DE102006032780A1

DE102006032780A1 - Elektromotorischer Antrieb mit einem rotorseitig angeordneten Drehgeber

Info

Publication number: DE102006032780A1
Application number: DE200610032780
Authority: DE
Inventors: Tobias Buban; Nicolas Daboval
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2008-01-17

Abstract

Es wird ein elektromotorischer Antrieb (1) vorgeschlagen, mit einem rotorseitig angeordneten Drehgeber (2) mit einem Dauermagnetkörper (3) und einem statorseitig angeordneten Drehgebersensorelement (4), wobei der Drehgeber (2) in der Rotorwelle (6) integriert und mit dieser einstückig verbunden ist. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines Drehgebers (2) für einen elektromotorischen Antrieb (1) beschrieben, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Dauermagnetkörper (3) in eine Öffnung (15) einer Rotorwelle (6) eingebracht wird, derart, dass er mit dieser einstückig verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen Antrieb mit einem rotorseitig angeordneten Drehgeber mit einem Dauermagnetkörper einerseits und einem statorseitig angeordneten Drehgebersensorelement andererseits. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Drehgebers für einen elektromotorischen Antrieb.
Bei der Ansteuerung von elektronisch kommutierten Elektromotoren erfolgt die Kommutierung oft mit Hilfe eines Rotorpositionssensors. Ein solcher Rotorpositionssensor liefert dabei Signale, die der Kommutierungselektronik die Position des Rotors mitteilen. Dadurch können die Wicklungsstränge des Stators so bestromt werden, dass das vom Strom erzeugte Statorfeld näherungsweise senkrecht zu dem von einem Motormagneten erzeugten Rotorfeld steht. Somit kann ein annähernd konstantes Drehmoment erzeugt werden.
Rotorpositionssensoren umfassen zumeist einen rotorseitig angeordneten Drehgeber mit einem Magnetkörper und ein statorseitig angeordnetes Drehgebersensorelement. Bei dem Drehgebersensorelement kann es sich beispielsweise um einen Hall-Sensor oder einen magnetoresistiven Sensor (MR-Sensor) handeln. Beide Sensoren detektieren ein durch den Magnetkörper erzeugte Magnetfeld, wobei der Hall-Sensor die Polarität des Magnetfeldes und der MR-Sensor die Winkelposition des Magnetfeldes detektiert. Oft werden beide Sensortypen auch gemeinsam verwendet, da sich Ihre Funktionsweise gegenseitig ergänzt.
Aus der Automobiltechnik und anderen Technikgebieten sind Anwendungen bekannt, bei denen von allen beteiligten Komponenten sehr hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt werden müssen.
So ist beispielsweise bei Elektromotoren zum Antrieb einer elektromechanischen Lenkung erforderlich, sicher festzustellen, ob der Antrieb funktionstüchtig ist. Anderenfalls könnte es zu einer unerwünschten und gefährlichen Beeinträchtigung der Lenkfunktion des Fahrzeuges kommen.
Es hat sich herausgestellt, dass eine mögliche Fehlerquelle der rotorseitig angeordnete Drehgeber ist. Aus dem Stand der Technik ist keine Positionierung eines Drehgebers bekannt, welche sehr hohen Sicherheitsanforderungen, insbesondere an die Verdrehsicherheit, genügt. So beschreibt die Patentanmeldung DE 102 01 141 A1 beispielsweise die Befestigung eines Magnetkörpers an der Rotorwelle mit Hilfe von Klebstoff, und das Gebrauchsmuster DE 93 15 586.7 G das Aufstecken eines Magnetkörpers auf die Rotorwelle.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung bereitzustellen, mit der eine besonders sichere Positionierung des rotorseitig angeordneten Drehgebers erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch einen elektromotorischen Antrieb mit einem rotorseitig angeordneten Drehgeber mit einem Dauermagnetkörper und einem statorseitig angeordneten Drehgebersensorelement gelöst, bei dem der Drehgeber in der Rotorwelle integriert und mit dieser einstückig verbunden ist.
Durch die einstückige Integration des Drehgebers in der Rotorwelle wird, anders als bei herkömmlichen Lösungen, bei denen der Drehgeber stets mit Hilfe zusätzlicher Befestigungsmittel außen an der Rotorwelle befestigt ist, eine 100%ige Verdrehsicherheit des Dauermagnetkörper erreicht. Die Erfindung ermöglicht das Erreichen dieser Vorteile zudem auf besonders kostengünstige Art und Weise.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine besonders einfache und preiswerte Herstellung eines Drehgebers für einen elektromotorischen Antrieb zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem ein Dauermagnetkörper in eine erste Öffnung einer Rotorwelle eingebracht wird derart, dass er mit dieser einstückig verbunden ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Dauermagnetkörper in einer stirnseitigen Öffnung der Rotorwelle angeordnet. Mit anderen Worten wird der Dauermagnetkörper in eine Öffnung in einer Stirnseite der Rotorwelle eingebracht. Diese Ausgestaltung der Erfindung ist besonders vorteilhaft, da die Herstellung des Dauermagnetkörpers in der Öffnung selbst erfolgen kann. Auf welche Art die Herstellung erfolgt, ist zunächst von untergeordneter Bedeutung. Wichtig dabei ist, dass der Dauermagnetkörper eine unmittelbare, vorzugsweise unlösbare Verbindung mit der Rotorwelle eingeht, der Dauermagnetkörper dadurch einstückig mit der Motorwelle verbunden ist.
Der Dauermagnetkörper kann als Gußmagnet auf schmelzmetallurgischem Weg oder als Sintermagnet auf pulvermetallurgischem Weg oder als plastgebundener Magnet oder dergleichen durch Einspritzen oder Einpressen in die Öffnung hergestellt werden. Beispielsweise wird zunächst die Öffnung in die Rotorwelle eingebracht, anschließend die Öffnung mit einem flüssigen Magnetpulver aufgefüllt oder Magnetpaste in die Öffnung eingegossen und die erforderlichen Prozeßschritte durchgeführt. Beispielsweise wird die Rotorwelle in einem entsprechendem Ofen zur Magnetherstellung erhitzt. Die Aufmagnetisierung des Dauermagnetkörpers erfolgt demnach erst, wenn sich dieser bereits in der Öffnung in der Stirnseite der Rotorwelle befindet. Dadurch ist eine im Vergleich zum Stand der Technik hochgenaue magnetische Positionierung des Drehgebers auf der Rotorwelle möglich. Von Vorteil ist dabei, dass die Position des Magnetfeldes dadurch auf einfache Art und Weise sehr genau eingestellt werden kann. Darüber hinaus ist durch das Einbringen des Dauermagnetkörpers in die Öffnung der Rotorwelle auch ein axialer Toleranzausgleich möglich.
Eine sehr wirksame Verdrehsicherung kann dabei einerseits durch die Form der Öffnung in der Rotorwelle erzielt werden; vorzugsweise wird hierzu eine nicht kreisrunde Öffnung, beispielsweise eine ovale oder eckige Öffnung, verwendet. Eine sehr wirksame Verdrehsicherung kann andererseits durch die Reibung, insbesondere Haftreibung, des in die Öffnung eingebrachten Magnetwerkstoffes erzielt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Rotorwellengrundkörper und dem Dauermagnetkörper wenigstens teilweise eine aus einem nichtmagnetischen Material bestehende Abschirmvorrichtung angeordnet. Die Abschirmvorrichtung dient zur Abschirmung der magnetischen Felder zwischen dem Dauermagnetkörper und der Rotorwelle und ist besonders dann sinnvoll, wenn die Rotorwelle aus einem magnetischen Material besteht und das von dem Drehgebersensorelement zu detektierende Magnetfeld des Dauermagnetkörpers durch das Material der Rotorwelle verfälscht werden könnte. Als Abschirmvorrichtung dient vorzugsweise eine Bauteil aus einem nichtmagnetischem Material. Aus herstellungstechnischer Sicht ist es besonders vorteilhaft, wenn dieses Bauteil bereits in der Öffnung in der Rotorwelle angeordnet ist, bevor der Magnetkörper in die Öffnung eingebracht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Abschirmvorrichtung mindestens zwischen einer Begrenzungsfläche des Dauermagnetkörpers und dem Rotorwellengrundkörper angeordnet. Besonders gute Abschirmergebnisse werden erzielt, wenn eine Abschirmvorrichtung in Form einer rohrförmigen Hülse oder dergleichen verwendet wird, der Dauermagnetkörper also ausschließlich mit seiner Unterseite unmittelbar an dem Rotorwellenmaterial anliegt, während seine Seitenfläche abgeschirmt ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung begrenzt die Abschirmvorrichtung den Dauermagnetkörper derart, dass überhaupt kein Berührungskontakt zwischen dem Dauermagnetkörper und dem Rotorwellengrundkörper besteht. Der Dauermagnetkörper ist von einer topfförmigen Abschirmvorrichtung umgeben. Die Öffnung in der Rotorwelle ist mit anderen Worten vollständig mit der Abschirmvorrichtung ausgekleidet. Die Abschirmvorrichtung bildet eine geschlossene Aufnahmewanne.
Alternativ dazu ist es selbstverständlich auch möglich, zwischen dem Rotorwellengrundkörper und dem Dauermagnetkörper überhaupt keine aus einem nichtmagnetischen Material bestehende Abschirmvorrichtung vorzusehen. Der Dauermagnetkörper liegt dann ausschließlich unmittelbar an dem Rotorwellengrundkörper an. Dies ist insbesondere bei Rotorwellen aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise Edelstahl, möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die mit Hilfe von Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in vereinfachten, schematischen Darstellungen:
1 einen elektromotorischen Antrieb mit einem rotorseitig angeordneten Drehgeber mit einem Magnetkörper und einem statorseitig angeordneten Drehgebersensorelement,
2 eine Rotorwelle mit Magnetkörper nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung im Schnitt,
3 eine Rotorwelle mit Magnetkörper nach der ersten Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht,
4 eine Rotorwelle mit Magnetkörper nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung im Schnitt,
5 eine Rotorwelle mit Magnetkörper nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht,
6 eine Rotorwelle mit Magnetkörper nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung im Schnitt, und
7 eine Rotorwelle mit Magnetkörper nach der dritten Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht.
1 zeigt einen elektromotorischen Antrieb 1 mit einem rotorseitig angeordneten Drehgeber 2 mit einem Dauermagnetkörper 3 (nachfolgend kurz Magnetkörper 3 genannt) einerseits und einem statorseitig angeordneten Drehgebersensorelement in Form eines MR-Sensors 4 andererseits. Der Drehgeber 2 ist in der Stirnseite 5 der rotierenden Rotorwelle 6 integriert, die in einem vorderen und einem hinteren Lagerschild 7, 8 gelagert ist. Dargestellt ist weiterhin der Rotor 9 sowie der Stator 11 mit dem Wickelkopf 12. Der ortsfeste MR-Sensor 4 ist gegenüber dem Magnetkörper 3 auf einer Leiterplatte 13 angeordnet, die an einem Motorgehäuse 14 befestigt ist.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen die 2 und 3. Der Magnetkörper 3 ist in einer stirnseitigen Öffnung 15 der Rotorwelle 6 angeordnet. Die Öffnung 15 weist eine zylindrische Form mit einem kreisrunden Durchmesser auf. Dabei schließt der Magnetkörper 3 mit der Stirnseite 5 der Rotorwelle 6 ab. Die Herstellung des Magnetkörpers 3 erfolgt in der Öffnung 15 selbst durch Einfüllen von Magnetmaterial in die Öffnung 15, anschließendes Durchführen der erforderlichen Prozeßschritte (Sintern etc.) und Aufmagnetisieren. Der dann entsprechend der Form der Öffnung 15 ebenfalls zylindrische Magnetkörper 3 ist dann einstückig mit der Rotorwelle 6 verbunden. Als Material für die Rotorwelle 6 wird Edelstahl verwendet, so dass keine Abschirmung zwischen dem Magnetkörper 3 und der Rotorwelle 6 erforderlich ist. Der Magnetkörper 3 liegt somit ausschließlich unmittelbar an dem Rotorwellengrundkörper 16 an.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen die 4 und 5. Dieses Ausführungsbeispiel ähnelt dem ersten Ausführungsbeispiel in Bezug auf die grundsätzliche Form und Anordnung der beteiligten Bauteile. Anders als dort ist jedoch eine zwischen dem Rotorwellengrundkörper 16 und dem Magnetkörper 3 angeordnete und aus einem nichtmagnetischen Material bestehende rohrförmige Abschirmvorrichtung (Abschirmhülse 17) vorgesehen, die zur Abschirmung der magnetischen Felder zwischen dem Magnetkörper 3 und der Rotorwelle 6 dient. Bei der Herstellung des Drehgebers 2 wird die Abschirmhülse 17 aus Edelstahl zunächst in die Öffnung 15 in der Stirnseite 5 der Rotorwelle 6 eingeführt. Anschließend erfolgt die Herstellung des Magnetkörpers 3, wie oben beschrieben. Die Abschirmhülse 17 wird dann zusammen mit dem Magnetkörper 3 einstückig mit dem Rotorwellengrundkörper 16 verbunden und in der Öffnung 15 fixiert. Der Magnetkörper 3 liegt dann mit seiner Unterseite 18 direkt an dem Rotorwellengrundkörper 16 an, während seine Seitenfläche 19 abgeschirmt ist.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen die 6 und 7. Dieses Ausführungsbeispiel ähnelt dem zweiten Ausführungsbeispiel in Bezug auf die grundsätzliche Form und Anordnung der beteiligten Bauteile sowie der Verwendung einer Abschirmvorrichtung. Anders als dort ist die Abschirmvorrichtung jedoch topfförmig ausgeformt (Abschirmtopf 21), so dass sie den Magnetkörper 3 vollständig von der Rotorwelle 6 abschirmt. Damit kann problemlos auch eine Rotorwelle 6 aus einem magnetischen Material verwendet werden, ohne dass es zu einer Beeinflussung des Magnetfeldes des Magnetkörpers 3 kommt. Der Abschirmtopf 21 stellt sicher, dass überhaupt kein Berührungskontakt zwischen dem Magnetkörper 3 und dem Rotorwellengrundkörper 16 mehr besteht. Bei der Herstellung des Drehgebers 2 wird der Abschirmtopf 17 aus Edelstahl zunächst in die Öffnung 15 in der Stirnseite 5 der Rotorwelle 6 eingeführt. Anschließend erfolgt die Herstellung des Magnetkörpers 3, wie oben beschrieben. Der Abschirmtopf 21 wird, wie oben beschrieben, zusammen mit dem Magnetkörper 3 einstückig mit dem Rotorwellengrundkörper 16 verbunden und in der Öffnung 15 fixiert.

Claims

Elektromotorischer Antrieb (1), mit einem rotorseitig angeordneten Drehgeber (2) mit einem Dauermagnetkörper (3) und einem statorseitig angeordneten Drehgebersensorelement (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Drehgeber (2) in der Rotorwelle (6) integriert und mit dieser einstückig verbunden ist.
Elektromotorischer Antrieb (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnetkörper (3) in einer Öffnung (15) in der Stirnseite (5) der Rotorwelle (6) angeordnet ist.
Elektromotorischer Antrieb (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotorwellengrundkörper (16) und dem Dauermagnetkörper (3) wenigstens teilweise eine aus einem nichtmagnetischen Material bestehende Abschirmvorrichtung (17, 21) angeordnet ist.
Elektromotorischer Antrieb (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmvorrichtung (17) mindestens zwischen einer Begrenzungsfläche (19) des Dauermagnetkörpers (3) und dem Rotorwellengrundkörper (16) angeordnet ist.
Elektromotorischer Antrieb (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmvorrichtung (21) den Dauermagnetkörper (3) derart begrenzt, dass kein Berührungskontakt zwischen dem Dauermagnetkörper (3) und dem Rotorwellengrundkörper (16) besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Drehgebers (2) für einen elektromotorischen Antrieb (1), dadurch gekennzeichnet, dass ein Dauermagnetkörper (3) in eine Öffnung (15) einer Rotorwelle (6) eingebracht wird derart, dass er mit dieser einstückig verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Dauermagnetkörpers (3) in der Öffnung (15) selbst erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Herstellung – eines Gußmagneten (3) auf schmelzmetallurgischem Weg oder – eines Sintermagneten (3) auf pulvermetallurgischem Weg oder – eines plastgebundenen Magneten (3) oder dergleichen durch Einspritzen oder Einpressen in die Öffnung (15).