can be arranged in the vicinity of the rotor provided with permanent magnets, stator windings for generating a stator magnetic field being provided by means of a magnetic shield arranged between the stator windings and the magnetic sensor. It is an object of the present invention to ensure that detection by a magnetic sensor in an electrical machine is as far as possible not impaired by disturbing magnetic fields resulting from the operation of the electrical machine.
  • a magnetic sensor for use in an electrical machine, in particular for detecting the position of a rotor assembly of the electric machine, according to claim 1, an arrangement of the magnetic sensor on the rotor shaft and an electric machine according to the independent claims.
  • a magnetic sensor for use on a rotor shaft of an electrical machine, comprising:
  • At least one sensor element for detecting a magnetic field and for providing a sensor signal
  • At least one permanent magnet for providing a sensor magnetic field
  • a transmitter wheel which has a magnetically active structuring for influencing the sensor magnetic field and is formed with a holding region for application to a rotor shaft,
  • the encoder wheel between the holding region and the magnetically active structuring, in particular full-circumference, is magnetically non-conductive.
  • One idea of the above magnetic sensor is to shield magnetically effective structures of a sensor wheel from coupling in from magnetic influences caused by parasitic magnetic fields resulting from the operation of the electrical machine, namely the stator magnetic field, the rotor magnetic field or magnetic fields generated due to eddy currents become. Since, for reasons of strength, the rotor shaft is frequently made of a magnetically and electrically conductive material, in particular of steel, the parasitic magnetic fields can also be provided with a suitable shielding. ner stator assembly and rotor assembly of the electric machine via the rotor shaft to the magnetic sensor arranged thereon pass. The sensitivity of the magnetic sensor is very high.
  • parasitic magnetic fields of low field strength can already act on the sensor element of the magnetic sensor and lead to disturbances in the detection of the rotor position.
  • it is therefore provided to provide a magnetic and electrical insulation between the magnetically active structures of the sensor wheel and the rotor shaft.
  • a magnetic ring closure via a housing which comprises the stator and the rotor assembly of the electric machine, no longer exists.
  • parasitic magnetic fields can not be derived via the housing and pass through the rotor shaft in the axial direction in an area outside the housing. Since a magnetic sensor for rotor position detection is usually arranged in this area, this can thereby be protected against an influence of the parasitic magnetic fields, so that no impairment of the function takes place.
  • an isolation region between the holding region and the magnetically active structuring may be provided, wherein regions of different magnetic conductivity are formed on the outer circumference of the isolation region region.
  • the regions of different magnetic conductivity can have an annular donor element of magnetically conductive material with radially projecting sections.
  • the areas of different magnetic conductivity are formed with an annular donor element of ring segments of different magnetic conductivity.
  • the regions of different magnetic conductivity can be formed by regions spaced apart from one another with magnetically conductive elements introduced into a magnetically nonconductive annular donor element.
  • tendem material in particular in the form of particles of a soft magnetic material, be formed.
  • annular donor element and the isolation region can be formed in one piece.
  • an arrangement of the above magnetic sensor is provided on a rotor shaft, wherein the magnetic sensor is in contact with the holding region on the rotor shaft.
  • an electric machine comprising:
  • a rotor assembly which is rotatably disposed and spaced by an air gap of the stator assembly
  • a rotor shaft which carries the rotor assembly and is mounted in the housing;
  • the rotor shaft may be supported by a magnetically non-conductive or weakly conductive bearing on the housing, wherein the magnetic sensor is arranged on a portion of the rotor shaft, which is opposite to the bearing of the rotor assembly.
  • the magnetic resistance between the holding region and the magnetically active structuring of the encoder wheel is greater than the magnetic resistance acting on the bearing between the rotor shaft and the housing.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view through an electronically commutated electric machine with a magnetic sensor for detecting a rotor position of the electric machine;
  • Figure 2 is a cross-sectional view through a transmitter wheel for the magnetic sensor
  • Figure 3 is a cross-sectional view through another encoder wheel for the magnetic sensor.
  • Figure 4 is a cross-sectional view through another encoder wheel for the magnetic sensor.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional representation through an electronically commutated electric machine 1.
  • the electric machine corresponds to a synchronous machine.
  • the electric machine 1 has a housing 2, in which a circular cylindrical stator arrangement 3 is arranged.
  • the stator assembly 3 comprises stator teeth 31 and a circular cylindrical stator yoke 32, from which the stator teeth 31 are arranged projecting inwardly.
  • the stator teeth 31 are surrounded individually or in groups by one or more stator coils 33, which can be supplied with current using a power electronics, not shown, according to a Kommut istsschema.
  • the stator yoke 32 opposite ends of the stator teeth 31 define a circular cylindrical inner recess 4, in which a rotor assembly 5 is rotatably arranged.
  • the rotor assembly 5 is substantially formed of a magnetically conductive material in which rotor poles 51 are formed, which may be at least partially provided with permanent magnets 52.
  • the rotor assembly 5 is arranged on a rotor shaft 6, which is mounted so that an outer periphery of the rotor assembly 5 is disposed opposite to the inwardly facing ends of the stator teeth 31, so that between the stator assembly 3 and the rotor assembly 5, an air gap 7 is formed.
  • the rotor shaft 6 is mounted on a fixed bearing 8, which is in particular electrically conductive and the rotor shaft 6 relative to the housing 2 is supported.
  • the fixed bearing 8 keeps the rotor shaft 6 continues in the axial direction.
  • a sliding bearing 9 is provided, which may be formed as a plastic plain bearing, a simple socket or other, electrically and magnetically non-conductive or weakly conductive bearing 9.
  • the sliding bearing 9 is also supported on the housing 2, so that the rotor shaft 6 is held by the fixed bearing 8 and the sliding bearing 9 stationary and rotatable.
  • the rotor shaft 6 exits the housing 2 and forms the output shaft for the electric machine 1.
  • the stator coils 33 are energized in a suitable manner by means of a commutation scheme.
  • the energization must be set as a function of the rotor position of the rotor arrangement 5.
  • a maximum torque can be achieved if the stator magnetic field has an overfeed with respect to the rotor magnetic field of 90 ° electrical rotor position in the direction of rotation.
  • the electrical rotor position corresponds to a mechanical rotor position angle of 360 ° divided by the number of pole pairs.
  • a rotor position sensor is usually provided, which is usually designed in the form of a magnetic sensor 10.
  • the magnetic sensor 10 usually comprises a sensor magnet 1 1 designed as a permanent magnet for providing a sensor magnetic field, a sensor element 12, such as a Hall sensor or a GMR sensor, and a transmitter wheel 13, which extends over a holding region 14 on the rotor shaft 6 at one the housing 2 projecting portion of the rotor shaft 6 is arranged and thus rotates with the rotor.
  • the encoder wheel 13 usually has on its peripheral surface on a magnetically effective structuring.
  • the material of the structuring is usually a magnetically conductive material, so that the magnetic field emitted by the transmitter magnet 1 1 is influenced by the structure rotorpositionswin and thus a corresponding dependent on the rotor position change of the magnetic field flowing through the magnetic field 10 can be detected.
  • the structuring runs along the axial direction and may be tooth-shaped on the peripheral surface of the encoder wheel 13.
  • a use of an electrically non-conductive or electrically weakly sliding bearing 9 on the side of the housing 2, on which the magnetic sensor 10 is arranged, is advantageous for various reasons. As a result, however, there is no derivation of a magnetic flux from the rotor shaft 6 via the housing 2, so that part of the parasitic magnetic fields can pass through the sliding bearing 9 through the rotor shaft 6 and exit the rotor shaft 6 in the region of the encoder wheel 13. Since the sensor elements 12, which are usually used for magnetic sensors 10, usually have a high sensitivity, it may therefore interfere with the detection of the rotor position during operation of the electric machine 1, which deteriorate the function of the electric machine 1 or even prevent.
  • the insulation section 21 is at least magnetically nonconductive, ie it has a very low magnetic conductivity, in particular of ⁇ ⁇ 50, preferably ⁇ ⁇ 10.
  • Surrounding the insulation section 21 is annular surrounding a sensor element 22 as a magnetically active element of the encoder wheel 13, which has a structuring in the circumferential direction.
  • the circumferentially extending magnetically active structuring of the magnetically active donor element 22 can be realized by a partially different magnetic conductivity, for example by ring segments 23, 24 of different magnetic conductivity are arranged together, for , B.
  • ring segments 23 made of a magnetic material, such.
  • plastic or aluminum As plastic or aluminum.
  • a transmitter wheel 40 also integrally made of a magnetically non-conductive material, such. B a plastic, be formed on the outer peripheral region of magnetically conductive regions 41, for example, by introducing soft magnetic particles, in particular iron particles, can be formed.
  • the magnetically conductive regions 41 extend along the circumferential direction and are spaced from each other by regions without soft magnetic particles.
  • encoder wheels 13, 30, 40 of the above embodiments were each shown with eight poles or structuring regions in the circumferential direction, they may also have different numbers of structuring regions, depending on the desired resolution of the magnetic sensor 10.
  • Alternative embodiments can also provide the arrangement of the encoder magnets 1 1 on a sensor wheel 13, 30, 40 provide, wherein the encoder magnets 1 1 are magnetically non-conductive connected to the rotor shaft 6 or connectable.
  • the encoder magnets 1 1 are magnetically non-conductive connected to the rotor shaft 6 or connectable.
  • metal particles of magnetically conductive material magnetised, for example hard magnetic, material can then be introduced into the otherwise magnetically non-conductive material of the encoder wheel 13, 30, 40 and with a corresponding arrangement along the circumferential direction, which extends along the axial direction, be formed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Magnetsensor (10) zur Verwendung an einer Rotorwelle (6) einer elektrischen Maschine (1), umfassend: - mindestens ein Sensorelement (12) zum Erfassen eines Magnetfelds und zum Bereitstellen eines Sensorsignals; - mindestens einen Gebermagneten (11) zum Bereitstellen eines Sensormagnetfelds; und - ein Geberrad (13, 30, 40), das eine magnetisch aktive Strukturierung zum Beeinflussen des Sensormagnetfelds aufweist und mit einem Haltebereich (14) zum Aufbringen auf einer Rotorwelle (6) ausgebildet ist; wobei das Geberrad (13, 30, 40) zwischen dem Haltebereich (14) und der magnetisch aktiven Strukturierung magnetisch nicht leitend ausgebildet ist.

Description

Beschreibung Titel
Maqnetsensor für eine Rotorwelle einer elektrischen Maschine
sowie elektrische Maschine
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft elektronisch kommutierte elektrische Maschinen, die einen Magnetsensor, insbesondere zur Detektion für eine Rotorlage, verwenden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Maßnahmen zum Abschirmen des Magnetsensors vor Einflüssen des Stator- und des Rotormagnetfelds.
Stand der Technik
Zum Betreiben von elektronisch kommutierten elektrischen Maschinen, wie beispielsweise Synchronmaschinen und dergleichen, ist eine Kenntnis der aktuellen Lage eines Rotors erforderlich. Abhängig von der Ausrichtung eines von der Rotorlage abhängigen Rotormagnetfelds wird ein in Bewegungsrichtung bezüglich eines Rotormagnetfelds voreilendes Statormagnetfeld erzeugt, um ein Antriebsmoment bereitzustellen.
Die aktuelle Rotorlage kann beispielsweise mithilfe eines an einer Rotorwelle des Rotors angeordneten Magnetsensors erfasst werden. Herkömmliche Magnetsensoren weisen in der Regel einen magnetfeldempfindlichen Sensor, wie z. B. einen Hall-Sensor, einen GMR-Sensor oder dergleichen, auf. Weiterhin ist der magnetfeldempfindliche Sensor in einer Anordnung angebracht, durch die ein Magnetfeld, das den magnetfeldempfindlichen Sensor beaufschlagt, abhängig von der Rotorlage des Rotors veränderlich ist. Insbesondere wird dazu ein Geberrad an der Rotorwelle angebracht. Die Magnetfeldveränderung wird durch den magnetfeldempfindlichen Sensor detektiert und in geeigneter Weise als Rotorlageinformation bereitgestellt. Der Rotor einer elektrischen Maschine wird infolge des vom Stator erzeugten Statormagnetfelds in Rotation versetzt, wobei die Magnetfeldstärke im Luftspalt zwischen Stator und Rotor mehrere Tesla betragen kann. Insbesondere an den Stirnseiten treten diese Magnetfelder als Streumagnetfelder aus dem Luftspalt aus, wobei deren Feldstärke in Abhängigkeit vom Abstand abnimmt. Die Streufelder können sich in die häufig aus weichmagnetischem Material ausgebildete Rotorwelle einkoppeln und sich im Bereich des Magnetsensors auswirken.
Zudem werden durch die Magnetfelder in dem Rotorkörper des Rotors Spannungen induziert, die zu Wirbelströmen führen. Die Wirbelströme können sich über die in der Regel ebenfalls elektrisch leitfähig ausgebildete Rotorwelle bis zu dem Bereich des Magnetsensors hin erstrecken und dort Magnetfelder bewirken.
Somit können sowohl die Streumagnetfelder aus dem Luftspalt als auch Magnetfelder, die durch in der Rotorwelle erzeugte Wirbelströme hervorgerufen werden, auf den Magnetsensor einwirken. Sind die so bewirkten Einflüsse im Bereich des Magnetsensors zu groß, so kann dieser in seiner Funktion gestört und die Erfassung der Rotorlage ungenau oder fehlerhaft werden. Dadurch kann das Betreiben der elektrischen Maschine erheblich beeinträchtigt werden, da die Erzeugung des Statormagnetfelds von einer Kenntnis der exakten Rotorlage abhängt.
Aus der Druckschrift DE 10 2010 040 857 A1 ist ein elektronisch kommutierter Elektromotor mit abgeschirmtem Rotorpositionssensor bekannt. Zur Abschirmung ist eine Rotorwelle mit einem becherförmigen Sensormantel gekoppelt, an dessen innerer Mantelfläche sich Sensormagnete befinden. In den Hohlraum des Abschirmblechs ragen Rotorpositionssensoren, die bei einer Drehung des becherförmigen Abschirmblechs mit der Rotorwelle mit einem von der Rotorposition abhängigen Magnetfeld beaufschlagt werden und so eine entsprechende Rotorinformation bereitstellen können.
Es können weiterhin Magnetsensoren in der Nähe des mit Permanentmagneten versehenen Rotors angeordnet werden, wobei Statorwicklungen zur Erzeugung eines Statormagnetfelds mithilfe einer magnetischen Abschirmung, die zwischen den Statorwicklungen und dem Magnetsensor angeordnet ist, versehen sind. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es zu gewährleisten, dass eine Detektion durch einen Magnetsensor in einer elektrischen Maschine möglichst nicht von störenden, aus dem Betrieb der elektrischen Maschine resultierenden Magnetfeldern beeinträchtigt wird.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß sind ein Magnetsensor zur Verwendung in einer elektrischen Maschine, insbesondere zur Lageerfassung einer Rotoranordnung der elektrischen Maschine, gemäß Anspruch 1 , eine Anordnung des Magnetsensors an der Rotorwelle sowie eine elektrische Maschine gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Magnetsensor zur Verwendung an einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine vorgesehen, umfassend:
- mindestens ein Sensorelement zum Erfassen eines Magnetfelds und zum Bereitstellen eines Sensorsignals;
- mindestens einen Permanentmagneten zum Bereitstellen eines Sensormagnetfelds; und
- ein Geberrad, das eine magnetisch aktive Strukturierung zum Beeinflussen des Sensormagnetfelds aufweist und mit einem Haltebereich zum Aufbringen auf einer Rotorwelle ausgebildet ist,
wobei das Geberrad zwischen dem Haltebereich und der magnetisch aktiven Strukturierung, insbesondere vollumfänglich, magnetisch nicht leitend ausgebildet ist.
Eine Idee des obigen Magnetsensors besteht darin, magnetisch wirksame Struk- turen eines Geberrads vor einer Einkopplung von magnetischen Einflüssen abzuschirmen, die durch aus dem Betrieb der elektrischen Maschine resultierende parasitäre Magnetfelder, nämlich aus dem Statormagnetfeld, dem Rotormagnetfeld oder aufgrund von Wirbelströmen generierten Magnetfeldern, verursacht werden. Da die Rotorwelle aus Gründen der Festigkeit häufig aus einem magne- tisch und elektrisch leitenden Material ausgebildet ist, insbesondere aus Stahl, können die parasitären Magnetfelder auch bei einer geeigneten Abschirmung ei- ner Statoranordnung und Rotoranordnung der elektrischen Maschine über die Rotorwelle zu dem daran angeordneten Magnetsensor gelangen. Die Empfindlichkeit des Magnetsensors ist sehr hoch. So können bereits parasitäre Magnetfelder geringer Feldstärke auf das Sensorelement des Magnetsensors einwirken und zu Störungen der Erfassung der Rotorlage führen. Um den Magnetsensor von diesen parasitären Magnetfeldern abzuschirmen, ist daher vorgesehen, eine magnetische und elektrische Isolation zwischen den magnetisch wirksamen Strukturen des Geberrads und der Rotorwelle vorzusehen.
Insbesondere bei Verwendung einer Lagerung für die Rotorwelle aus einem magnetisch nicht oder schwach leitenden Material ist ein magnetischer Ring- schluss über ein Gehäuse, das die Statoranordnung und die Rotoranordnung der elektrischen Maschine umfasst, nicht mehr gegeben. Somit können parasitäre Magnetfelder nicht über das Gehäuse abgeleitet werden und gelangen über die Rotorwelle in axialer Richtung in einen Bereich außerhalb des Gehäuses. Da ein Magnetsensor zur Rotorlageerfassung üblicherweise in diesem Bereich angeordnet wird, kann dieser dadurch vor einem Einfluss der parasitären Magnetfelder geschützt werden, so dass keine Beeinträchtigung der Funktion erfolgt. Weiterhin kann ein Isolationsbereich zwischen dem Haltebereich und der magnetisch aktiven Strukturierung vorgesehen sein, wobei auf dem Außenumfang des Isolationsbereichsbereichs Bereiche unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit ausgebildet sind. Insbesondere können die Bereiche unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit ein ringförmiges Geberelement aus magnetisch leitendem Material mit radial vorstehenden Abschnitten aufweisen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Bereiche unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit mit einem ringförmigen Geberelement aus Ringsegmenten unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit ausgebildet sind.
Gemäß einer Ausführungsform können die Bereiche unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit durch voneinander beabstandete Bereiche mit in ein magne- tisch nicht leitendes ringförmiges Geberelement eingebrachtem magnetisch lei- tendem Material, insbesondere in Form von Partikeln aus einem weichmagnetischen Material , ausgebildet sein.
Weiterhin können das ringförmige Geberelement und der Isolationsbereich einstückig ausgebildet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Anordnung des obigen Magnetsensors an einer Rotorwelle vorgesehen, wobei der Magnetsensor mit dem Haltebereich an der Rotorwelle anliegt.
Gemäß einem weitern Aspekt ist eine elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
- eine Statoranordnung;
- eine Rotoranordnung, die drehbeweglich und über einen Luftspalt von der Statoranordnung beabstandet angeordnet ist;
- ein Gehäuse, das die Statoranordnung und die Rotoranordnung umgibt;
- eine Rotorwelle, die die Rotoranordnung trägt und in dem Gehäuse gelagert ist; und
- den obigen Magnetsensor, der an der Rotorwelle angeordnet ist.
Weiterhin kann die Rotorwelle durch ein magnetisch nicht leitendes oder schwach leitendes Lager an dem Gehäuse gelagert sein, wobei der Magnetsensor an einem Abschnitt der Rotorwelle angeordnet ist, der bezüglich des Lagers der Rotoranordnung gegenüberliegt.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der magnetische Widerstand zwischen dem Haltebereich und der magnetisch aktiven Strukturierung des Geberrads größer ist als der über das Lager wirkende magnetische Widerstand zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Querschnittsdarstellung durch eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine mit einem Magnetsensor zur Erfassung einer Rotorlage der elektrischen Maschine;
Figur 2 eine Querschnittsansicht durch ein Geberrad für den Magnetsensor;
Figur 3 eine Querschnittsansicht durch ein weiteres Geberrad für den Magnetsensor; und
Figur 4 eine Querschnittsansicht durch ein weiteres Geberrad für den Magnetsensor.
Beschreibung von Ausführungsformen
In Figur 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine 1 gezeigt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht die elektrische Maschine einer Synchronmaschine.
Die elektrische Maschine 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem eine kreiszylindrische Statoranordnung 3 angeordnet ist. Die Statoranordnung 3 umfasst Statorzähne 31 und ein kreiszylinderförmiges Statorjoch 32, von dem ausgehend die Statorzähne 31 nach innen abstehend angeordnet sind. Die Statorzähne 31 sind einzeln oder in Gruppen von einer oder mehreren Statorspulen 33 umgeben, die mithilfe einer nicht gezeigten Leistungselektronik gemäß einem Kommutierungsschema bestrombar sind.
Die dem Statorjoch 32 gegenüberliegenden Enden der Statorzähne 31 definieren eine kreiszylinderförmige Innenausnehmung 4, in der eine Rotoranordnung 5 drehbeweglich angeordnet ist. Die Rotoranordnung 5 ist im Wesentlichen aus einem magnetisch leitenden Material ausgebildet, in dem Rotorpole 51 gebildet sind, die zumindest teilweise mit Permanentmagneten 52 versehen sein können.
Die Rotoranordnung 5 ist an einer Rotorwelle 6 angeordnet, die so gelagert ist, dass ein Außenumfang der Rotoranordnung 5 gegenüber den nach innen weisenden Enden der Statorzähne 31 angeordnet ist, so dass zwischen der Statoranordnung 3 und der Rotoranordnung 5 ein Luftspalt 7 ausgebildet ist. Die Rotorwelle 6 ist über ein Festlager 8, das insbesondere elektrisch leitend ausgebildet ist und die Rotorwelle 6 gegenüber dem Gehäuse 2 abstützt, gelagert. Das Festlager 8 hält die Rotorwelle 6 weiterhin in axialer Richtung.
An einem bezüglich der Rotoranordnung 5 gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 2 ist ein Gleitlager 9 vorgesehen, das als Kunststoffgleitlager, eine einfache Buchse oder anderes, elektrisch und magnetisch nicht leitendes oder schwach leitendes Lager 9 ausgebildet sein kann. Das Gleitlager 9 stützt sich ebenfalls an dem Gehäuse 2 ab, so dass die Rotorwelle 6 durch das Festlager 8 und das Gleitlager 9 ortsfest und drehbeweglich gehalten wird.
Außerhalb der durch das Festlager 8 definierten Stirnseite der elektrischen Maschine 1 tritt die Rotorwelle 6 aus dem Gehäuse 2 aus und bildet die Abtriebswelle für die elektrische Maschine 1 .
Zum Betreiben der elektrischen Maschine 1 werden die Statorspulen 33 mithilfe eines Kommutierungsschemas in geeigneter Weise bestromt. Um ein gewünschtes Antriebsmoment durch die elektrische Maschine 1 bereitstellen zu können, muss die Bestromung abhängig von der Rotorlage der Rotoranordnung 5 eingestellt werden. Insbesondere kann ein maximales Moment erreicht werden, wenn das Statormagnetfeld eine Voreilung gegenüber dem Rotormagnetfeld von in Drehrichtung 90° elektrischer Rotorlage aufweist. Die elektrische Rotorlage entspricht einem mechanischen Rotorlagewinkel von 360° geteilt durch die Anzahl der Polpaare.
Um eine Angabe über die Rotorlage zu erhalten, ist in der Regel ein Rotorlagesensor vorgesehen, der üblicherweise in Form eines Magnetsensors 10 ausgebildet ist. Der Magnetsensor 10 umfasst üblicherweise einen als Permanentmagneten ausgeführten Gebermagneten 1 1 zum Bereitstellen eines Sensormagnetfelds, ein Sensorelement 12, wie beispielsweise einen Hall-Sensor oder einen GMR-Sensor, und ein Geberrad 13, das über einen Haltebereich 14 an der Rotorwelle 6 an einem aus dem Gehäuse 2 ragenden Abschnitt der Rotorwelle 6 angeordnet ist und sich so mit dem Rotor mitdreht. Das Geberrad 13 weist üblicherweise an seiner Umfangsfläche eine magnetisch wirksame Strukturierung auf. Das Material der Strukturierung ist üblicherweise ein magnetisch leitendes Material, so dass das von dem Gebermagneten 1 1 abgegebene Magnetfeld von der Struktur rotorpositionsabhängig beeinflusst wird und somit eine entsprechende von der Rotorlage abhängige Veränderung des durch den Magnetsensor 10 fließenden Magnetfelds detektiert werden kann. Die Strukturierung verläuft entlang der axialen Richtung und kann zahnförmig auf der Umfangsfläche des Geberrads 13 vorgesehen sein.
Im Betrieb der elektrischen Maschine 1 treten stirnseitig aus dem Luftspalt 7 Streumagnetfelder aus. Zudem werden durch die sich verändernden Magnetfelder in verschiedenen Teilen der elektrischen Maschine 1 Wirbelströme aufgrund von elektromagnetischer Induktion bewirkt. Diese parasitären Magnetfelder können in die Rotorwelle 6 eingekoppelt werden.
Eine Verwendung eines elektrisch nicht leitenden oder elektrisch schwach leitenden Gleitlagers 9 an der Seite des Gehäuses 2, an der der Magnetsensor 10 angeordnet ist, ist aus verschiedenen Gründen vorteilhaft. Dadurch findet jedoch keine Ableitung eines magnetischen Flusses aus der Rotorwelle 6 über das Gehäuse 2 statt, so dass ein Teil der parasitären Magnetfelder über die Rotorwelle 6 durch das Gleitlager 9 hindurch verlaufen und im Bereich des Geberrads 13 aus der Rotorwelle 6 austreten kann. Da die Sensorelemente 12, die für Magnetsensoren 10 üblicherweise verwendet werden, in der Regel eine hohe Empfindlichkeit aufweisen, kann es beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 daher zu Störungen der Erfassung der Rotorlage kommen, die die Funktion der elektrischen Maschine 1 verschlechtern oder gar unterbinden.
Es ist daher grundsätzlich vorgesehen, das Geberrad 13 magnetisch von der Rotorwelle 6 zu isolieren, so dass der magnetische Widerstand zwischen der Ro- torwelle 6 und der magnetisch aktiven Strukturierung bzw. den magnetisch aktiven Bereichen des Geberrads 13 größer, d. h. deutlich größer, wird als der über das Gleitlager 9 wirkende magnetische Widerstand, d. h. der magnetische Widerstand zwischen der Rotorwelle 6 und dem Gehäuse 2. Damit wird erreicht, dass ein Großteil des in die Rotorwelle 6 eingeprägten Magnetfelds trotz des magnetisch nicht leitenden Gleitlagers 9 in das Gehäuse 2 abgeleitet wird und nicht die Erfassung der Rotorlage in dem Magnetsensor 10 beeinträchtigt. Die Ausführungsform der Figur 2 zeigt ein Geberrad 13, das in diesem Fall zweiteilig ausgebildet ist, mit einem Isolationsabschnitt 21 , der zum Aufsetzen auf die Rotorwelle 6 dient. Der Isolationsabschnitt 21 ist zumindest magnetisch nicht leitend, d. h. er weist eine sehr geringe magnetische Leitfähigkeit auf, insbesondere von μΓ < 50, vorzugsweise μΓ< 10. Ringförmig den Isolationsabschnitt 21 umgebend ist dann ein Geberelement 22 als ein magnetisch aktives Element des Geberrads 13 angeordnet, das eine Strukturierung in Umfangsrichtung aufweist.
Alternativ oder zusätzlich kann, wie bei dem Geberrad 30 der Figur 3 gezeigt, die in Umfangsrichtung verlaufende magnetisch aktive Strukturierung des magnetisch aktiven Geberelements 22 durch eine bereichsweise unterschiedliche magnetische Leitfähigkeit realisiert werden, indem beispielsweise Ringsegmente 23, 24 unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit aneinander angeordnet werden, z. B. Ringsegmente 23 aus einem magnetischen Material, wie z. B. Eisen, und Ringsegmente 24 aus einem nicht oder schwach magnetischen Material, wie z. B. Kunststoff oder Aluminium.
Insbesondere kann, wie in Figur 4 dargestellt, ein Geberrad 40 auch einstückig aus einem magnetisch nicht leitenden Material, wie z. B einem Kunststoff, ausgebildet sein, an dessen Außenumfangsbereich magnetisch leitende Bereiche 41 zum Beispiel durch Einbringen von weichmagnetischen Partikeln, insbesondere Eisenpartikeln, ausgebildet werden können. Die magnetisch leitenden Bereiche 41 erstrecken sich entlang der Umfangsrichtung und sind durch Bereiche ohne weichmagnetische Partikel voneinander beabstandet.
Obwohl die Geberräder 13, 30, 40 der obigen Ausführungsformen jeweils mit acht Polen bzw. Strukturierungsbereichen in Umfangsrichtung dargestellt wurden, können diese auch je nach gewünschter Auflösung des Magnetsensors 10 andere Anzahlen von Strukturierungsbereichen aufweisen.
Alternative Ausführungsformen können auch das Anordnen der Gebermagnete 1 1 auf einem Geberrad 13, 30, 40 vorsehen, wobei die Gebermagnete 1 1 magnetisch nicht leitend mit der Rotorwelle 6 verbunden bzw. verbindbar sind. Anstelle von Metallpartikeln aus magnetisch leitendem Material kann dann mag- netisiertes, zum Beispiel hartmagnetisches, Material in das ansonsten magnetisch nicht leitende Material des Geberrads 13, 30, 40 eingebracht und mit einer entsprechenden Anordnung entlang der Umfangsrichtung, die sich entlang der axialen Richtung erstreckt, ausgebildet werden.

Claims

Magnetsensor (10) zur Verwendung an einer Rotorwelle (6) einer elektrischen Maschine (1 ), umfassend:
mindestens ein Sensorelement (12) zum Erfassen eines Magnetfelds und zum Bereitstellen eines Sensorsignals;
mindestens einen Gebermagneten (1 1 ) zum Bereitstellen eines Sensormagnetfelds; und
- ein Geberrad (13, 30, 40), das eine magnetisch aktive Strukturierung zum Beeinflussen des Sensormagnetfelds aufweist und mit einem Haltebereich (14) zum Aufbringen auf einer Rotorwelle (6) ausgebildet ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
das Geberrad (13, 30, 40) zwischen dem Haltebereich (14) und der magnetisch aktiven Strukturierung magnetisch nicht leitend ausgebildet ist.
Magnetsensor (10) nach Anspruch 1 , wobei ein Isolationsbereich (21 ) zwischen dem Haltebereich (14) und der magnetisch aktiven Strukturierung vorgesehen ist, wobei auf dem Außenumfang des Isolationsbereichs (21 ) Bereiche unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit ausgebildet sind.
Magnetsensor (10) nach Anspruch 2, wobei die Bereiche unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit durch ein ringförmiges Geberelement (22) aus magnetisch leitendem Material mit radial vorstehenden Abschnitten ausgebildet sind.
Magnetsensor (10) nach Anspruch 2, wobei die Bereiche unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit mit einem ringförmigen Geberelement (22) aus Ringsegmenten (23, 24) unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit ausgebildet sind.
5. Magnetsensor (10) nach Anspruch 2, wobei die Bereiche unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit durch voneinander beabstandete Bereiche mit in ein magnetisch nicht leitendes ringförmiges Geberelement (22) eingebrachtem magnetisch leitendem Material, insbesondere in Form von Partikeln aus einem weichmagnetischen Material, ausgebildet sind.
6. Magnetsensor (10) nach Anspruch 5, wobei das ringförmige Geberelement (22) und der Isolationsbereich (21 ) einstückig ausgebildet sind.
7. Anordnung eines Magnetsensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 an einer Rotorwelle (6), wobei der Magnetsensor (10) mit dem Haltebereich (14) an der Rotorwelle (6) anliegt.
8. Elektrische Maschine (1 ), umfassend:
- eine Statoranordnung (3);
- eine Rotoranordnung (5), die drehbeweglich und über einen Luftspalt (7) von der Statoranordnung (3) beabstandet angeordnet ist;
- ein Gehäuse (2), das die Statoranordnung (3) und die Rotoranordnung (5) umgibt;
- eine Rotorwelle (6), die die Rotoranordnung (5) trägt und in dem Gehäuse (2) gelagert ist; und
einen Magnetsensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der an der Rotorwelle (6) angeordnet ist.
9. Elektrische Maschine (1 ) nach Anspruch 8, wobei die Rotorwelle (6) durch ein magnetisch nicht leitendes Lager an dem Gehäuse (2) gelagert ist, wobei der Magnetsensor (10) an einem Abschnitt der Rotorwelle (6) angeordnet ist, der bezüglich des Lagers der Rotoranordnung (5) gegenüberliegt.
10. Elektrische Maschine (1 ) nach Anspruch 9, wobei der magnetische Widerstand zwischen dem Haltebereich (14) und der magnetisch aktiven Strukturierung des Geberrads (13, 30, 40) größer ist als der über das Lager wirkende magnetische Widerstand zwischen der Rotorwelle (6) und dem Gehäuse (2).
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