DE3439341C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung einer magnetischen Vororientierung bei rohrförmigen Bauteilen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, auf ein Verfahren zur Magnetisierung eines Motorläufers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 4 sowie auf die zugehörige Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 5.

Läufer für Schrittmotoren bestehen aus einem Träger mit Welle und dem eigentlichen Rohrmagneten. Dabei ist der Rohrmagnet üblicherweise zwei- bis zwölfpolig magnetisiert, d. h. in Umfangsrichtung sind abwechselnd bis zu sechs Nord- und Südpole vorhanden, die sich über die gesamte axiale Länge des auch als Rotor bezeichneten Bauteiles ausbreiten. Derartige Rohrmagneten zur Verwendung bei elektrischen Maschinen sind beispielsweise aus der DE-OS 16 13 319 bekannt.

Zwecks besserer Handhabung sollen die Rotoren mit Rohrmagnet erst unmittelbar vor Einbau in den Stator magnetisiert werden. Die Magnetisierung erfolgt dabei in einer Magnetisierspule, die beispielsweise aus einer einlagigen Kupferstabwicklung mit sechs Windungen und einem geblechten Eisenkörper besteht, wobei zum Magnetisieren der gesamte Läufer in die Mitte des Blechpaketes geschoben wird und die Wicklung durch eine Kondensatorentladung eines Magnetisiergerätes erregt wird. Aus der US-PS 33 35 377 ist ein Verfahren mit zugehöriger Vorrichtung speziell zum Ma­ gnetisieren von Rotoren für Synchron-Motoren bekannt, mit dem eine definierte Magnetisierung an vorbestimmten Umfangsab­ schnitten des Rotors ermöglicht werden soll.

Zum Erreichen einer optimalen Magnetisierung werden vom Her­ steller des Magnetmaterials die oberflächennahen Bereiche ma­ gnetisch vororientiert. Wegen dieser Vororientierung muß vor der eigentlichen Magnetisierung der Rotor in eine exakte Pol­ teilungslage innerhalb der Magnetisierungsspule gedreht werden.

Beispielsweise besteht der Rohrmagnet des Rotors aus Bariumfer­ rit, das sich in geeigneter Weise pulvermetallurgisch durch Pressen und Sintern zu entsprechenden Bauteilen formen läßt. Zur Erhöhung der Remanenz des Magnetmaterials wird dabei bereits bei der pulvermetallurgischen Herstellung ein Magnetfeld derart angelegt, daß die geforderten magnetischen Vorzugsrichtungen im Bauteil ausgebildet werden.

Da die vororientierten Zonen des Rotors äußerlich nicht sicht­ bar sind, sind zum Eindrehen der Rotoren in die teilungsrich­ tige Lage vor deren Magnetisierung spezielle Verfahren notwen­ dig. In der Praxis geschieht dies bisher durch Vorschaltung einer Zusatz-Impedanz zur Magnetisierungsspule, so daß zunächst ein langsam ansteigender Erregerstrom die Drehung der leicht­ gängig gelagerten Rotoren in die richtige Lage bewirkt. Anschlie­ ßend kann der Hauptimpuls zur eigentlichen Magnetisierung erfol­ gen. Nachteilig ist dabei allerdings, daß durch Schmutzteile die Leichtgängigkeit der Rotoren in der Spule nicht immer gewähr­ leistet ist, wodurch die Magnetisierung in vielen Fällen nicht optimal erfolgen kann.

Aus der DE-OS 28 25 214 ist zwar bereits ein magnetisches Kon­ trollverfahren für die Gütekennwerte von Gegenständen aus ferromagnetischen Werkstoffen und beliebiger Form bekannt, bei dem der Gegenstand senkrecht zu dessen Kontrollfläche im Kon­ trollgebiet magnetisiert wird und gleichzeitig mit magnetischen Fühlern im Kontrollgebiet der Gradient der Tangentialkomponente gemessen wird. Bei der zugehörigen Einrichtung ist ein senk­ recht zu seiner den magnetischen Fühlern zugekehrten wirksamen Fläche magnetisierter Gradmagnet in einem Gehäuse angeordnet, mit dem der zu untersuchende Gegenstand abgetastet wird. Damit ist eine Kontrolle mechanischer und magnetischer Eigenschaften und eine Ermittlung von Fehlern nach Art der Erfassung einer Kontinuitätsstörung möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren zum Erkennen einer magnetischen Vororientierung anzugeben. Dieses Verfahren soll zur Magnetisierung von vororientierten Bauteilen in teilungsrichtiger Lage anwendbar sein, wozu eine zugehörige Vorrichtung geschaffen werden soll.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk­ male des Patentanspruches 1 gelöst. Die Anwendung eines solchen Verfahrens zur Magnetisierung eines Motorläufers ist im Kennzei­ chen des Patentanspruches 4, die zugehörige Vorrichtung im Kenn­ zeichen des Patentanspruches 5 aufgegeben. Die Unteransprüche enthalten jeweils vorteilhafte Weiterbildungen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Möglichkeit gege­ ben, die Lage der Vororientierung von rohrförmigen Bauteilen in einfacher Weise abzutasten, da in den vororientierten Polzonen Außen-Streufelder doppelter Polzahl entstehen. Dadurch kann ein solches Verfahren in vorteilhafter Weise zur Positionierung beim Magnetisieren von Motorläufern verwendet werden. Eine vor­ handene Magnetisierungseinrichtung mit einer Magnetiesierungs­ spule und einem Magnetisiergerät kann zu diesem Zweck derart komplettiert werden, daß der Magnetisierungsspule ein Führungs­ schlitten zugeordnet ist, der einen Hubzylinder und ein Getrie­ be mit Antriebsmotor aufweist und mit einer Spannzange zur axialen Verschiebung und Verdrehung des Bauteiles gegenüber der Achsebene der Magnetisierungsspule verbunden ist, wobei außerhalb der Magnetisierungsspule ein Aufsprechkopf sowie wenigstens ein Hallgenerator in fester räumlicher Zuordnung zur Magnetisierungsspule und Führungsschlitten angeordnet sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei­ spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentan­ sprüchen. Es zeigen

Fig. 1 und 2 einen rohrförmigen Magneten zur Verwendung als Läufer bei Schrittmotoren mit angedeuteter Magnetisierung in Seitenansicht und Draufsicht,

Fig. 3 und 4 die Magnetisierung des Bauteils nach Fig. 1 und 2 in einer Magnetsierungsspule in zwei unterschied­ lichen Polteilungslagen jeweils im Teilschnitt,

Fig. 5 das Erzeugen von oberflächennahen Stabmagneten am Bauteil mittels eines Aufsprechkopfes,

Fig. 6 den Aufsprechkopf mit zugehörigen Hallgeneratoren als magnetischer Sensor,

Fig. 7 ein mittels Hallgeneratoren aufgenommenes Meßsig­ nal und

Fig. 8 den schematischen Aufbau einer Magnetisie­ rungseinrichtung.

Die Figuren sind nicht maßstabsgerecht zueinander dar­ gestellt. Identische Teile sind mit den glei­ chen Bezugszeichen versehen. Nachfolgend werden die Figuren teilweise zusammen beschrieben:

In Fig. 1 und Fig. 2 ist ein Rohrmagnet 100 dargestellt, welcher an seiner äußeren Oberfläche magnetisiert ist. Dabei sind in Umfangsrichtung jeweils abwechselnd sechs Nord- und Südpole vorhanden, die sich entsprechend Fig. 1 über die gesamte axiale Länge des Rohrmagneten 100 ausbreiten. Die magnetisierten Zo­ nen mit jeweils entgegengesetzten Feldlinien nach Fig. 2 sind im einzelnen mit 101 bis 112 bezeichnet. Hierzu entsprechend ist in der Seitenansicht nach Fig. 1 eine Struktur angedeutet.

Aus solchen Bauteilen sollen Läufer für Schrittmotoren aufgebaut werden. Dazu werden die Rohrmagnete 100 im Inneren mit einem Träger 10 versehen, welcher eine Drehachse 1 aufweist. Insgesamt wird so ein Rotor gebildet, auf den nachfolgend Bezug genommen wird.

Die Magnetisierung von Motorenläufern wird üblicher­ weise in sogenannten Magnetisierungsspulen durchge­ führt, was als "Prägen" bezeichnet wird. Zur Erzielung einer hohen Magnetenergie beim Prägen bestehen die Läu­ fer aus vororientierten Bariumferrit oder ähnlichen Materialien, wobei die Vororientierung bei der pulvermetallurgischen Ferti­ gung solcher Formteile erfolgt. Vor der eigentlichen Magnetisierung wurden bisher die oben beschriebenen Rotoren 100 mittels eines Vorimpulses in die geeignete Polteilungslage innerhalb der Magnetisierspule gedreht, wozu ein Rotor 100 in wenigen Millisekunden beschleunigt oder abgebremst werden muß.

In Fig. 3 ist der Rotor 100 innerhalb einer Magnetisie­ rungsspule nach dem Eindrehen in korrekte Polteilungs­ lage dargestellt. Es bedeuten 200 aus geblechtem Ei­ senpaket gebildete Windungen einer Magnetisierungs­ spule, die in Fig. 2 nicht im einzelnen dargestellt ist. Die Windungen 200 sind konzentrisch so gelegt, daß zwölf Polschuhe 201 bis 212 gebildet werden, wobei auf­ grund einer mäanderförmigen Wicklungsanordnung bei den Windungen 200 sich durch Gleichstromerregung umschichtig Nord- bzw. Südpole ergeben.

Zwischen Spulen-Innendurchmesser und Rotor-Außendurch­ messer besteht ein Spalt d von ca. 30 µm. Wenn in der korrekten Polteilungslage magnetisiert wird, ergeben sich die in Fig. 3 eingezeichneten Feldlinien, womit die gemäß Fig. 2 geforderte Magnetisierung entsprechend der Vororientierung erreicht ist.

Das Magnetisierungsverfahren des Standes der Technik funk­ tioniert nur dann einwandfrei, wenn sich der Rotor 100 nahezu reibungslos in der Magnetisierspule 200 bewegen kann und wenn eine niedrige Polzahl gegeben ist. Tat­ sächlich wird aber durch Staubteile oder Haftreibung, was sich aufgrund des geringen Abstandes nicht vermei­ den läßt, das polgerechte Eindrehen behindert. Im un­ günstigsten Fall kann beispielsweise eine Magnetisie­ rung in einer Lage gemäß Fig. 4 erfolgen. Es ist ersicht­ lich, daß sich dann die Feldlinien der vororientierten Bereiche 101 bis 112 im Rotor 100 mit den Feldlinien der Polschuhe 201 bis 212 der Magnetisierwicklung 200 über­ schneiden. Die eigentliche Magnetisierung erfolgt dadurch außerhalb der vororientierten Polteilung, wodurch die Magnetenergie wesentlich kleiner als die theoretisch erreichbare ist.

Eine Analyse der physikalischen Gegebenheiten der vor­ orientierten Rotoren zeigt, daß jeweils an der Oberflä­ che Zonen vorliegen, die sich durch ihre magnetische Leitfähigkeit extrem unterscheiden. Aus Fig. 3 ist er­ sichtlich, daß diese Materialzonen unter den Polschuhen in radialer Richtung ausgerichtet sind, während sie un­ ter den Wicklungen vorzugsweise in Umfangsrichtung lie­ gen. Die Gesetzmäßigkeit kann nun zur Erkennung der Zonen selbst genutzt werden:

In Fig. 5 ist gezeigt, daß ein Rotor 100 mit den Zonen 101 bis 112 an einem Aufsprechkopf 300 mit zwei Pol­ schuhen 301 und 302 vorbeibewegt wird. Durch den schma­ len Spalt zwischen den Polschuhen 301 und 302 des Auf­ sprechkopfes 300 wird ein schmales gleichbleibendes Streufeld erzeugt. Wird der Rotor 100 an diesem Streufeld vorbei gedreht, kann der gesamte Umfang oberflächennah magnetisiert werden. Beispielsweise ergibt sich eine Magnetisiertiefe von etwa 0,3 bis 0,5 mm. Aufgrund der unterschiedlichen magnetischen Oberflächenleitfähigkeit des Materials bilden sich nun aber in der Zone der um­ fangsgerichteten Vororientierung des Materials Stab­ magnete 121 bis 132 aus, während speziell die radial gerichteten Polzonen nahezu unmagnetisch bleiben. Die so erzeugte Längsmagnetisierung an der Umfangsoberfläche kann in einfacher Weise mit magnetflußempfindlichen Hallgenera­ toren gemessen werden.

In Fig. 6 ist eine derartige Anordnung gezeigt, bei der wiederum der Rotor 100 und der Aufsprechkopf 300 mit Joch 310, Endteil 320 und den Polschuhen 301 und 302 vorhanden ist. Gegenüber dem Aufsprechkopf 300 sind symmetrisch zueinander zwei Hallgeneratoren 330 und 340 angeordnet. Eine sich an einem der Hallgeneratoren 330 bzw. 340 bei Drehung des oberflächenmagnetisierten Rotors 100 ergebende Signalkurve ist in Fig. 7 darge­ stellt und wird weiter unten erläutert.

Der Aufsprechkopf 300 zum Aufsprechen einer um­ fangsgerichteten Magnetisierung auf den Rotor 100 ist gleichstromerregt und wird für einen überdeckenden Umlauf eines Rotors 100 ca. 1,5 s eingeschaltet. Bei einem Umlauf des Rotors 100 ergeben sich an der Umfangsober­ fläche nicht nur Unterschiede in der Magnetfeldstärke, sondern auch in der Polzahl: Durch die Ausbildung stabförmiger Magnete im Teilungsbereich der Wicklungen liegt nämlich der Streufluß dieser Magnete zum eigenen Gegenpol hin in der Vorzugsrichtung des vororientierten Bereiches. Es tritt also in diesen Zonen wenig oder kein Streufluß nach außen auf. Dagegen wird in den der Magnetisierungsspule entsprechenden Polzonen die Streu­ ung der Magnete zu den jeweiligen Nachbarpolen durch die radiale Materialanordnung behindert. Der Magnetfluß tritt hier nach außen. Damit entstehen jetzt jeweils zwölf Nordpole und zwölf Südpole. Letzteres ist aus dem Diagramm nach Fig. 7 ersichtlich und wird durch eine Messung bestätigt.

Die Meßkurve zeigt in etwa einen sinusförmigen Verlauf, welcher der Längsmagnetisierung der Umfangsoberfläche entspricht. Durch den jeweiligen Nulldurchgang und die Polarität der Hall­ spannung kann die Polteilung im einzelnen bestimmt wer­ den; zusätzlich kann dabei das Signal des zweiten Hall­ generators 340, der gegenüber dem Hallgenerator 330 versetzt angeordnet ist, verwendet werden.

Bei der Hallspannungsmessung ist die relative Höhe der Signalamplitude nicht entscheidend; es kommt lediglich auf die Nulldurchgänge an. Da letztere spezifisch für die Lage der Magnetisierung sind, können sie zum Einre­ geln in die korrekte Polteilungslage verwendet werden.

Anhand Fig. 8 wird eine Vorrichtung zum Magnetisieren von Mo­ torläufern unter Verwendung des oben beschriebenen Ver­ fahrens im einzelnen beschrieben: Der in ei­ nem Gehäuse 400 fest angeordneten Magnetisierungsspule 200 gemäß Fig. 3 ist ein ortsfest angeordneter Schlitten 405 mit daran angeordnetem Hubzylinder 406, Getriebe 407 und zugehörigem Antriebsmotor 408 zugeordnet. Mit­ tels dieser mechanischen Einrichtungen zur Relativver­ schiebung des Rotors 100 in bezug auf das ortsfeste Gehäuse 400 der Magnetisierungsspule 200 kann der Rotor 100 nach Einregelung in eine polteilungsgerechte Lage durch eine Linearbewegung in das Gehäuse 400 der Magne­ tisierungsspule 200 eingeschoben werden. Zur Handhabung des Rotors 100 ist ein Spannmagnet 404 vorhanden. Wei­ terhin ist der mechanischen Einrichtung eine Prozessor­ einheit 410 zur Signalerfassung und Ablaufsteuerung so­ wie ein übliches Magnetisiergerät 420 zugeordnet.

Zur Magnetisierung wird nunmehr folgendermaßen vorgegan­ gen: Nach Einbringen des Rotors 100 in den Spannmagne­ ten 404 außerhalb der Magnetisierungsspule 400 wird der Rotor 100 unter leichtem Andruck an den eingeschalteten Aussprechkopf 300 vorbeigefahren und oberflächenmagne­ tisiert. Bei Drehung um 370°, also einer Volldrehung von 360° kann das Hallspannungssig­ nal U _H von den Hallgeneratoren 330 und 340 aufgenommen und an die Einheit 410 gegeben werden. Durch geeignete Signal-Verarbei­ tung der Signale kann gleichermaßen der Einregelvorgang erfolgen, wodurch der Rotor 100 mittels Antriebsmo­ tor 408 und Getriebe 407 in die geforderte polteilungs­ gerechte Lage gedreht wird. Mittels der mechanischen Hubeinrichtung 405 bzw. 406 wird dann der Spannmagnet 404 einschließlich Rotor 100 in die Magnetisierungsspu­ le eingeschoben, wonach dann die magnetische Prägung durch das Magnetisiergerät unmittelbar erfolgen kann.

Da nunmehr die Drehbewegung des Rotors 100 mittels Drehantrieb kraftschlüssig außerhalb der Magnetisie­ rungsspule 400 erfolgt, sind Staubteilchen oder Haft­ reibung bedeutungslos. Die Absenkbewegung ist dagegen genau durchführbar, so daß nunmehr die Magnetenergie durch die Magnetisierungseinrichtung optimal ausgenutzt wird. Zusätzlich ist jetzt durch die außerhalb der Mag­ netisierungsspule angeordneten Hallgeneratoren die Mög­ lichkeit gegeben, unmittelbar anschließend die Qualität der Magnetisierung durch quantitative Messungen zu prüfen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erkennung einer magnetischen Vororientierung bei rohrförmigen Bauteilen mit unterschiedlich vororientierten Umfangsbereichen, insbesondere bei Motorläufern, dadurch gekennzeichnet, daß das rohr­ förmige Bauteil (100) um seine Achse drehend mit den vororien­ tierten Umfangsbereichen an seinem Aufsprechkopf (300) vorbei­ bewegt wird, daß das Bauteil (100) an der Umfangsoberfläche magnetisiert wird, wodurch sich zwischen den vororientierten Umfangsbereichen (101 bis 112) eine Längsmagnetisierung (121 bis 132) ausbildet, bei der die Flußlinien in der Vorzugs­ richtung der vororientierten Umfangsbereiche verlaufen, und daß die Magnetisierung an der Umfangsoberfläche des Bauteils (100) mittels eines magnetischen Sensors (330, 340) gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als magnetischer Sensor Hallgeneratoren (330, 340) verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das die Vororientierung des Bauteiles (100) kennzeichnende Signal der Hallgeneratoren (330, 340) für Steuer- und Regelzwecke verwendet wird.

4. Verfahren zur Magnetisierung eines Motorläufers in einer Magnetisierungsspule unter Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Motorläufer (100) außerhalb der Magnetisierungsspule (200, 400) in eine polteilungsgerechte Lage der vororientierten Umfangsbereiche (101-112) gedreht, in der polteilungsgerechten Lage fixiert und in die Magnetisie­ rungsspule (200, 400) eingeschoben wird, in der der Motorläufer (100) magnetisiert wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer Magne­ tisierungsspule (400) ein Führungsschlitten (405) zugeordnet ist, der einen Hubzylinder (406), ein Getriebe (407) mit An­ triebsmotor (408) und eine Spannzange (404) zur axialen Ver­ schiebung und zur Verdrehung des Motorläufers (100) gegenüber der Achsebene der Magnetisierungsspule (400) aufweist, und daß außerhalb der Magnetisierungsspule (400) ein Aufsprechkopf (300) sowie wenigstens ein Hallgenerator (330, 340) in fester räum­ licher Zuordnung zur Magnetisierungsspule (400) und Führungs­ schlitten (405) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Hallgeneratoren (330, 340) symme­ trisch zum Aufsprechkopf (300) gegenüberliegend angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ablaufsteuerung des Er­ kennens der Vororientierung der Umfangsbereiche des Motorläu­ fers (100) und des Positionierens des Motorläufers (100) in der Magnetisierungsspule (400) eine Steuer- und Regeleinheit (410), vorzugsweise ein µ-Prozessor, vorhanden ist.