DE19842523A1 - Electromagnetic energy converter e.g. brushless electric motor or magnetic bearing, has integrated circuit board located between stator winding heads - Google Patents
Electromagnetic energy converter e.g. brushless electric motor or magnetic bearing, has integrated circuit board located between stator winding headsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Energiewandler gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches.The invention relates to an electromagnetic energy converter according to the Preamble of the independent claim.
In der elektrischen Antriebstechnik kommt den bürstenlosen feldgeführten Antrieben eine stark wachsende Bedeutung zu. Die verstärkte Wettbewerbssituation in In- und Ausland, streckenweise strengere Vorschriften und Gesetzgebungen, wie beispielsweise im Bereich der Heizungstechnik, sowie ständig steigende technische Ansprüche an das Produkt führen zu neuen sehr stark kunden- und kostenorientierten Antriebslösungen. Die Vielfalt reicht vom einfachen Einphasenantrieb mit ungeregelter Drehzahl bis zu komplexen hochdynamischen Servo-Antriebssystemen, die über Feldbusse miteinander verkettet sind.In electric drive technology, the brushless field-guided drives come into play growing importance. The intensified competitive situation in Germany and abroad, Sometimes stricter regulations and legislation, such as in the area of Heating technology, as well as ever increasing technical demands on the product lead to new, very customer- and cost-oriented drive solutions. The variety ranges from simple single-phase drive with uncontrolled speed up to complex, highly dynamic Servo drive systems that are linked together via fieldbuses.
Während man früher noch vermehrt versuchte, komplexe Antriebsaufgaben durch verstärkten Einsatz mechanischer Bauteile zu lösen, wird heute in aller Regel die Intelligenz in den Elektronikteil verlagert. Wesentliche Voraussetzung für diese Entwicklung ist die kostengünstige Verfügbarkeit von schnellen hochintegrierten Steuerungen sowie von zuverlässigen, robusten und hochdynamischen Leistungselektronikschaltungen.While in the past, attempts were increasingly being made to carry out complex drive tasks with reinforced ones Solving the use of mechanical components today is usually the intelligence in the Electronics part relocated. The essential prerequisite for this development is Cost-effective availability of fast, highly integrated controls as well as of reliable, robust and highly dynamic power electronics circuits.
Der zu beobachtende Trend zu verstärktem Elektronikeinsatz und material- sowie fertigungstechnisch vereinfachten Motorkonstruktionen führt, wenn erhöhte Zuverlässigkeit, guter Wirkungsgrad und eine große Lebensdauer angestrebt werden, in wachsendem Ausmaße zu Antriebskonzepten mit bürstenlosen Motoren. Besonders sind hierbei die Gruppe der Permanentmagnetmotoren sowie der Asynchronmotoren hervorzuheben.The trend to be observed towards increased use of electronics and material and production engineering simplified engine designs, if increased reliability, good efficiency and a long lifespan are aimed at growing Dimensions of drive concepts with brushless motors. The group is special here the permanent magnet motors as well as the asynchronous motors.
Für äußerst hohe Anforderungen an den Drehzahlbereich, die Lebensdauer, die Reinheit und die Dichtheit des Antriebssystems - also im wesentlichen Anwendungsgebiete, die unter Verwendung konventioneller Lagertechniken nicht oder nur schwer realisierbar sind, wie beispielsweise Hochgeschwindigkeitsfräs- und Schleifspindeln, Turbokompressoren, Vakuumpumpen, oder Pumpen für hochreine chemische oder medizinische Erzeugnisse - werden vermehrt aktive Magnetlager oder Motoren mit integrierter Magnetlagerwicklung, auch bekannt unter dem Namen "lagerlose Motoren", eingesetzt.For extremely high demands on the speed range, service life, purity and the tightness of the drive system - essentially the areas of application that are under Using conventional storage techniques are not possible or are difficult to achieve, such as for example high-speed milling and grinding spindles, turbo compressors, Vacuum pumps, or pumps for high-purity chemical or medical products - are increasingly active magnetic bearings or motors with integrated magnetic bearing winding, also known as "bearingless motors".
Sowohl bei bürstenlosen Motoren, wie auch bei aktiven Magnetlagern oder lagerlosen Motoren bereitet die Sensorik zur Messung der Luftspaltfelder, des Rotorwinkels, des radialen Abstandes zwischen Rotor und Stator oder der Axialverschiebung des Rotors zum Teil erhebliche technische und wirtschaftliche Probleme.Both with brushless motors, as well as with active magnetic bearings or bearingless The sensors prepare motors for measuring the air gap fields, the rotor angle and the radial one Distance between the rotor and stator or the axial displacement of the rotor in part significant technical and economic problems.
In vielen Antriebskomponenten werden zur Messung der Luftspaltfelder und damit zur indirekten Bestimmung der Rotorposition Hallsensoren und für die Messung des radialen und axialen Abstandes zwischen Stator und Rotor Wirbelstromsensoren eingesetzt.Many drive components are used to measure the air gap fields and thus indirect determination of the rotor position Hall sensors and for measuring the radial and axial distance between the stator and rotor eddy current sensors.
Die Messung des Luftspaltfeldes bereitet bislang Schwierigkeiten, da die Hallsensoren infolge sich ergebender Montage- und Anschlußprobleme, sowie aufgrund des Platzmangels nicht sinnvoll im Luftspalt untergebracht werden können. Die Alternativen, das Luftspaltstreufeld an den axialen Stirnseiten des Rotors zu messen oder eigens hinter dem Hauptrotor angebrachte Zusatz-Permanentmagnetrotorscheiben oder -ringe zu verwenden sind sowohl aus technischer wie auch aus wirtschaftlicher Sicht nicht sehr zufriedenstellend.The measurement of the air gap field has so far been difficult because the Hall sensors result resulting assembly and connection problems, and not due to the lack of space can be reasonably accommodated in the air gap. The alternatives, the air gap stray field to be measured on the axial end faces of the rotor or specifically behind the main rotor attached additional permanent magnet rotor disks or rings are to be used not very satisfactory from a technical as well as from an economic point of view.
Im ersten Falle mißt man nicht das eigentliche Hauptfeld, sondern nur ein in der Form gegenüber dem Hauptfeld verzerrtes und zumeist sehr schwaches Streufeld. Bereits geringe axiale Montagetoleranzen des Rotors führen daher zum Teil zu unbefriedigenden. Meßergebnissen und einem mangelhaften Betriebverhalten des Antriebes.In the first case you do not measure the main field itself, but only one in the form stray field distorted and mostly very weak compared to the main field. Already minor axial assembly tolerances of the rotor therefore lead in part to unsatisfactory. Measurement results and poor operating behavior of the drive.
Im zweiten Falle lassen sich technisch recht gute Ergebnisse erzielen, der erhöhte Material- und Montageaufwand für den Hilfsrotor sind jedoch aus wirtschaftlicher Sicht von großem Nachteil.In the second case, technically very good results can be achieved, the increased material and assembly effort for the auxiliary rotor are of great economic importance Disadvantage.
Noch größere Probleme bereitet die radiale und axiale Distanzmessung in Magnetlagern oder lagerlosen Motoren mit Hilfe von Wirbelstromsensoren. Sehr aufwendig sind hierbei die Herstellung der Magnetspulen, die genaue Platzierung und Justage der Spulen, die Führung, Sicherung gegen Beschädigung und Kontaktierung der feinen elektrischen Drahtanschlüsse, sowie die Realisierung definierter Anschlußlängen. Letzteres ist hinsichtlich der Beeinflussung des Kondensator-Spulenschwingkreises von großer Bedeutung, insbesondere wenn mehrere Wirbelstromsensoren verwendet werden und diese einzeln abgestimmt werden müssen.The radial and axial distance measurement in magnetic bearings or poses even greater problems bearingless motors with the help of eddy current sensors. These are very complex Manufacture of the magnetic coils, the exact placement and adjustment of the coils, the guide, Protection against damage and contacting of the fine electrical wire connections, as well as the implementation of defined connection lengths. The latter is regarding Influencing the capacitor coil resonant circuit of great importance, in particular if several eddy current sensors are used and these are individually tuned have to.
Problematisch ist wie bei den Hallsensoren die räumliche Anordnung der Wirbelstromsensoren. Für die Anbringung im Luftspalt (ideal: in der Luftspaltmitte), ist meist kein ausreichender Platz und bei einer Anordnung außerhalb des Luftspaltes ergeben sich beim Kippen der Rotors größere Meßfehler bezüglich der Rotordistanz, da die Sensoren und der Kippunkt in unterschiedlichen Ebenen senkrecht zur Rotorachse liegen.As with the Hall sensors, the spatial arrangement of the Eddy current sensors. For mounting in the air gap (ideal: in the middle of the air gap) is usually there is not enough space and there is an arrangement outside the air gap when tilting the rotor larger measurement errors with respect to the rotor distance, since the sensors and the tipping point is in different planes perpendicular to the rotor axis.
Die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe besteht daher in der Vereinfachung des Sensorikteiles bei gleichzeitiger Reduktion der Material-, Montage- und Justagekosten sowie der Bereitstellung einer robusten industrietauglichen Ausführung.The object to be achieved by the invention is therefore to simplify the Sensor component with a simultaneous reduction in material, assembly and adjustment costs as well the provision of a robust industrial design.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe geht aus dem unabhängigen Patentanspruch hervor. Bevorzugte Ausführungen sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.The achievement of this task is based on the independent claim forth. Preferred embodiments are defined by the dependent claims.
Von besonderem Vorteil bei der erfindungsgemäßen Lösung des Problems sind
Are of particular advantage in solving the problem according to the invention
- - der Entfall der Einzelanfertigung der Wirbelstromsensorspulen,- the elimination of the individual production of the eddy current sensor coils,
- - der Entfall der Montage der Wirbelstromsensorspulen,- the elimination of the installation of the eddy current sensor coils,
- - die Gewährung definierter und reproduzierbarer Spulenanschlußleitungen,- the provision of defined and reproducible coil connection lines,
- - die mittige Anordnung der Wirbelstrom- und Hallsensoren oder anderer Sensoren im Luftspalt der Maschine oder des Magnetlagers,- The central arrangement of the eddy current and Hall sensors or other sensors in the Air gap of the machine or the magnetic bearing,
- - die Möglichkeit einer räumlich nahen Anordnung des Wirbelstromsensors, des Schwingkreiskondensators und der übrigen Sensorelektronik,- The possibility of a spatially close arrangement of the eddy current sensor, the Resonant circuit capacitor and the other sensor electronics,
- - der Entfall von mechanischen Trägern für die Positionierung und Sicherung der Hallsensoren,- The elimination of mechanical supports for positioning and securing the Hall sensors,
- - der Entfall der Drahtanschlüsse für die Hallsensoren,- the elimination of the wire connections for the Hall sensors,
- - die exakte Ausrichtung der Wirbelstrom- und Hallsensoren untereinander,- the exact alignment of the eddy current and Hall sensors with each other,
- - die Abschirmung der elektrischen Schaltung durch die ferromagnetischen Statorhälften,The shielding of the electrical circuit by the ferromagnetic stator halves,
- - die Integration von Signal-, Leistungselektronik und Sensorik auf einer Leiterplatte direkt am oder im Stator,- The integration of signal, power electronics and sensors on a circuit board directly on or in the stator,
- - Möglichkeit einer guten Kühlung der Leistungselektronikhalbleiter über das Statorblech,Possibility of good cooling of the power electronics semiconductors via the stator sheet,
- - die robuste Ausführung der Sensorik sowie der Schutz der elektrischen Bauteile durch die Anordnung zwischen zwei Statorhälften, - The robust design of the sensors and the protection of the electrical components by the Arrangement between two stator halves,
- - die Realisierbarkeit enger Luftspalte trotz der Anordnung der Sensoren in der axialen Luftspaltmitte,- The feasibility of narrow air gaps despite the arrangement of the sensors in the axial Center of the air gap,
- - die einfache Ausrichtung der Leiterplatte und der Statorblechpakete zueinander,The simple alignment of the printed circuit board and the stator laminations to one another,
- - die auf der Leiterplatte integrierbare Steckeranschlüsse für Signal-, Leistungs- und Sensorikteil,- The plug connections for signal, power and Sensor part,
- - die Sicherheit vor Drahtbrüchen, da bis auf die (robusten) Antriebswicklungen keine Drahtanschlüsse erforderlich sind,- Safety against wire breaks, as there are none apart from the (robust) drive windings Wire connections are required
- - die einfache Möglichkeit einer automatischen Prüfung der gesamten Statoreinheit. Als nachteilig ist hier jedoch zu vermerken, daß eine nachträgliche Reparatur der unter den Statorblechen versteckten elektrischen Bauteilen (Hallsensoren, evtl. weitere Bauelemente) nicht ohne Entfernung der Statorwicklung möglich ist.- The simple possibility of automatic testing of the entire stator unit. As disadvantageously, however, it should be noted here that a subsequent repair of the Stator plates hidden electrical components (Hall sensors, possibly other Components) is not possible without removing the stator winding.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:Embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings. It show in a schematic representation:
Fig. 1 den Querschnitt eines Motors bzw. Magnetlagers mit integrierter Leiterplatte, Fig. 1 shows the cross-section of a motor or magnetic bearing with an integrated circuit board,
Fig. 2 die Draufsicht einer bestückten Leiterplatte, wobei die Leitungsführungen zwischen den Bauelementen der Einfachheit halber nicht eingezeichnet sind, Fig. 2 is a plan view of a printed circuit board, the wirings between the components the sake of simplicity not drawn in,
Fig. 3 die räumliche Ansicht eines Leiterplattenausschnittes mit Wirbelstrom- und Hallsensor von der Luftspaltseite aus gesehen, wobei der Einfachheit halber die kreisförmige Leiterplatteninnenkontur sowie die kreisförmig geführten Leiter der Spulen gestreckt gezeichnet sind, Fig seen the three-dimensional view of a printed circuit board cut-out with eddy current and Hall sensor of the air gap side. 3, wherein the simplicity of the circular printed circuit board inner contour and the circular conductors of the coils run marked stretched half,
Fig. 4 den Querschnitt eines Motors bzw. Magnetlagers mit integrierter Leiterplatte mit der Erweiterung gegenüber Fig. 1 um eine axiale Wirbelstromsensoreinheit, Fig. 4 shows the cross section of a motor or magnetic bearing with an integrated circuit board with the extension with respect to FIG. 1 about an axial eddy current sensor unit
Fig. 5 ein Beispiel zur Vergrößerung der Querschnittsfläche des Wirbelstromsensors und zur Verbesserung der Fernwirkung des Magnefeldes durch die Spule einer zusätzlichen Leiterplatte, Fig. 5 shows an example for increasing the cross sectional area of the eddy current sensor and to improve the long-distance effect of the magnet field through the coil of an additional printed circuit board,
Fig. 6 ein Beispiel zur Integration von elektrischen Bauteilen in der Statorblecheinheit mit der Möglichkeit einer guten Wärmeabfuhr insbesondere bei Leistungshalbleitern, Fig. 6 shows an example for the integration of electrical components in the Statorblecheinheit with the possibility of a good heat dissipation particularly in power semiconductors,
Fig. 7 verschiedene Alternativen zu Anordnung der Wirbelstromsensorspulen auf der (den) Leiterplatten, Fig. 7 various alternatives to arrangement of the eddy current sensor coils on the (s) of printed circuit boards,
Fig. 8 den Querschnitt eines Motors oder Magnetlagers mit integrierter Leiterplatte und einer nichtferromagnetischen Zwischenschicht im Rotor, Fig. 8 is a cross section of a motor or magnetic bearing with an integrated circuit board and a non-ferromagnetic intermediate layer in the rotor,
Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel eines Wirbelstromsensors für einen vielnutigen Motor. Fig. 9 shows an embodiment of an eddy current sensor for a multi-groove engine.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines elektromagnetischen Energiewandlers mit integrierter Leiterplatte. Der Energiewandler kann beispielsweise als Motor in unterschiedlichen Bauformen (z. B. Innen-, Außen-, Scheibenläufer-, Linearmotor), als lagerloser Motor oder auch als aktives Magnetlager (z. B. Axial-, Radiallager) realisiert werden. Erfindungsgemäß ist die Leiterplatte (3) in einer Ebene zwischen den Wickelköpfen (1, 5) des Stators (7), hier in der Mitte des Statorblechpaketes, angeordnet. Abhängig von der Applikation können eine oder mehrere Leiterplatten symmetrisch oder asymmetrisch in den Zwischenschichten des Statorblechpaketes eingebracht werden. Fig. 1 shows the cross section of an electromagnetic energy converter with an integrated circuit board. The energy converter can be implemented, for example, as a motor in various designs (e.g. inside, outside, disc rotor, linear motor), as a bearingless motor or as an active magnetic bearing (e.g. axial, radial bearing). According to the invention, the printed circuit board ( 3 ) is arranged in one plane between the winding heads ( 1 , 5 ) of the stator ( 7 ), here in the middle of the stator laminated core. Depending on the application, one or more circuit boards can be inserted symmetrically or asymmetrically in the intermediate layers of the stator laminated core.
In der Darstellung von Fig. 2 entspricht die Leiterplattenkontur (19) bis auf den Bereich der Steckeranschlußfahne (59) der Kontur des Blechpaketes. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Zwingend ist jedoch die Aussparung für die Durchführung der Wicklungsstränge (8) im Bereich der Nuten (9) und eventuell auch im Bereich der Befestigungsöffnungen (10, 49).In the illustration of Fig. 2, the board contour (19) up to the region of the plug connecting lug corresponding to (59) of the contour of the laminated core. However, this is not absolutely necessary. However, the cutout for the passage of the winding strands ( 8 ) in the area of the slots ( 9 ) and possibly also in the area of the fastening openings ( 10 , 49 ) is imperative.
Bei der Befestigung der Leiterplatte (3) im Stator (7) ist darauf zu achten, daß die Leiterführungen und elektrischen Bauteile über die ferromagnetischen Statorteile (2, 4) nicht kurzgeschlossen werden. Mögliche Vorkehrungen sind Abstandshalter in Form von Isolierfolien (16, 17) mit Ausstanzungen im Bereich der Bauteile, die Beschichtung (16, 17) der ferromagnetischen Körper oder der Leiterplattenoberflächen (16, 17) oder auch das Einhalten von ausreichenden Luftspalten zwischen Leiterplatte und den Blechpaketen durch Aufsetzen der Leiterplatte (3) auf Abstandsscheiben oder -hülsen.When fastening the circuit board ( 3 ) in the stator ( 7 ), make sure that the conductor guides and electrical components are not short-circuited via the ferromagnetic stator parts ( 2 , 4 ). Possible precautions are spacers in the form of insulating films ( 16 , 17 ) with punched-out areas in the area of the components, the coating ( 16 , 17 ) of the ferromagnetic bodies or the printed circuit board surfaces ( 16 , 17 ) or also maintaining sufficient air gaps between the printed circuit board and the laminated cores by placing the printed circuit board ( 3 ) on spacers or sleeves.
Wie man aus Fig. 2 erkennt, sind auf der Leiterplatte verschiedene elektrische Bauteile platziert. Dies können beispielsweise Bauteile für die Sensorik (11, 12, 13), die Sensorelektronik (14), die Signalelektronik (14), die Leistungselektronik (20) oder für den elektrischen Anschluß (15) des Antriebes sein. Die einzelnen Baugruppen sind in der Zeichnung lediglich symbolisch durch willkürlich ausgewählte und platzierte Bauteile angedeutet. Die Bauteile können sowohl im Bereich der Statorzähne, des Statorjoches oder auch, sofern die Leiterplatte die Statorteile überragt, außerhalb der Statorkontur angeordnet sein.As can be seen from Fig. 2, various electrical components are placed on the circuit board. This can, for example components for the sensors (11, 12, 13), the sensor electronics (14), the signal electronics (14), the power electronics (20) or the drive for the electrical connection (15). The individual assemblies are only indicated symbolically in the drawing by arbitrarily selected and placed components. The components can be arranged both in the area of the stator teeth, the stator yoke or, if the printed circuit board projects beyond the stator parts, outside the stator contour.
Besonders hervorgehoben werden soll die Möglichkeit einer einfachen Realisierung von Wirbelstromsensoren (12) über das Leiterplattenlayout mit Hilfe von Leiterbahnabschnitten (21) und Durchkontaktierungen (22). Ein Wirbelstromsensor kann sich hierbei aus mehreren Spulen zusammensetzen, die seriell oder parallel miteinander verschaltet sind. Beispiele für solche Spulengruppen befinden sich in Fig. 3, Fig. 5 und Fig. 7. Dabei können sowohl Gruppierungen mit gleicher Feldausrichtung (35, 36, 52, 53, 57, 58) als auch Gruppierungen mit wechselnder Polarität (50, 51, 55, 56 und bei Vertauschen der Anschlüsse einer Spule auch 57, 58) realisiert werden. Die Unterteilung in gleichsinnige Einzelspulen (35, 36, 52, 53, 57, 58) kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn, wie in Fig. 2, andere Bauelemente ebenfalls in Luftspaltnähe platziert werden sollen. Ansonsten empfiehlt sich aus Gründen des kleineren Widerstandes und der geringeren Anzahl von Durchkontaktierungen die Realisierung einer größeren Einzelspule (54). Bei den Abbildungen der Fig. 5 und 7 ist symbolisch für die Spule nur eine Windung dargestellt. In der Regel werden die Spulen jedoch mit mehreren hintereinanderliegenden Windungen versehen. Um höhere Spulenquerschnitts-flächen und damit größere Induktivitätswerte zu realisieren kann die Leiterplattendicke in handelsüblichen Stufen (z. B. 1,6 mm, 2,4 mm, 3,2 mm) variiert werden. Damit vergrößert sich die Dicke auch in Bereichen außerhalb der Wirbelstromsensoren, wo eine Erhöhung nicht erforderlich oder vielleicht sogar gar nicht erwünscht ist. In kritischen Fällen kann daher in einem beschränkten Teilbereich (zumindest in dem Bereich der Wirbelstromsensoren) eine zweite Leiterplatte aufgesetzt werden, wie dies die Fig. 5 (3, 32) und 7 (3; 32) zeigen. Ebenso wie bei der Anordnung der Spulen in Querrichtung kann auch hier die Polarität der Spulen gleichsinnig (35, 36) oder gegensinnig (55, 56) gewählt werden. Um Kurzschlüsse zu vermeiden können auch zur Trennung der Leiterplatten isolierende Abstandshalter (31) zur Anwendung kommen. Mit der Auswahl an Spulenkonfigurationen (12, 29, 30, 27, Fig. 5, Fig. 7) können sowohl radiale als auch axiale Abstandsmessungen durchgeführt werden. Entscheidend ist, daß für die radiale Messung eine radiale Feldkomponente und für die axiale Messung eine axiale Feldkomponente der Spule zur Verfügung steht. In allen Fällen muß dem Wirbelstromsensor eine elektrisch leitende Fläche am Rotor gegenüberstehen, die mit zunehmender Annäherung an den Sensor dessen Magnetfeld schwächt. Dieser Einfluß wirkt sich auf das Verhalten des Wirbelstrom- Kondensator-Schwingkreises aus und kann über eine Auswerteschaltung eine Information über die Wegdistanz zwischen Sensor und Rotor liefern. Elektrisch leitende Flächen können z. B. in Form eines Metallringes, einer Metallscheibe oder durch metallische Beschichtung von Rotorteilen realisiert werden. Beispiele für Radialsensoren können den Fig. 2, 3, 5, und den oberen vier Abbildungen der Fig. 7 entnommen werden. Fig. 4 und die untere Abbildung in Fig. 7 zeigen Ausführungen zu Axialsensoren. Günstig erweist sich hierfür eine radiale Überdeckung von Leiterplatte und Rotor. In dem Beispiel aus Fig. 7 sind zur Verbesserung der Sensorempfindlichkeit zwei metallische Schichten (60) in den Rotor eingebracht. In vielen Fällen genügt bereits auch die Leitfähigkeit der ferromagnetischen Körper (61, 62).The possibility of a simple implementation of eddy current sensors ( 12 ) via the circuit board layout with the aid of conductor track sections ( 21 ) and plated-through holes ( 22 ) should be particularly emphasized. An eddy current sensor can consist of several coils that are connected in series or in parallel. Examples of such groups of coils are shown in Fig. 3, Fig. 5 and Fig. 7. In this case, both groups having the same field orientation (35, 36, 52, 53, 57, 58) as well as groups with alternating polarity (50, 51 55 , 56 and 57 , 58 ) if the connections of a coil are interchanged. The subdivision into individual coils ( 35 , 36 , 52 , 53 , 57 , 58 ) in the same direction can be particularly useful if, as in FIG. 2, other components are also to be placed near the air gap. Otherwise it is advisable to implement a larger single coil ( 54 ) due to the lower resistance and the lower number of vias. In the illustrations of FIGS. 5 and 7 is shown symbolically only one turn of the coil. As a rule, however, the coils are provided with several turns one behind the other. In order to achieve higher coil cross-sectional areas and thus higher inductance values, the circuit board thickness can be varied in commercially available steps (e.g. 1.6 mm, 2.4 mm, 3.2 mm). This also increases the thickness in areas outside the eddy current sensors, where an increase is not necessary or maybe even not desired at all. In critical cases, a second printed circuit board can therefore be placed in a restricted partial area (at least in the area of the eddy current sensors), as shown in FIGS. 5 ( 3 , 32 ) and 7 ( 3 ; 32 ). Just as with the arrangement of the coils in the transverse direction, the polarity of the coils can be selected in the same direction ( 35 , 36 ) or in opposite directions ( 55 , 56 ). In order to avoid short circuits, insulating spacers ( 31 ) can also be used to separate the printed circuit boards. With the selection of coil configurations ( 12 , 29 , 30 , 27 , Fig. 5, Fig. 7), both radial and axial distance measurements can be carried out. It is crucial that a radial field component is available for the radial measurement and an axial field component of the coil for the axial measurement. In all cases, the eddy current sensor must face an electrically conductive surface on the rotor, which weakens as the sensor approaches the magnetic field. This influence affects the behavior of the eddy current capacitor resonant circuit and can provide information about the travel distance between sensor and rotor via an evaluation circuit. Electrically conductive surfaces can e.g. B. in the form of a metal ring, a metal disc or by metallic coating of rotor parts. Examples of radial sensors can be found in FIGS. 2, 3, 5 and the top four illustrations in FIG. 7. Fig. 4 and the lower figure in Fig. 7 show versions of axial sensors. A radial overlap of the printed circuit board and the rotor has proven to be advantageous for this. In the example from FIG. 7, two metallic layers ( 60 ) are introduced into the rotor to improve the sensor sensitivity. In many cases, the conductivity of the ferromagnetic bodies ( 61 , 62 ) is already sufficient.
In der Praxis haben sich zur Lageerkennung des Rotors vier im Winkel von jeweils 90 Grad angeordnete Wirbelstromsensoren bewährt. Für eine solche Anordnung sind in der Zeichnung beispielhaft vier auf verschiedenen Schenkeln platzierte Sensorspulenpaare angeführt. Sollte der elektromagnetische Energiewandler aus einer höheren Anzahl von Schenkeln oder Zähnen bestehen, so können die Spulen eines einzelnen Wirbelstromsensors auch auf verschiedenen Schenkeln bzw. Zähnen platziert werden. Zur Erhöhung der Spuleninduktivität und damit zur Verbesserung der Charakteristik des Wirbelstromsensor-Kondensator-Schwingkreises können im Nahfeld der Spulen jeweils ein oder mehrere Ferritkörper (44) angeordnet sein. Diese werden vorteilhaft in eine entsprechende Ausnehmung (ähnlich 43) der Leiterplatte eingelegt. Um eine möglichst hohe elektrische Empfindlichkeit zu erzielen sollten die Wirbelsensorspulen möglichst nahe an den Luftspalt (18) gesetzt werden.In practice, four eddy current sensors, each arranged at an angle of 90 degrees, have proven useful for detecting the position of the rotor. For such an arrangement, four sensor coil pairs placed on different legs are exemplified in the drawing. If the electromagnetic energy converter consists of a larger number of legs or teeth, the coils of a single eddy current sensor can also be placed on different legs or teeth. To increase the coil inductance and thus to improve the characteristic of the eddy current sensor capacitor resonant circuit, one or more ferrite bodies ( 44 ) can be arranged in the near field of the coils. These are advantageously placed in a corresponding recess (similar to 43 ) in the printed circuit board. In order to achieve the highest possible electrical sensitivity, the vortex sensor coils should be placed as close as possible to the air gap ( 18 ).
Ebenfalls sehr einfach lassen sich Magnetfeldsensoren (11) in den Leiterplattenaufbau integrieren. Sie können vorteilhaft in Ausnehmungen (43) der Leiterplatte (3) in der Nähe des Luftspaltes (18) eingelegt werden. Die Messung der Flußdichte erlaubt insbesondere bei Permanentmagnetmotoren eine Aussage über die Winkelposition des Rotors. Sehr günstig erweist sich bei einer Leiterplattenanordung mit einem oder zwei benachbarten ferromagnetischen Körpern, daß das Ankerfeld im Bereich des Hallsensors sehr schwach ausgeprägt ist. In Gegensatz hierzu ist das zu messende Permanentmagnetfeld vergleichsweise stark, wenn der Sensor in der Leiterplatte in der Nähe des Luftspaltes angebracht wird.Magnetic field sensors ( 11 ) can also be very easily integrated into the circuit board structure. They can advantageously be inserted in recesses ( 43 ) in the printed circuit board ( 3 ) in the vicinity of the air gap ( 18 ). The measurement of the flux density allows a statement about the angular position of the rotor, particularly in the case of permanent magnet motors. In the case of a circuit board arrangement with one or two adjacent ferromagnetic bodies, it proves to be very favorable that the armature field in the area of the Hall sensor is very weak. In contrast to this, the permanent magnetic field to be measured is comparatively strong when the sensor is attached in the circuit board near the air gap.
Bei Verwendung von SMD-Bauteilen ist es möglich die Bauteile (11) über die Kontaktpins (45) in den Ausnehmungen (43) aufzuhängen und die Anschlüsse an den entsprechenden Kontaktierungspads anzulöten. Bauteile mit vertikaler Feldmeßrichtung können in der Ausnehmung gekippt und an der Ober- und Unterseite der Leiterplatte gelötet werden. Die Anordnung der Fig. 3 eignet sich insbesondere für Bauteile mit horizontaler Meßrichtung.When using SMD components, it is possible to hang the components ( 11 ) via the contact pins ( 45 ) in the recesses ( 43 ) and to solder the connections to the corresponding contact pads. Components with a vertical field measurement direction can be tilted in the recess and soldered to the top and bottom of the circuit board. The arrangement of FIG. 3 is particularly suitable for components with a horizontal measuring direction.
Im Gegensatz zum Zeichnungsvorschlag in Fig. 2 kann es günstig sein, das Spulenpaar (12) eines Schenkels durch eine große Spule mit langen Leiterbahnzügen zu ersetzen und den Magnetfeldsensor seitlich der Spule, rechts oder links, anzubringen.In contrast to the drawing proposal in Fig. 2, it may be beneficial to replace the pair of coils ( 12 ) of one leg by a large coil with long conductor tracks and to attach the magnetic field sensor to the side of the coil, right or left.
Weiterhin soll eine einfache Möglichkeit der Statortemperaturerfassung aufgezeigt werden. Dies kann über elektrische Widerstände mit beispielsweise mäanderförmigen Leiterzügen (13) geschehen. Die temperaturabhängige Widerstandsänderung wird über eine entsprechende Elektronik gemessen und ausgewertet.Furthermore, a simple possibility of stator temperature detection is to be shown. This can be done using electrical resistors with, for example, meandering conductor tracks ( 13 ). The temperature-dependent change in resistance is measured and evaluated using appropriate electronics.
Weitere Spulenanordnungen sind auf der Leiterplatte möglich, wie beispielsweise Spulen zur Messung der Drehzahl und der Winkelposition über die induzierte Spannung bei bewegtem Rotor. Auf weitere Aufzählungen und Ausführungen soll jedoch an dieser Stelle nicht eingegangen werden.Other coil arrangements are possible on the circuit board, such as coils for Measurement of the speed and the angular position via the induced voltage when moving Rotor. However, further enumerations and statements should not be made here To be received.
Um die axiale Länge des Energiewandlers möglichst klein zu halten, können hervorstehende Bauelemente (14, 20) in Ausnehmungen (42) des ferromagnetischen Körpers (2, 4) eintauchen. Die Realisierung der entsprechenden Ausschnitte kann bei Blechpaketen in den Stanzvorgang und bei Pulververbundwerkstoffen in den Preßvorgang integriert werden. Für Leistungshalbleiterbauelemente bietet sich sogar die Möglichkeit, den verbleibenden Hohlraum mit einer Wärmeleitpaste (41) auszufüllen und damit einen guten Wärmeübergang zum ferromagnetischen Körper zu schaffen.In order to keep the axial length of the energy converter as small as possible, projecting components ( 14 , 20 ) can be immersed in recesses ( 42 ) in the ferromagnetic body ( 2 , 4 ). The realization of the corresponding cutouts can be integrated in the punching process in the case of sheet metal packages and in the pressing process in the case of powder composite materials. For power semiconductor components, there is even the possibility of filling the remaining cavity with a thermal paste ( 41 ) and thus creating a good heat transfer to the ferromagnetic body.
Fig. 8 zeigt eine Anordnung des elektrischen Energiewandlers, bei dem der Rotor in drei Schichten untergliedert ist. Die äußeren Schichten werden von zwei Permanentmagnetrotoren aus ferromagnetischen Körpern (63, 64) und Permanentmagneten (64, 65) gebildet, bei der mittleren Schicht handelt es sich um einen nichtferromagnetisches Material (66), wie beispielsweise Aluminium, Kunststoff oder ein Luftraum. Zwischen den einander gegenüberliegenden Permanentmagnetrotorscheiben und Statorscheiben (2, 4) bilden sich bei einer Verschiebung des Rotors aus der axialen Mitte magnetische Rückstellkräfte aus. Diese werden durch die Einbringung der Zwischenschicht (66) infolge der sich ergebenden Feldkonzentration verstärkt. Die Charakteristik der passiven Axiallagerung wird somit verbessert und die Stabilität erhöht. Fig. 8 shows an arrangement of the electrical energy converter, in which the rotor is divided into three layers. The outer layers are formed by two permanent magnet rotors made of ferromagnetic bodies ( 63 , 64 ) and permanent magnets ( 64 , 65 ), the middle layer is a non-ferromagnetic material ( 66 ), such as aluminum, plastic or an air space. Magnetic restoring forces are formed between the opposing permanent magnet rotor disks and stator disks ( 2 , 4 ) when the rotor is displaced from the axial center. These are reinforced by the introduction of the intermediate layer ( 66 ) as a result of the resulting field concentration. The characteristic of the passive axial bearing is thus improved and the stability is increased.
In Fig. 9 ist ein mögliches Realisierungsbeispiel für die Sensoranordnung in einem vielnutigen Motor angeführt. Auf der Leiterplatte sind insgesamt vier Wirbelstrom- (77, 78, andere nicht dargestellt) und ebenfalls vier Hallsensoren (72, 79, andere nicht dargestellt) untergebracht. Ein Wirbelstromsensor (77) besteht aus 5 Einzelspulen (67, 68, 69, 70, 71) mit jeweils mehreren Windungen (nicht dargestellt) ähnlich der Spule (12) aus Fig. 2. Die Einzelspulen sind seriell über die Leitungsverbindungen (76) zu einem Wirbelstromsensor zusammengeschaltet. Der Einfachheit halber enden die Kontaktanschlüsse (73, 74; 75) in der Zeichnung blind. Natürlich können diese Anschlüsse direkt einer Steckverbindung ähnlich (15) oder einer ebenfalls auf der Leiterplatte untergebrachte Elektronik ähnlich (14) zugeführt werden.In Fig. 9 a possible implementation example for the sensor arrangement in a motor vielnutigen is cited. A total of four eddy current sensors ( 77 , 78 , others not shown) and also four Hall sensors ( 72 , 79 , others not shown) are accommodated on the circuit board. An eddy current sensor ( 77 ) consists of 5 individual coils ( 67 , 68 , 69 , 70 , 71 ) each with several turns (not shown) similar to the coil ( 12 ) from FIG. 2. The individual coils are connected in series via the line connections ( 76 ) connected to an eddy current sensor. For the sake of simplicity, the contact connections ( 73 , 74 ; 75 ) end blind in the drawing. Of course, these connections can be fed directly to a connector similar to ( 15 ) or to electronics ( 14 ) which is also housed on the circuit board.
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