Halle 3Stand 550

Bild 1: Basisprinzip einesMultipol-Sensors

Magnetisches Sensor-Prinzip für elektrische Antriebe

Neues Magnetsensor-PrinzipKosteneffiziente Steuerung elektrischer Antriebe

GroBe Leistungsdichte und hohe Effizienz bei Energiewandlung und -übertragung: Das zeichnet Permanent­magnet-Motoren aus. Deshalb sind sie die erste Wahl für groBe Elektroantriebe, die in Elektro- und Hybrid­fahrzeuge eingesetzt werden. Für einen effektiven und reibungsarmen Betrieb verwenden die Herstellerbei Permanentmagnet-Antrieben bisher Reluktanz-Resolver. Diese Losung ist allerdings mit negativen Kon­sequenzen bei Kosten, Montagefreundlichkeit, Temperaturbereich, Stromaufnahme sowie Gewicht und Bau­groBe verbunden. Moving Magnet Technologies (MMT) hat deshalb ein magnetisches Sensor-Prinzip mitHohlwellen-Konfiguration und hoher Auflosung entwickelt, das die bisherigen Probleme beseitigt und den­noch aile anderen Anforderungen hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Leistung erfüllt.

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oving Magnet Technolog.ies(MMT) aus Besançon inFrankreich ist auf Grundla­

gen-Forschung, Entwicklung, Simula­tionen, Musterbau und Engineering­Dienstleistungen spezialisiert. Ais100% ige Tochter des Schweizer An­triebsherstellers Sonceboz liefert MMT;anwendungs- und marktorientierteberührungslose L6sungen für die Be­wegungssteuerung sowie elektro­magnetische Antriebe. MMT bietet

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zahlreiche Patente und Lizenzen, dieweltweit in verschiedenen Industrie­zweigen genutzt werden k6nnen.Dazu geh6rt jetzt auch das neuemagnetische Sensor-Prinzip mit Hohl­wellen-Konfiguration.

Reluktanz-Resolver ­die typische Losung

Permanentmagnet-Motoren ben6ti­gen hochgenaue Positionssensoren,

die mit einer Sinus-Steuerung kompa­tibel sind. Sie sollen die Drehzahl mithoher Aufl6sung und Genauigkeit er­mitteln. Diese Sensoren müssenzudem selbst in Hohlwellen mit gra­Ben Durchmessern (von 50 bis mehrais 1OOmm) integrierbar sein. Reluk­tanz-Resolver sind die typische L6sungfür solche Anforderung, haben aberdie bekannten Nachteile. In Antriebenfür elektrische Motoren kommen inden allermeisten Anwendungen Enco-

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Magnetisches Sensor-Prinzip für elektrische Antriebe

Bild 2: MMT Sensor inte­griert auf einer Permanent­Magnet Maschine

der, also magnetische Sensoren aufGrundlage eines Permanentmagne­ten, zum Einsatz. Üblicherweise istder Encoder mit einer Magnetkonfi­guration am 'Ende' der Welle ange­bracht. Doch bei leistungsstarkenelektrischen Kraftantrieben oder inHybridfahrzeugen mit groBem Hohl­wellen design ist dies nicht mbglich,

da sich die Sensoren den Umge­bungsbedingungen der Maschine an­passen müssen. Sie sollen Vibratio­nen, Temperaturschwankungen undGeschwindigkeiten problemlos stand­halten und dennoch nur eine mbg­lichst geringe Anzahl von Teilen ver­wenden. Zudem kbnnen die bisheri­gen magnetischen Sensoren die not-

wendige Auflbsung für solch hochef­fiziente Motoren nicht erreichen. Trif­tige Gründe für MMT eine wirtschaft­liche Alternative zu entwickeln.

Die Magnetsensor-Lôsung

Ein Winkel-Positionssensor mit durch­gehender Hohlwelle, die ein bis zwei

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Eine Alternative zuReluktanz·Resolvern

Autor Dr.·/ng. StéphaneBiwersi, Geschiiftsführer MMT

Autor: Michaë/ De/baere,Team/eiter Sensoren undAktuatoren bei MMT

MMT legt Wert darauf, da 55 aileMagnetisierungsprozesse durch Stan­dard-Ringmagnete und zuverlassigeMagnetisierungsvorrichtungen pra­blemlos mit Serienproduktionen imRahmen von Industrieanwendungenvereinbar sind. Das neue MMT-Mag­netsensor-Prinzip ist also eine effi­ziente kostengünstige Alternative zubisherigen Reluktanz-Resolvern, diezudem auch noch deren Nachteilekompensiert.

nenten des magnetischen Feldes aus­geglichen und eine effektive Signalbe­arbeitung gesichert. Diese Losung er­moglicht es, die Genauigkeit dieserSensoren bis hin zu extrem graBenWellen-Durchmessern zu erhalten.Eine weitere Alternative bietet eineAnpassung der Anzahl der Polpaarean die Zahl n der Polpaare des Mo­tors. Damit erhalt der Anwender eineabsolute Position über die kompletteelektrische Periode (360o/n). DiesesPrinzip lielert einen auBergewohnliGhprazisen Sensor, da die mechanischeAuflosung bei einem reduziertenHubbereich (3600 /n) von derselben Li­nearitat (typischerweise unter±0,25% des Hubbereichs) kalkuliertist. Die Fluss-Konzentratoren werden50 überflüssig. Tests an Prototypenmit verschiedenen Polpaaren undDurchmessern haben gezeigt, dass 50

Werte bis 0,2° mechanische Genauig­keit erreicht werden konnen.

Vier effiziente Varianten

Dem Kunden bietet MMT bisher vierAusführungen der neuen Sensor­Technologie: Die Basislosung bestehtaus einem 2-Achsen-Sensor mit Ring­magnet und durchgehender Hohl­welle. Er arbeitet mit einem Hall-ICzur Magnetfeld-Winkelmessung mitstandardisierter Signalbearbeitungdurch eine Arctangens-Berechnungzwischen zwei Komponenten desMagnetfelds über einen Anpassungs­koeffizienten. So lassen sich praziseErgebnisse zwischen ±O,S% des Hub­bereichs (±1,8° für 3600 -Sensoren) er­mitteln. Für eine noch hohere Genau- .igkeit bei noch gezielterem Einsatzhaben die Experten aus Besançoneine weitere Losung paraI. Diese Vari­ante mit einer Prazision typischer­weise unter ±0,25% des Hubbereichsund deshalb unter ±1 elektronischemWirkung.sgrad für einen 3600 -Sensor,verfügt über zwei zweiachsige Son­den (z.B. Hall-Sonden), die im Qua­qrat mit 90° elektrischer Signalaufbe­reitung angeordnet sind. Jede Sondeverlangt zwei Signale, sinus/cosinus­formig, wobei jedes Signal einerKomponente des Magnetfeldes ent­spricht. Ein externer Contraller er­kennt dann durch die jeweilige Sig­nalkombination die Position. Sa tas­sen sich Ungenauigkeiten kompensie­ren und die Sensorprazision noch ver­bessern. Der Sensor ist dadurch un­empfindlich gegenüber auBeren ho­mogenen magnetischen Feldern unddamit leistungsfahiger. Für 3600 -Ab­solut-Sensoren mit graBem Wellen­Durchmesser hat MMT eine weitereVariante im Programm. Bei groBenDurchmessern werden die Amplitu­den der Magnetfeld-Komponenten zuunterschiedlich, um die Position opti­mal zu erfassen. Deshalb hat man einKOflzept mit kleinen Fluss-Konzentra­toren entwickelt. Damit wird das Un­gleichgewicht zwischen den Kompo-

hoht. Zudem benotigt diese Sensor­Konfiguration nur einen Bruchteil derüblichen Peripherie und muss nichtkonzentrisch zu den Motorkompo­nenten montiert werden. Für den An­wender heiBt das: weniger Ausfalldank hoher Robustheit. Selbst imFalle eines Defekts ist der Austauschder Messkomponenten stark verein­facht. AuBerdem ist der Stramver­brauch wesentlich niedriger.

Hall-Effekt- oder GMR-Sonden enthalt,bildet die Grundlage des neuen Sen­sor-Prinzips von MMT. Die Sonde er­mittelt den Winkel des magnetischenFeldes; das von einem diametral odermultipolar magnetisierten Magnetenmit n Pol-Paaren erzeugt wird. SA ent­steht eine hoch lineare magnetischeWinkel>chwankung über 360° oder360 0 /n. Damit ist diese Losung selbstfür hochste Ansprüche geeignet, dadie valle Leistung ohne EinbuBen er­halten bleibt. Aufbauend auf diesemPrinzip entwickelte MMT eine ganzeReihe patentierter Technologien zurPositionsbestimmung für Hohlwellen­Applikationen. Dabei sind aile Proto­typen dieser Technologie für kontinu­ierliche Betriebstemperaturen zwi­schen -40 und +160°C und extremenmagnetischen sowie mechanischenBelastungen ausgelegt - ohne spür­bare Auswirkungen auf die Sensor­prazision. lm Vergleich zu bisher vero;wendeten Pradukten überzeugt dieMMT-Losung auch durch geringesGewicht und kompakte EinbaumaBe,was die Montageflexibilitat enorm er-

Bild 3: Konstruktionsbeispiele

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