Bürstenlose elektrische Maschine

Die Erfindung betrifft eine bürstenlose elektrische Maschine, insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor, mit einem Gehäuse, mit wenigstens einem Rotor, der auf einer in dem Gehäuse drehbar gelagerten Welle angeordnet ist, und mit einem gehäusefesten Stator sowie einer

Rotorlagererkennungseinrichtung, die dem Rotor zugeordnet ist.

Stand der Technik

Bürstenlose elektrische Maschinen sind aus dem Stand der Technik

grundsätzlich bereits bekannt. Diese werden vielseitig verwendet und kommen insbesondere auch im Kraftfahrzeugbau zum Einsatz. Dort werden sie beispielsweise als Stellmotoren, Antriebsmotoren oder dergleichen genutzt. Bürstenlose Maschinen haben den Vorteil, dass auf eine mechanische

Kommutierung verzichtet wird, wodurch mechanischer Verschleiß reduziert wird. Um jedoch eine derartige Maschine korrekt ansteuern zu können, ist es wichtig, die Rotorlage beziehungsweise den Drehwinkel des Rotors zu kennen. Hierzu werden bevorzugt Rotorlageerkennungseinrichtungen eingesetzt, die

berührungsfrei arbeiten. Üblicherweise wird dabei an der Welle des Rotors ein Magnetfeldgeber stirnseitig angeordnet und ein magnetfeldsensitiver Sensor axial beziehungsweise in Weiterverführung der Welle ihrer Stirnseite zugewandt angeordnet. In Abhängigkeit von der Drehposition der Welle verändert sich das erfasste Magnetfeld, wodurch mittels einer entsprechenden Auswertung des Sensorausgangssignals die Drehwinkellage beziehungsweise die Rotorlage des Rotors bestimmbar ist.

Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine besonders genaue und schnelle Erfassung der Rotorlage ermöglicht ist, und dass Bauraumvorteile entstehen. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Rotorerkennungseinrichtung einen auf der Welle drehfest angeordneten beziehungsweise anordenbaren mehrpoligen Magnetring und wenigstens einen radial dem Außenumfang des Magnetrings zugeordneten magnetfeldsensitiven Sensor aufweist. Die Erfindung sieht also vor, dass der magnetfeldsensitive Sensor nicht stirnseitig beziehungsweise axial der Welle und dem Magnetfeldgeber, sondern radial dem Magnetring zugeordnet ist, sodass der Sensor letztendlich axial auf Höhe der Welle angeordnet ist. Damit ergibt sich, dass die Maschine insgesamt axial kürzer gebaut werden kann. Darüber hinaus kann die Rotorlageerkennungseinrichtung grundsätzlich an jedem beliebigen Axialabschnitt der Welle, und damit beispielsweise auch zwischen einem Wellenlager und dem auf der Welle angeordneten Rotor angeordnet sein. Hierdurch ergibt sich eine Gestaltungsfreiheit, die einen optimalen Einsatz und eine optimale Ausführung der elektrischen Maschine in Abhängigkeit der vorliegenden Rahmenbedingungen erlaubt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sensor als TMR-Sensor ausgebildet ist. TMR-Sensoren arbeiten mit dem Prinzip des magnetischen Tunnelwiderstands (TMR). Ein derartiger Sensor wird in Dünnschichttechnologien gefertigt und erlaubt auf kleinem Raum eine hochgenaue Magnetfeldsensierung.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Sensor derart ausgerichtet ist, dass er eine Messrichtung zum Erfassen von Magnetfeldern in einem Winkel abweichend von einer senkrechten Ausrichtung zur Rotationsachse des

Magnetrings ausgerichtet ist. Unter der Messrichtung wird hierbei die

Hauptachse der Hauptmessrichtung des Sensors verstanden. Durch die schräge Ausrichtung der Hauptachse beziehungsweise der Messrichtung des Sensors wird erreicht, dass ein homogenes Signal am Signalausgang des Sensors entsteht. Insbesondere weist der TMR-Sensor mehrere Messelemente auf, die in einer TMR-Brücke miteinander verschaltet auf einer Messplatte angeordnet sind. Die Senkrechte zur Messplatte stellt dabei die Hauptmessrichtung beziehungsweise Hauptachse der Messrichtung dar. In diesem Fall ist dann also die Messplatte derart angeordnet, dass ihre Senkrechte abweicht von einer genau radialen Ausrichtung.

Insbesondere ist bevorzugt vorgesehen, dass der Magnetring eine Vielzahl von Magnetpolen mit abwechselnder Magnetfeldorientierung über den Umfang verteilt aufweist, die insbesondere gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind. Unter einer Vielzahl von Magnetpolen wird hierbei

insbesondere eine Anzahl von mindestens vier, insbesondere sechs, acht, zehn, zwölf oder mehr Magnetpole verstanden. Desto mehr Magnetpole vorhanden sind, desto genauer ist eine Bestimmung der Rotorlage.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Magnetring an einem auf die Welle aufgeschobenen Magnetringträger angeordnet ist. Damit ist der Magnetring nicht direkt an der Welle befestigt, sondern durch den Magnetringträger an dieser gehalten. Hierdurch wird erreicht, dass der Magnetring einfach und in kurzer Zeit auf der Welle montierbar ist. Darüber hinaus ist eine hochgenaue Anordnung des Magnetrings auf der Welle möglich, wobei durch den Magnetringträger der gleiche Magnetring auch auf unterschiedlich ausgestalteten Wellen oder Wellenabschnitten einer Welle angeordnet werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Magnetringträger einen dem Magnetring an seinem Außenumfang umfassenden Berstschutz aufweist. Dazu weist der Magnetringträger insbesondere eine Mantelwand auf, welche den Magnetring an seinem Außenumfang umfasst beziehungsweise umfängt. Durch den Berstschutz wird erreicht, dass in dem Fall, dass der Magnetring brechen sollte, keine Teile des Magnetrings mit hoher Geschwindigkeit in die Umgebung geschleudert werden. Dadurch wird die elektrische Maschine vor weitergehenden Beschädigungen geschützt. Außerdem wird der Magnetring durch den Berstschutz selbst vor äußeren Einflüssen geschützt, sodass das Risiko einer Beschädigung des Magnetrings selbst ebenfalls reduziert wird.

Insbesondere ist vorgesehen, dass der Magnetringträger becherförmig ausgebildet ist. Hierdurch wird der Berstschutz automatisch durch die Mantelwand gebildet. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Magnetringträger außerdem eine innenliegende

Mantelwand des becherförmigen Magnetringträgers aufweist, welche dem Innenumfang des Magnetrings zugeordnet ist, sodass der Magnetring innenseitig durch die Innen-Mantelwand des Magnetringträgers geschützt oder getragen ist.

Hierdurch ist eine einfache Anordnung des Magnetrings an dem

Magnetringträger gewährleistet.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist außerdem

vorgesehen, dass der Magnetringträger zumindest eine formschlüssige

Verdrehsicherung mit der Welle ausbildet. Hierdurch ist die drehfeste Anordnung des Magnetrings an der Welle auf einfache Art und Weise gewährleistet. Die Verdrehsicherung wird beispielsweise durch eine sich axial beziehungsweise in Längsrichtung erstreckende Nut am Außenumfang der Welle und einen in die Nut eingreifenden Mitnahmevorsprung, der fest mit dem Magnetringträger verbunden oder insbesondere einstückig mit diesem ausgebildet ist, gebildet. Insbesondere sind mehrere derartiger Nut-Mitnahmevorsprung-Paare beziehungsweise Verdrehsicherungen über den Umfang des Magnetringträgers und der Welle verteilt ausgebildet, um eine Drehmitnahme und eine variable Ausrichtung des Magnetringträgers auf der Welle zu gewährleisten.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen Figur 1 eine bürstenlose elektrische Maschine in einer vereinfachten

Längsschnittdarstellung,

Figur 2 eine Detailansicht der Maschine in einer perspektivischen

Darstellung und

Figur 3 eine zweite Detailansicht der Maschine in einer perspektivischen

Darstellung.

Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung einen bürstenlosen Gleichstrommotor 1, der ein Gehäuse 2 aufweist, in welchem eine Welle 3 drehbar gelagert ist. Die Lagerung der Welle 3 ist dabei vorliegend durch mehrere Wälzkörperlager 4, von denen hier nur eins beispielhaft gezeigt ist, realisiert.

Auf der Welle 3 ist ein Rotor 5 angeordnet und drehfest mit der Welle 3 verbunden. Dem Rotor 5 ist koaxial ein Stator 6 zugeordnet, der gehäusefest beziehungsweise an dem Gehäuse 2 angeordnet ist. Durch eine geeignete Leistungselektronik ist der Stator 6 beziehungsweise eine Spule des Stators 6 bestrombar, um den Rotor 5 in eine Drehbewegung mit dem vorgebbaren Drehmoment zu versetzen. Um die Spule des Stators 6 korrekt ansteuern zu können, ist eine Rotorlageerkennungseinrichtung 7 vorgesehen, mittels welcher die aktuelle Drehwinkelstellung des Rotors 5 in Bezug auf den Stator 6 überwacht wird.

Die Rotorlagererkennungseinrichtung 7 weist einen Magnetring 8 auf, der eine Vielzahl von über seinen Umfang gleichmäßig und mit abwechselnder

Magnetfeldorientierung verteilt angeordneten Magnetpolen N und S aufweist. Der Magnetring 8 ist an einem Magnetringträger 9 gehalten. Der Magnetringträger 9 ist ebenfalls ringförmig ausgebildet und weist damit eine zentrale

Durchgangsöffnung 10 auf, mit welcher der Magnetringträger 9 auf die Welle 3 aufgeschoben ist. Insbesondere sind der Innendurchmesser der Öffnung 10 und der Außendurchmesser 3 in dem Aufschiebebereich derart ausgebildet, dass eine nahezu spielfreie Passung oder eine Presspassung beim Aufschieben entsteht, um ein sicheres Halten des Magnetringträgers 9 auf der Welle 3 zu gewährleisten.

Bevorzugt ist außerdem vorgesehen, dass zwischen dem Magnetringträger 9 und der Welle 3 zumindest eine Verdrehsicherung 11 ausgebildet ist. Diese wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine in dem Außenumfang der Welle 3 ausgebildeten Nut 2 und einem von dem Magnetringträger 9 ausgebildeten Mitnahmevorsprung 13, der in die Nut 12 eingreift

beziehungsweise in dieser einliegt, gebildet. Dabei liegt der Mitnahmevorsprung 13 insbesondere in Umfangsrichtung gesehen spielfrei in der Nut 12 ein.

Vorteilhafterweise sind mehrere derartiger Verdrehsicherungen 11 über den Umfang von Magnetringträger 9 und Welle 3 verteilt ausgebildet oder angeordnet. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Welle 3 mehrere der Nuten 12 aufweist, sodass der Magnetringträger 9 in mehrere Drehwinkelpositionen auf die Welle 3 aufschiebbar ist. Die jeweilige Nut 12 ist dabei axial offen

ausgebildet, sodass der Magnetringträger 9 mit dem Mitnahmevorsprung 13 einfach auf die Welle 3 aufgeschoben werden kann.

Weiterhin weist der Magnetringträger 9 eine Außenmantelwand 14 auf, die den Magnetring 8 an seinem Außenumfang umfasst. Die Außenmantelwand 14 bildet insoweit einen Berstschutz 15 für den Magnetring 8. Sollte dieser im Betrieb beschädigt werden und brechen, so werden Einzelteile des Magnetrings durch den Berstschutz 15 aufgefangen und werden nicht in das Innere des Gehäuses 2 geschleudert, wo sie weiteren Schaden anrichten könnten.

Weiterhin weist der Magnetringträger 9 eine Innenmantelwand 16 auf, die den Innenumfang des Magnetrings 8 zumindest axial bereichsweise umfasst, sodass der Magnetring 8 zwischen der Mantelaußenwand 14 und der Mantelwand 16 an dem Magnetringträger 9 gehalten ist. Der Magnetringträger 9 erhält dadurch insgesamt eine becherförmige Form, in welche der Magnetring 8 einfach axial einsetzbar ist.

An dem Gehäuse 2 ist weiterhin ein magnetfeldsensitiver Sensor 17 angeordnet und dem Außenumfang des Magnetrings 8 radial zugeordnet. Der Sensor 17 liegt somit axial auf Höhe des Magnetrings 8 in dem Gehäuse 2. Dabei ist der Sensor 17 als TMR-Sensor mit mehreren Messelementen ausgebildet, die auf einer Messplatte 18 nebeneinanderliegend angeordnet und zu einer elektrischen

Brücke miteinander verschaltet sind. Die Messplatte 18 ist dabei in einem Winkel abweichend von 90° zu der Rotationachse des Magnetrings 8 ausgerichtet, sodass die Hauptmessrichtung oder Erfassungsrichtung des Sensors 17 schräg zur Rotationsachse des Magnetrings 8 ausgerichtet ist.

Figur 2 zeigt dazu in einer perspektivischen Detailansicht die Welle 3 mit dem darauf angeordneten Magnetringträger 9. Hierbei ist gut die Becherform des Magnetringträgers 9 zu erkennen. Gemäß dem vorliegenden

Ausführungsbeispiel weist die Welle 3 mehrere der Nuten 12 auf, die sich über ein weiten axialen Bereich der Welle 3 erstrecken, sodass der Magnetringträger 9 frei auf vielen unterschiedlichen axialen Positionen auf der Welle 3 anordenbar ist. So kann der Magnetringträger 9 beispielsweise zwischen dem Rotor 5 und einem weiteren Wälzkörperlager oder auf der dem Rotor 5 abgewandten Seite des Wälzkörperlagers angeordnet sein.

Figur 3 zeigt in einer weiteren Perspektiven Teilansicht die Welle 3 mit dem darauf angeordneten Magnetringträger 9 aus Figur 2, wobei nunmehr in dem Magnetringträger 9 der Magnetring 8 eingesetzt ist. Dabei ist in Figur 3 beispielhaft eine Unterteilung des Magnetrings 8 in eine Vielzahl von

Magnetpolen N und S eingezeichnet.

Grundsätzlich kann der Magnetring 8 in unterschiedlicher Polzahl ausgeführt sein. Als Magnetmaterial können dabei alle magnetischen Materialen verwendet werden, wie beispielsweise Seltene-Erden-Magneten, insbesondere gesintert- oder kunststoffgebunden, Hartferrite oder dergleichen.

Der Sensor 17 detektiert die Stärke des von dem Magnetring 8 erzeugten Magnetfelds und eine mit dem Sensor 17 gekoppelte Recheneinheit

beziehungsweise Auswerteeinheit berechnet in Abhängigkeit der detektieren Magnetfeldstärke die aktuelle Drehwinkelposition der Welle 3 und damit die

Rotorwinkellage des Rotors 5. In Abhängigkeit von der bestimmten

Rotorwinkellagen wird dann die Spule des Stators 6 bestromt und insbesondere elektrisch kommutiert.