WO2007101760A1 - Elektrische maschine mit abgeschirmtem, streufeldempfindlichem sensor - Google Patents

Elektrische maschine mit abgeschirmtem, streufeldempfindlichem sensor Download PDF

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WO2007101760A1
WO2007101760A1 PCT/EP2007/050981 EP2007050981W WO2007101760A1 WO 2007101760 A1 WO2007101760 A1 WO 2007101760A1 EP 2007050981 W EP2007050981 W EP 2007050981W WO 2007101760 A1 WO2007101760 A1 WO 2007101760A1
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Markus Knorr
Georg Schlatterer
Dominik Schury
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    • 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
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an electrical machine having a first active part, a second active part, which interacts with the first active part, and a sensor device for determining a kinematic variable between the first and the second active part.
  • a position signal for the determination of the current commutation and / or for position control is required gel.
  • This signal is usually obtained by an external, independent of the active parts of the engine position measuring system.
  • tachogenerators can be used for speed detection, but they play only a minor role in direct drives.
  • the eddy current principle be measured Ferraris sensors are well suited, the material measure, consists of a non magneti ⁇ rule metal strip, usually made of aluminum based.
  • the sensors mentioned are more or less sensitive to stray magnetic fields, which are inevitably radiated from the electrical machines.
  • measurement errors or even the destruction of the sensor therefore occur with corresponding proximity of the sensors sensitive to leakage on the active parts of the motor.
  • the object of the present invention is therefore to reduce the measurement error frequency in kinematic variables in an electrical machine with straufeidwen sensors.
  • an electrical ⁇ specific machine comprising a first active part, a second active portion which cooperates with the first active part, and ei ⁇ ner sensor means for detecting a kinematic size between the first and the second active part, wherein said sensor means sensitive to a magnetic stray field, the sensor device is mounted on one of the two active parts or in geometrically determined relative position to the active parts of a machine component and between the sensor device on the one hand and one or both active parts on the other hand, a magnetic Ableein ⁇ direction is arranged.
  • the shielding according to the invention makes it possible to integrate magnetic stray-sensitive sensors, for example into a synchronous servo motor, in order to determine kinematic variables such as acceleration, speed or position for controlling these variables or for determining the pole position or the commutation angle during converter operation capture.
  • the electric machine is designed as a linear motor, wherein the two active parts represent the primary part and secondary part.
  • the linear position of the primary part can be determined with a reduced measurement error frequency.
  • the electric machine according to the invention can also be designed as a torque motor, wherein the two active parts represent the rotor and stator. In this case, kinematic rotational magnitudes of the rotor can be better detected due to the shielding of stray-sensitive sensors.
  • the magnetic shielding device preferably consists essentially of a magnetically conductive metal sheet. Such a sheet can be almost any shape, so that only little space is needed.
  • a preferred embodiment is attached to a scannable by the sensor device Material measure to which an active part of the sensor device and to the other active ⁇ part.
  • the magnetic shielding device can be a housing of the sensor device, which can be fastened to the corresponding active part. So that the shield comes to multi-functionality, because it does not serve only to Abschir ⁇ tion, but also to protect against dirt, etc.
  • the magnetic shielding device is attached directly to the sensor device. This must, in the case of a linear motor, not all Se ⁇ be shielded secondary part, but it is sufficient if the shipment sor annoying itself is shielded.
  • FIG. 1 shows a cross section through a linear motor according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 2 shows a cross section through a linear motor according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG 1 the basic structure is a linear motor OF INVENTION ⁇ to the invention shown in cross section.
  • a primary part 1 is occupied over a secondary part, the magnets, with permanent ⁇ moved.
  • a sensor 4 is attached on the primary part 1, a sensor 4 is attached. This scans a material measure 5, which extends along the secondary part 2 parallel to this he ⁇ stretches.
  • Both the primary part 1 and the permanent magnets 3 of the secondary part 2 each generate an electrical stray field which also influences the sensor 4.
  • a shielding plate 6 is now arranged between the primary part 1 and the sensor 4, but also between the secondary part 2 and the sensor 4. In the present example, this shielding plate 6 is attached to the secondary part 2.
  • FIG 1 only one sensor 4 is indicated. On the primary part, however, several stray sensitive sensors for kine ⁇ matic sizes a Ferrari sensor may be mounted, for example, next to a magnetic position sensor for measuring acceleration.
  • a further alternative consists in that the sensor or sensors is arranged on the secondary part and the measuring standard 5 on the primary part. Essential is diglich, that the shield 6 holds stray fields of primary and / or secondary part.
  • the magnetically conductive material located in the region between the magnets and the stray field-sensitive sensor should have a very high relative permeability, e.g. ⁇ r ⁇ 100,000, own.
  • transformer plate in direct drives has approximately a relative permeability of ⁇ r ⁇ 5,000 to 10,000. With this shield, a magnetically uncritical space can be created for the sensor 4.
  • FIG 1 takes the Abschir ⁇ mung by a simple bar 6.
  • the shield but also assume a different shape.
  • a housing can be selected for shielding the sensor and the material measure with simultaneous attachment function.
  • the magnetically shielding part can also be fastened on the sensor head sensitive to scattering, as shown in FIG.
  • the illustration of the primary part is omitted in FIG. With regard to the stray field generation, only the secondary part 10 with magnets 11 is shown.
  • a sensor 12, which is connected to the primary part, not shown, moves relative to a material measure 13.
  • a shield plate 14 is attached directly to the sensor head or sensor 12. However, this means that a relative speed results between the magnetically shielding material and the stray magnetic field.
  • an electrically conductive shielding material is to be introduced between the secondary part 10 and the magnetic shielding plate 14.
  • an electrically conductive shielding plate 15 is provided for this purpose, which is fastened to the magnetic shielding plate 14.
  • electrical Shielding material is used for example copper. In this way, the eddy current effects on the sensor 12 can be effectively damped.
  • the magnetic shield 6 and 14 provides protection during installation against accidental contact of the magnetically sensitive sensor 4, 12 with permanent magnetic direct drive parts.
  • Another advantage of the shield 6,14 is that it can be used as a substrate, for mounting purposes and as a housing for Maisverkörpe ⁇ tion or the sensor or both. Overall, it is in any case an increase in Messge ⁇ accuracy achieved compared to a to magnetic stray fields non-protected sensor device.

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Abstract

Die Messgenauigkeit von streuf eidempfindlichen Sensoren an elektrischen Maschinen soll verbessert werden. Hierzu ist eine elektrische Maschine vorgesehen, bei der die gegenüber magnetischen Streufeldern empfindliche Sensoreinrichtung (4) an eines der beiden Aktivteile (1) oder in definierter Relativposition zu den Aktivteilen montiert ist. Zwischen der Sensoreinrichtung (4) einerseits und einem oder beiden Aktivteilen (1) andererseits ist eine magnetische Abschirmeinrichtung (6) angeordnet. Somit haben die magnetischen Streufelderkeinen Einfluss mehr auf die Sensoreinrichtung (4), so dass deren Messgenauigkeit zunimmt.

Description

Beschreibung
Elektrische Maschine mit abgeschirmtem, streufeidempfindli¬ chem Sensor
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem ersten Aktivteil, einem zweiten Aktivteil, das mit dem ersten Aktivteil zusammenwirkt, und einer Sensoreinrichtung zum Ermitteln einer kinematischen Größe zwischen dem ersten und dem zweiten Aktivteil.
Zum Umrichterbetrieb eines Synchronservomotors ist in der Re¬ gel ein Lagesignal für die Bestimmung des momentanen Kommutierungswinkels und/oder zur Positionsregelung erforderlich. Dieses Signal wird üblicherweise durch ein externes, von den Aktivteilen des Motors unabhängiges Lagemesssystem gewonnen. Aus Kostengründen und wegen der Robustheit gegen Verschmut¬ zung werden hierfür immer häufiger magnetische statt optische Maßverkörperungen mit entsprechenden magnetischen Abtastprin- zipien eingesetzt. Zur Geschwindigkeitserfassung können prinzipiell Tachogeneratoren eingesetzt werden, insbesondere bei Direktantrieben spielen sie aber nur eine untergeordnete Rolle. Zur Erfassung der Relativbeschleunigung hingegen sind auf Basis des Wirbelstromprinzips messende Ferraris-Sensoren sehr gut geeignet, deren Maßverkörperung aus einer nicht magneti¬ schen Metallleiste, meist aus Aluminium, besteht.
Die genannten Sensoren sind mehr oder weniger empfindlich gegenüber magnetischen Streufeldern, die aber zwangsläufig von den elektrischen Maschinen abgestrahlt werden. Insbesondere bei Direktantrieben (Linear- und Torquemotoren) kommt es daher bei entsprechender Nähe der streufeidempfindlichen Sensoren an den Aktivteilen des Motors zu Messfehlern oder gar zur Zerstörung des Sensors.
Hinsichtlich dieser Problematik wird bislang bei den magnetischen Lagemesssystemen deswegen darauf hingewiesen, dass ein gewisser Abstand zu starken Magneten eingehalten werden muss. Dies steht jedoch einer möglichst kompakten Bauweise und ei¬ ner auch aus regelungstechnischen Gründen häufig vorteilhaften Integration eines solchen Sensors direkt in oder an die Motorkomponenten entgegen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, bei einer elektrischen Maschine mit streufeidempfindlichen Sensoren die Messfehlerhäufigkeit bei kinematischen Größen zu reduzieren .
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektri¬ sche Maschine mit einem ersten Aktivteil, einem zweiten Aktivteil, das mit dem ersten Aktivteil zusammenwirkt, und ei¬ ner Sensoreinrichtung zum Ermitteln einer kinematischen Größe zwischen dem ersten und dem zweiten Aktivteil, wobei die Sensoreinrichtung empfindlich gegenüber einem magnetischen Streufeld ist, die Sensoreinrichtung an eines der beiden Aktivteile oder in geometrisch bestimmter Relativposition zu den Aktivteilen an eine Maschinenkomponente montiert ist und zwischen der Sensoreinrichtung einerseits und einem oder beiden Aktivteilen andererseits eine magnetische Abschirmein¬ richtung angeordnet ist.
In vorteilhafter Weise ist durch die erfindungsgemäße Ab- schirmung möglich, magnetisch streufeidempfindliche Sensoren beispielsweise in einen Synchronservomotor zu integrieren, um kinematische Größen wie beispielsweise die Beschleunigung, die Geschwindigkeit oder die Lage zur Regelung dieser Größen bzw. zur Bestimmung der Pollage oder des Kommutierungswinkels beim Umrichterbetrieb zu erfassen.
Vorzugsweise ist die elektrische Maschine als Linearmotor ausgestaltet, wobei die beiden Aktivteile den Primärteil und Sekundärteil darstellen. In diesem Fall lässt sich beispiels- weise die Linearposition des Primärteils mit verringerter Messfehlerhäufigkeit ermitteln. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann aber auch als Torquemotor ausgestaltet sein, wobei die beiden Aktivteile den Rotor und Stator darstellen. In diesem Fall können kinematische Rotationsgrößen des Rotors wegen der Abschirmung von streufeidempfindlichen Sensoren besser erfasst werden.
Vorzugsweise besteht die magnetische Abschirmeinrichtung im Wesentlichen aus einem magnetisch leitfähigen Blech. Ein derartiges Blech lässt nahezu beliebig formen, so dass nur wenig Bauraum benötigt wird.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ist an das eine Aktivteil die Sensoreinrichtung und an das andere Aktiv¬ teil eine von der Sensoreinrichtung abtastbare Maßverkörpe- rung angebracht. Damit kann eine sehr präzise Erfassung der relativen Lage der beiden Aktivteile zueinander durchgeführt werden .
Die magnetische Abschirmeinrichtung kann ein Gehäuse der Sen- soreinrichtung sein, welches an das entsprechende Aktivteil befestigbar ist. Damit kommt der Abschirmeinrichtung Mehrfachfunktionalität zu, denn sie dient nicht nur zur Abschir¬ mung, sondern auch zum Schutz gegen Verschmutzungen etc.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die magnetische Abschirmeinrichtung unmittelbar an der Sensoreinrichtung befestigt ist. Dadurch muss im Falle eines Linearmotors nicht der gesamte Se¬ kundärteil abgeschirmt sein, sondern es genügt, wenn die Sen- soreinrichtung selbst abgeschirmt ist.
In gewissen Fällen kann es günstig sein, wenn zwischen der magnetischen Abschirmeinrichtung und einem der beiden Aktivteile eine elektrische Abschirmeinrichtung angeordnet ist. Dies ist dann günstig, wenn in der magnetischen Abschirmeinrichtung Wirbelströme entstünden, die den Sensor beeinflussen . Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in den zeigen:
FIG 1 einen Querschnitt durch einen Linearmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und FIG 2 einen Querschnitt durch einen Linearmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. In FIG 1 ist der prinzipielle Aufbau eines erfin¬ dungsgemäßen Linearmotors im Querschnitt wiedergegeben. Ein Primärteil 1 ist über einem Sekundärteil, das mit Permanent¬ magneten besetzt ist, verfahrbar. An dem Primärteil 1 ist ein Sensor 4 befestigt. Dieser tastet eine Maßverkörperung 5 ab, die sich längs des Sekundärteils 2 parallel zu diesem er¬ streckt .
Sowohl das Primärteil 1 als auch die Permanentmagnete 3 des Sekundärteils 2 erzeugen jeweils ein elektrisches Streufeld, das auch den Sensor 4 beeinflusst. Zur Abschirmung dieser Streufelder ist nun zwischen dem Primärteil 1 und dem Sensor 4, aber auch zwischen dem Sekundärteil 2 und dem Sensor 4 ein Abschirmblech 6 angeordnet. Im vorliegenden Beispiel ist die- ses Abschirmblech 6 an dem Sekundärteil 2 befestigt.
Für den Fall, dass das Primärteil auch mit den Permanentmag¬ neten besetzt ist, genügt es, das Abschirmblech zwischen dem Primärteil 1 und den Sensor 4 zu platzieren, da das Sekundär- teil 2 in diesem Fall kein magnetisches Streufeld produziert.
In FIG 1 ist nur ein Sensor 4 angedeutet. An dem Primärteil können aber auch mehrere streuempfindliche Sensoren für kine¬ matische Größen angebracht sein, beispielsweise neben einem magnetischen Lagesensor ein Ferrarissensor zur Beschleunigungsmessung. Eine weitere Alternative besteht darin, dass der oder die Sensoren an dem Sekundärteil und die Maßverkörperung 5 an dem Primärteil angeordnet ist. Wesentlich ist Ie- diglich, dass das Abschirmblech 6 Streufelder von Primär- und/oder Sekundärteil abhält.
Das im Bereich zwischen den Magneten und dem streufeldemp- findlichen Sensor befindliche magnetisch leitfähige Material sollte eine sehr hohe relative Permeabilität, z.B. μr ~ 100.000, besitzen. Im Vergleich hierzu hat Trafoblech in Direktantrieben etwa eine relative Permeabilität von μr ~ 5000 bis 10.000. Mit dieser Abschirmung lässt sich für den Sensor 4 ein magnetisch unkritischer Raum schaffen.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel von FIG 1 erfolgt die Abschir¬ mung durch eine einfache Leiste 6. Entsprechend den konkreten Gegebenheiten kann die Abschirmung aber auch eine andere Form annehmen. Beispielsweise kann zur Abschirmung auch ein Gehäuse um den Sensor und die Maßverkörperung mit gleichzeitiger Befestigungsfunktion gewählt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann das magnetisch ab- schirmende Teil auch am streufeidempfindlichen Sensorkopf selbst befestigt sein, wie dies in FIG 2 dargestellt ist. Auf die Darstellung des Primärteils ist in FIG 2 verzichtet. Hinsichtlich der Streufelderzeugung ist lediglich das Sekundärteil 10 mit Magneten 11 dargestellt. Ein Sensor 12, der mit dem nicht dargestellten Primärteil verbunden ist, bewegt sich relativ zu einer Maßverkörperung 13. Ein Abschirmblech 14 ist direkt an dem Sensorkopf bzw. Sensor 12 befestigt. Dies bedeutet jedoch, dass sich zwischen dem magnetisch abschirmenden Material und dem magnetischen Streufeld eine Re- lativgeschwindigkeit ergibt. Daher kommt es bei Geschwindig¬ keiten ungleich 0 zu Wirbelströmen im magnetischen Abschirmmaterial 14, welche wiederum Störfelder auf dem streuempfind¬ lichen Sensor 12 bewirken können. Um diese Einflüsse zu minimieren ist daher zwischen dem Sekundärteil 10 und dem magne- tischen Abschirmblech 14 ein elektrisch leitendes Abschirmmaterial einzubringen. Im vorliegenden Fall ist hierfür ein elektrisch leitendes Abschirmblech 15 vorgesehen, das an dem magnetischen Abschirmblech 14 befestigt ist. Als elektrisches Abschirmmaterial wird beispielsweise Kupfer verwendet. Auf diese Weise lassen sich die Wirbelstromeffekte auf den Sensor 12 wirkungsvoll dämpfen.
In vorteilhafter Weise bietet das magnetische Abschirmblech 6 bzw. 14 Schutz bei der Montage gegen versehentlichen Kontakt des magnetisch empfindlichen Sensors 4, 12 mit permanentmagnetischen Direktantriebsteilen. Ein weiterer Vorteil des Abschirmblechs 6,14 liegt darin, dass es als Trägermaterial, für Befestigungszwecke und als Gehäuse für die Maßverkörpe¬ rung oder den Sensor oder beides verwendet werden kann. Insgesamt lässt sich auf alle Fälle eine Steigerung der Messge¬ nauigkeit im Vergleich zu einer gegenüber magnetischen Streufeldern nicht geschützten Sensoreinrichtung erreichen.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine mit
- einem ersten Aktivteil (1), - einem zweiten Aktivteil (2,10), das mit dem ersten Aktivteil (1) zusammenwirkt, und
- einer Sensoreinrichtung (4,12) zum Ermitteln einer kinematischen Größe zwischen dem ersten und dem zweiten Aktivteil, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass,
- die Sensoreinrichtung (4,12) empfindlich gegenüber einem magnetischen Streufeld ist,
- die Sensoreinrichtung (4,12) an eines der beiden Aktivteile oder in geometrisch bestimmter Relativposition zu den Ak- tivteilen an eine Maschinenkomponente angebracht ist und
- zwischen der Sensoreinrichtung (4,12) einerseits und einem oder beiden Aktivteilen andererseits eine magnetische Ab¬ schirmeinrichtung (6,14) angeordnet ist.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, die als Linearmotor ausgestaltet ist, wobei die beiden Aktivteile das Primärteil und das Sekundärteil darstellen.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, die als Torquemotor ausgestaltet ist, wobei die beiden Aktivteile den Rotor und
Stator darstellen.
4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetische Abschirmeinrichtung (6,14) im We- sentlichen aus einem magnetisch leitfähigen Blech besteht.
5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, wobei an das eine Aktivteil die Sensoreinrichtung (4, 12) und an das andere Aktivteil eine von der Sensoreinrich- tung abtastbare Maßverkörperung direkt oder indirekt ange¬ bracht ist.
6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, wobei die magnetische Abschirmeinrichtung (6,14) ein Gehäuse der Sensoreinrichtung ist, welches an das entsprechende Aktivteil befestigbar ist.
7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetische Abschirmeinrichtung (6,14) unmit¬ telbar an der Sensoreinrichtung (12) befestigt ist.
8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, wobei zwischen der magnetischen Abschirmeinrichtung (14) und einem der beiden Aktivteile (10) eine elektrische Ab¬ schirmeinrichtung (15) angeordnet ist.
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