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Dokumentenidentifikation EP1492217 03.02.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001492217
Titel Elektrische Maschine
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Jajtic, Dr., Zeliko, 80993 München, DE;
Matscheko, Gerhard, 82319 Starnberg, DE;
Schiele, Stefan, 85247 Stetten, DE
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE
Sprache des Dokument DE
EP-Anmeldetag 21.06.2004
EP-Aktenzeichen 040145310
EP-Offenlegungsdatum 29.12.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.02.2005
IPC-Hauptklasse H02K 41/03
IPC-Nebenklasse H02K 29/08   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, welche einen Stator und einen Rotor aufweist. Bei einer derartigen elektrischen Maschine ist die Lage des Stators bzw. des Rotors zu bestimmen.

Bei elektrischen Maschinen wie z.B. einem Linearmotor oder einem Torquemotor ist es zur Ermittlung der Position bzw. Lage eines Primärteiles bezüglich eines permanenterregten Sekundärteiles nötig einen Encoder bzw. einen entsprechenden Sensor einzusetzen. Dabei ist das Primärteil beispielsweise der Stator und das Sekundärteil beispielsweise der Läufer. Aus der US 5,091,665 ist ein Hallsensor bekannt, welcher zur Positionsbestimmung heranziehbar ist. Dieser Sensor zur Positionsbestimmung ist ein separates Element des Primärteils.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine elektrische Maschine anzugeben, bei der eine verbesserte bzw. kompaktere Möglichkeit besteht, eine Lageidentifikation eines Stators bzw. eines Läufers einer elektrischen Maschine vorzunehmen.

Die Lösung der Aufgabe gelingt durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen nach Anspruch 1 bzw. mit einem Verfahren nach Anspruch 11 bis 12.

Die elektrische Maschine weist einen Stator und einen Läufer auf, wobei der Stator und/oder der Läufer zumindest ein Mittel zur Führung eines magnetischen Flusses aufweist. Das Mittel zur Führung des magnetischen Flusses weist einen Spalt zur Aufnahme eines Sensors zur Messung des magnetischen Flusses auf. In dem Spalt ist in einfacher und kompakter Weise der Sensor zur Messung des magnetischen Flusses z.B. ein Hallsensor anbringbar.

Der Spalt, der in seiner Gestalt unterschiedlich ausführbar ist, jedoch stets zumindest zwei einander gegenüberliegende Elemente aufweist, ist in verschiedenster Weise in das Mittel zur Führung des magnetischen Flusses integrierbar. Dies führt zu einer bauraumoptimalen Integration des Sensors in das Mittel zur Führung des magnetischen Flusses. In vorteilhafter Weise ist trotz Ausbildung des Spaltes die elektrische Maschine in ihrer geometrischen Ausdehnung unverändert und insbesondere nicht vergrößert.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Mittel zur Führung des magnetischen Flusses wie z.B. ein Blechpaket zumindest ein Flussleitstück auf, wobei das Flussleitstück zur Ausbildung des Spaltes dient. Mit Hilfe zumindest eines oder z.B. zweier Flussleitstücke ist von einem magnetischen Hauptfluss ein magnetischer Teilfluss, auch magnetischer Sensorfluss genannt ableitbar, welcher über einen Spalt geführt wird, in welchen ein Sensor insbesondere zur Messung des magnetischen Flusses einsetzbar ist. Der Spalt ist beispielsweise ein Luftspalt oder ein Spalt, der mit einem Füllmittel wie z.B. einem Harz oder einen Kunststoff gefüllt ist bzw. füllbar ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist das Mittel zur Führung des magnetischen Flusses im Bereich des Flussleitstückes bzw. im Bereich der Flussleitstücke eine Aussparung auf. Mit Hilfe einer derartigen Aussparung ist die Aufteilung des magnetischen Hauptflusses bzw. die Abspaltung eines magnetischen Sensorflusses regulierbar. Da durch das Flussleitstück der magnetische Fluss beeinflusst wird, bzw. beeinflussbar ist, ist durch eine in ihrer Größe bestimmbare Aussparung der magnetische Fluss derart einstellbar, dass dieser von einem Flussleitstück im Vergleich zu einem Bereich ohne Flussleitstück unbeeinflusst ist.

Das Mittel zur Führung des magnetischen Flusses ist beispielsweise ein Blechpaket oder zumindest ein eisenhaltiger Werkstoff. Ein Beispiel für einen derartigen eisenhaltigen Werkstoff ist eine Spritzgussmasse, welche in einem Füllmaterial z.B. Eisenpartikel z.B. in Form von Eisenkügelchen aufweist. Sowohl der Stator als auch der Läufer der elektrischen Maschine sind derart ausbildbar, dass diese ein Blechpaket aufweisen.

Die elektrische Maschine ist beispielsweise auch derart ausgestaltbar bzw. ausgestaltet, dass sowohl der Stator als auch der Läufer der elektrischen Maschine Wicklungen aufweist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist der Stator Wicklungen und der Läufer Permanentmagnete auf. Da durch Permanentmagnete stetig ein Magnetfeld vorherrscht, ist durch einen Sensor ein derartiges Magnetfeld stets feststellbar und durch die Messung des Magnetfeldes ist die Positionierung des Stators bzw. des Läufers der elektrischen Maschine durch eine entsprechende an den Sensor angeschlossene Einrichtung feststellbar. Eine derartige Einrichtung ist beispielsweise in der Steuerung oder Regelung der elektrischen Maschine bzw. in einem zugeordneten Stromrichter realisierbar.

Die elektrische Maschine ist beispielsweise eine Linearmaschine, wobei entweder ein Primärteil oder ein Sekundärteil der Linearmaschine zur Durchführung einer Linearbewegung vorgesehen ist.

Ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist eine rotatorische Maschine, wobei der Läufer entweder ein Innenläufer oder ein Außenläufer ist. Ein Torquemotor ist ein Beispiel für eine rotatorische Maschine.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung den Sensor zur Lagebestimmung des Stators bzw. des Läufers auf. Der Sensor ist mit einer entsprechenden Auswerteeinrichtung zur Lagebestimmung verbindbar bzw. verbunden.

Vorteile der Erfindung ergeben sich insbesondere bei permanenterregten Maschinen.

Für den Anlauf von permanenterregten Maschinen ist es notwendig, die absolute Rotorlage zu erkennen. Die Rotorlageerkennung bezieht sich auf die Kommutierungslage, also die 360° elektrisch. Dafür ist im allgemeinen ein Absolut-Encoder erforderlich. Für den Betrieb der elektrischen Maschine ist ein relativer Encoder ausreichend bzw. üblicherweise eingesetzt.

Die absolute Rotorlageerkennung, also die Erkennung der Kommutierungslage des Rotors, wurde bisher durch separate Sensoren, die außerhalb des magnetischen Kreises der Maschine angeordnet sind, erfasst bzw. durch softwarebasierende Verfahren ermittelt. Ein Beispiel hierfür ist ein Linearmotor, welcher Hallsensoren in einer separaten Box außerhalb des Primärteilgehäuses aufweist. Die Auswertung des Streuflusses der Permanentmagnete in der Luft ermöglicht dabei die Positionsbestimmung. Bei einem Torque-Motor ist die Lageerkennung beispielsweise über eine eigene Geberspur möglich. Durch die erfindungsgemäße integrierte Rotorlageerkennung wird die anfängliche Kommutierungslage und Initialisierung eines relativen Encoders erreicht. Es entfallen zusätzliche Einrichtungen bzw. Verfahren zum Erkennen der Rotorlage. Insbesondere ergibt sich dann ein Vorteil, wenn andere Verfahren nicht möglich sind.

Die integrierte Rotorlageerkennung ersetzt die Hall-Sensor-Box bei Linearmotoren. Dadurch ist kein zusätzlicher Bauraum innerhalb des Einbauraumes (z.B. Schlitten einer Werkzeugmaschine) erforderlich. Es entfällt dadurch auch die genaue Justage der Montageposition zwischen der Hall-Sensor-Box und dem Primärteil. Eine Hall-Sensor-Box kann bei Torque-Motoren nicht eingesetzt werden, da keine freistehenden Magnete vorhanden sind. Eine integrierte Rotorlageerkennung erweitert die Funktion des Torque-Motors durch eine Gewährung des sicheren Anlaufs unter Last oder in Fällen, wo die so genannte bewegungsbasierenden Rotorlageerkennungsverfahren nicht realisierbar sind. Dies trifft beispielsweise zu, wenn eine Initialisierungsbewegung der Maschine aufgrund von Einschränkungen nicht möglich oder zulässig ist. Die integrierte Rotorlageerkennung stellt bei Torque-Motoren eine einfache und kostengünstige technische Lösung dar.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt eine Auswertung des Signals des Sensors zur Messung des magnetischen Flusses im Betrieb unter Kompensation der Signaleinflüsse durch eine Statorbestromung. Damit ist es möglich, auch während des Betriebes einer elektrischen Maschine die Kommutierungslage zu bestimmen. Als Statorströme sind Istwerte bzw. Sollwerte eines oder mehrerer bzw. aller elektrischen Statorströme zu verstehen. Damit lassen sich z.B. geberlose Antriebe durch die Erfassung der zusätzlichen Größe "magnetischer Fluss" verbessern und Diagnosesysteme aufbauen. Beispiele hierfür sind Beobachter bzw. Motormodelle.

Eine oder mehrere Sensorelemente wie z.B. ein Hall-Sensor sind also erfindungsgemäß an einer geeigneten Position in den magnetischen Kreis der elektrischen Maschine integriert. Damit erfolgt die Signalgewinnung z.B. aufgrund des magnetischen Hauptflusses, z.B. durch den Erregerfluss der Permanentmagnete im Primärteil bzw. Stator der elektrischen Maschine. Durch Signalauswertung wird die für die Kommutierung erforderliche Rotorlage ermittelt und z.B. eine Inkremental-Encoder initialisiert. Damit ist als Funktion die Erkennung der Kommutierungslage für einen definierten Anlauf der elektrischen Maschine erreichbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist bei einer permanenterregten Maschine der Teil der elektrischen Maschine, welche die Permanentmagnete trägt den Spalt für einen Sensor auf. Aus der Magnetfeldstärke bzw. deren Änderung ist eine datentechnische Ermittlung der Position bzw. der Geschwindigkeit des bewegten Motorteils erzielbar. Bei permanenterregten elektrischen Maschinen, die aneinander gereihte Permanentmagnete aufweisen, wird dabei vorteilhaft das Magnetfeld der Permanentmagnete zur Positionsfeststellung ermittelt.

Die elektrische Maschine ist derart ausbildbar, dass die Magnetfeldstärke lokal an mehreren jedoch zumindest zwei Punkten ermittelbar ist. Diese Punkte sind in Bewegungsrichtung des Motorteils voneinander beabstandet, wobei die Abstände zwischen den einzelnen Punkten sich von den Abständen der Permanentmagneten sich in einer vorteilhaften Ausführung unterscheiden können. Auf diese Weise ergeben sich an den einzelnen Messpunkten unterschiedliche Phasen des Messsignals, was zur Erhöhung der Genauigkeit der Positionsbestimmung ausgenutzt werden kann. Dementsprechend sind bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mehrere Sensoren vorsehbar, wobei die Sensoren vorzugsweise den Spulen eines Primärteils zugeordnet sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Sensor durch eine aktive Kühleinrichtung des Primärteils kühlbar. Diese erhöht die Genauigkeit des Sensors bzw. sind dadurch günstigere Sensoren einsetzbar, die keine höheren Ansprüche an die Umgebungstemperatur stellen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

FIG 1
eine Prinzipdarstellung eines Primärteiles und eines Sekundärteiles eines Linearmotors,
FIG 2
eine Ausführungsvariante eines Blechpaketes eines Primärteiles,
FIG 3
eine weitere Ausführungsvariante eines Blechpaketes des Primärteils des Linearmotors,
FIG 4
eine weitere Prinzipdarstellung des Linearmotors, wobei ein Spalt zur Aufnahme eines Sensors im Sekundärteil vorgesehen ist und
FIG 5
einen weiteren Blechschnitt.

Die Darstellung gemäß FIG 1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine 1, welche einen Stator 3 als Sekundärteil und einen Läufer 5 als Primärteil aufweist, wobei der Stator 3 ein Mittel zur Führung eines magnetischen Flusses 11 - in der Figur als Feldlinien dargestellt - z.B. in Form eines Blechpaketes 8 aufweist. Auch der Läufer 5 weist in seinem Aufbau ein Blechpaket 18 auf. Die dargestellte elektrische Maschine zeigt prinzipiell den Aufbau eines Linearmotors. Das Blechpaket 18 des Läufers 5 weist Zähne 10 auf. Zwischen den Zähnen 10 des Blechpaketes 18 sind Wicklungen 23 angeordnet. Der Stator 3 der als Linearmaschine, d.h. Linearmotor ausgeführten elektrischen Maschine 1 weist Permanentmagnete 33, deren magnetische Flussausrichtung durch einen Pfeil 35 angegeben ist, auf. Im Bereich des Flussleitstückes 27 teilt sich der magnetische Fluss 11 in einen magnetischen Hauptfluss 12 und einen magnetischen Sensorfluss 14. Der magnetische Hauptfluss 12 verläuft über einen Querschnitt 21 des Blechpaketes 18. Ein Sensor 17 befindet sich in einem Spalt 13, über welchen der Sensorfluss 14 führbar ist. Das Blechpaket 18 weist eine Längsausdehnung 39 und eine Querausdehnung 37 auf. Die Längsausdehnung 39 gibt auch die Bewegungsrichtung des Läufers 5 der als Linearmotor ausgebildeten elektrischen Maschine 1 an. Das Flussleitstück erstreckt sich beispielsweise über die gesamte Querausdehnung 37 des Blechpaketes 18 oder nur über einen Teil der Querausdehnung 37 des Blechpaketes 18. In einer vorteilhaften Ausgestaltung befindet sich das Flussleitstück 27 in einem mittleren Bereich der Querausdehnung 37.

Die Darstellung gemäß FIG 2 zeigt eine Ausführungsvariante eines Blechschnittes 10 mit einer Ausführungsvariante des Spaltes 13, wobei durch eine Aussparung 31 im Blechschnitt 10 eine Anpassung der Signalamplitude des Sensors 17 möglich ist. Die Aussparung 31 reduziert den Querschnitt 19 für einen magnetischen Hauptfluss 12. Auch eine Vergrößerung des Querschnitts 19 gegenüber Bereich ohne Flussleitstück ist ausführbar, jedoch nicht dargestellt.

Die Darstellung gemäß FIG 3 zeigt eine bauraumoptimale Ausführung der Positionierung des Spaltes 15. Der Spalt 15 ist in den Blechschnitt 16 integriert, wobei durch den Spalt 15 der Querschnitt 21 reduziert ist und die äußeren Abmessungen des Blechschnitts 16 im Bereich eines Spaltes 16 unverändert sind gegenüber der äußeren Abmessungen in einem Bereich des Blechschnitts 16 ohne Spalt.

Die Darstellung gemäß FIG 4 zeigt, dass eine elektrische Maschine 1 auch zwei Spalten 13,17 bzw. Sensoren aufweisen kann, wobei ein Spalt 13 gemäß FIG 1 ausgeführt ist und ein Spalt 14 durch ein Flussleitstück 29 derart ausgebildet ist, dass zur Ausbildung dieses Spaltes lediglich ein Flussleitstück 29 notwendig ist. Die Darstellung gemäß FIG 4 zeigt auch, dass durch einen Spalt 15 der magnetische Fluss auch im Bereich des Stators 3 messbar ist.

Die Darstellung gemäß FIG 5 zeigt den Blechschnitt 41 eines Stators einer rotatorischen Maschine, welche Zähne 10 aufweist. Diese Darstellung dient als Hinweis darauf, dass der erfindungsgemäße Spalt zur Aufnahme eines Sensors sowohl bei Linearmaschinen als auch bei rotatorischen Maschinen ausführbar ist.


Anspruch[de]
  1. Elektrische Maschine (1,2) welche einen Stator (3) und einen Läufer (5) aufweist, wobei der Stator (3) und/oder der Läufer (5) ein Mittel (7,9) zur Führung eines magnetischen Flusses (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (7) zur Führung des magnetischen Flusses (11) einen Spalt (13,15) zur Aufnahme eines Sensors (17) zur Messung des magnetischen Flusses (11) aufweist.
  2. Elektrische Maschine (1,2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (13,14,15) einen Bereich (7,9) zur Führung des magnetischen Flusses (11) im Mittel (7) zur Führung des magnetischen Flusses reduziert.
  3. Elektrische Maschine (1,2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (7) zur Führung des magnetischen Flusses (11) zumindest ein Flussleitstück (25,27,29) aufweist, wobei das Flussleitstück (25,27, 29) zur Ausbildung des Spaltes (12,14) dient.
  4. Elektrische Maschine (1,2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Flussleitstück (25,27) eine Aussparung (31) am Mittel (7) zur Führung des magnetischen Flusses (11) vorgesehen ist.
  5. Elektrische Maschine (1,2) nach einem der vorgenannten Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (7,9) zur Führung des magnetischen Flusses (11) ein Blechpaket ist bzw. zumindest einen eisenhaltigen Werkstoff aufweist.
  6. Elektrische Maschine (1,2) nach einem der vorgenannten Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass:
    • a) der Stator (3) und der Läufer (5) Wicklungen (23) aufweisen, oder dass
    • b) der Stator (3) Wicklungen (23) aufweist und der Läufer (5) Permanentmagnete (33).
  7. Elektrische Maschine (1,2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine eine Linearmaschine ist, wobei entweder der Stator oder der Läufer zur Durchführung einer Linearbewegung vorgesehen ist.
  8. Elektrische Maschine (1,2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine eine rotatorische Maschine ist und der Läufer entweder ein Innenläufer oder ein Außenläufer ist.
  9. Elektrische Maschine (1,2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine ein Torquemotor ist.
  10. Elektrische Maschine (1,2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese den Sensor zur Lagebestimmung des Stators bzw. des Rotors aufweist.
  11. Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine (1,2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des Sensors zur Messung des magnetischen Flusses und Istwerte bzw. Sollwerte eines oder mehrerer bzw. aller Statorströme zur Bestimmung der Kommutierungslage der elektrischen Maschine verwendet werden.
  12. Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine (1,2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die elektrische Maschine (1,2) einen Inkremental-Encoder aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Stators bzw. des Läufers ermittelt wird wonach der Inkremental-Encoder initialisiert wird.






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