Neues Magnetsensor-Prinzip

Kosteneffiziente Steuerung elektrischer Antriebe
Große Leistungsdichte und hohe Effizienz bei Energiewandlung und -übertragung: Das zeichnet Permanentmagnet-Motoren aus. Deshalb sind sie die erste Wahl für große Elektroantriebe, die in Elektro- und Hybridfahrzeuge eingesetzt werden. Für einen effektiven und reibungsarmen Betrieb verwenden die Hersteller bei Permanentmagnet-Antrieben bisher Reluktanz-Resolver. Diese Lösung ist allerdings mit negativen Konsequenzen bei Kosten, Montagefreundlichkeit, Temperaturbereich, Stromaufnahme sowie Gewicht und Baugröße verbunden. Moving Magnet Technologies (MMT) hat deshalb ein magnetisches Sensor-Prinzip mit Hohlwellen-Konfiguration und hoher Auflösung entwickelt, das die bisherigen Probleme beseitigt und dennoch alle anderen Anforderungen hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Leistung erfüllt.

Moving Magnet Technologies (MMT) aus Besançon in Frankreich ist auf Grundlagen-Forschung, Entwicklung, Simulationen, Musterbau und Engineering-Dienstleistungen spezialisiert. Als 100%ige Tochter des Schweizer Antriebsherstellers Sonceboz liefert MMT anwendungs- und marktorientierte berührungslose Lösungen für die Bewegungssteuerung sowie elektromagnetische Antriebe. MMT bietet zahlreiche Patente und Lizenzen, die weltweit in verschiedenen Industriezweigen genutzt werden können. Dazu gehört jetzt auch das neue magnetische Sensor-Prinzip mit Hohlwellen-Konfiguration.

Reluktanz-Resolver – die typische Lösung

Permanentmagnet-Motoren benötigen hochgenaue Positionssensoren, die mit einer Sinus-Steuerung kompatibel sind. Sie sollen die Drehzahl mit hoher Auflösung und Genauigkeit ermitteln. Diese Sensoren müssen zudem selbst in Hohlwellen mit großen Durchmessern (von 50 bis mehr als 100mm) integrierbar sein. Reluktanz-Resolver sind die typische Lösung für solche Anforderung, haben aber die bekannten Nachteile. In Antrieben für elektrische Motoren kommen in den allermeisten Anwendungen Encoder, also magnetische Sensoren auf Grundlage eines Permanentmagneten, zum Einsatz. Üblicherweise ist der Encoder mit einer Magnetkonfiguration am \’Ende\‘ der Welle angebracht. Doch bei leistungsstarken elektrischen Kraftantrieben oder in Hybridfahrzeugen mit großem Hohlwellendesign ist dies nicht möglich, da sich die Sensoren den Umgebungsbedingungen der Maschine anpassen müssen. Sie sollen Vibrationen, Temperaturschwankungen und Geschwindigkeiten problemlos standhalten und dennoch nur eine möglichst geringe Anzahl von Teilen verwenden. Zudem können die bisherigen magnetischen Sensoren die notwendige Auflösung für solch hocheffiziente Motoren nicht erreichen. Triftige Gründe für MMT eine wirtschaftliche Alternative zu entwickeln.

Die Magnetsensor-Lösung

Ein Winkel-Positionssensor mit durchgehender Hohlwelle, die ein bis zwei Hall-Effekt- oder GMR-Sonden enthält, bildet die Grundlage des neuen Sensor-Prinzips von MMT. Die Sonde ermittelt den Winkel des magnetischen Feldes, das von einem diametral oder multipolar magnetisierten Magneten mit n Pol-Paaren erzeugt wird. So entsteht eine hoch lineare magnetische Winkelschwankung über 360° oder 360°/n. Damit ist diese Lösung selbst für höchste Ansprüche geeignet, da die volle Leistung ohne Einbußen erhalten bleibt. Aufbauend auf diesem Prinzip entwickelte MMT eine ganze Reihe patentierter Technologien zur Positionsbestimmung für Hohlwellen-Applikationen. Dabei sind alle Prototypen dieser Technologie für kontinuierliche Betriebstemperaturen zwischen -40 und +160°C und extremen magnetischen sowie mechanischen Belastungen ausgelegt – ohne spürbare Auswirkungen auf die Sensorpräzision. Im Vergleich zu bisher verwendeten Produkten überzeugt die MMT-Lösung auch durch geringes Gewicht und kompakte Einbaumaße, was die Montageflexibilität enorm erhöht. Zudem benötigt diese Sensor-Konfiguration nur einen Bruchteil der üblichen Peripherie und muss nicht konzentrisch zu den Motorkomponenten montiert werden. Für den Anwender heißt das: weniger Ausfall dank hoher Robustheit. Selbst im Falle eines Defekts ist der Austausch der Messkomponenten stark vereinfacht. Außerdem ist der Stromverbrauch wesentlich niedriger.

Vier effiziente Varianten

Dem Kunden bietet MMT bisher vier Ausführungen der neuen Sensor-Technologie: Die Basislösung besteht aus einem 2-Achsen-Sensor mit Ringmagnet und durchgehender Hohlwelle. Er arbeitet mit einem Hall-IC zur Magnetfeld-Winkelmessung mit standardisierter Signalbearbeitung durch eine Arctangens-Berechnung zwischen zwei Komponenten des Magnetfelds über einen Anpassungskoeffizienten. So lassen sich präzise Ergebnisse zwischen ±0,5% des Hubbereichs (±1,8° für 360°-Sensoren) ermitteln. Für eine noch höhere Genauigkeit bei noch gezielterem Einsatz haben die Experten aus Besançon eine weitere Lösung parat. Diese Variante mit einer Präzision typischerweise unter ±0,25% des Hubbereichs und deshalb unter ±1 elektronischem Wirkungsgrad für einen 360°-Sensor, verfügt über zwei zweiachsige Sonden (z.B. Hall-Sonden), die im Quadrat mit 90° elektrischer Signalaufbereitung angeordnet sind. Jede Sonde verlangt zwei Signale, sinus/cosinus-förmig, wobei jedes Signal einer Komponente des Magnetfeldes entspricht. Ein externer Controller erkennt dann durch die jeweilige Signalkombination die Position. So lassen sich Ungenauigkeiten kompensieren und die Sensorpräzision noch verbessern. Der Sensor ist dadurch unempfindlich gegenüber äußeren homogenen magnetischen Feldern und damit leistungsfähiger. Für 360°-Absolut-Sensoren mit großem Wellen-Durchmesser hat MMT eine weitere Variante im Programm. Bei großen Durchmessern werden die Amplituden der Magnetfeld-Komponenten zu unterschiedlich, um die Position optimal zu erfassen. Deshalb hat man ein Konzept mit kleinen Fluss-Konzentratoren entwickelt. Damit wird das Ungleichgewicht zwischen den Komponenten des magnetischen Feldes ausgeglichen und eine effektive Signalbearbeitung gesichert. Diese Lösung ermöglicht es, die Genauigkeit dieser Sensoren bis hin zu extrem großen Wellen-Durchmessern zu erhalten. Eine weitere Alternative bietet eine Anpassung der Anzahl der Polpaare an die Zahl n der Polpaare des Motors. Damit erhält der Anwender eine absolute Position über die komplette elektrische Periode (360°/n). Dieses Prinzip liefert einen außergewöhnlich präzisen Sensor, da die mechanische Auflösung bei einem reduzierten Hubbereich (360°/n) von derselben Linearität (typischerweise unter ±0,25% des Hubbereichs) kalkuliert ist. Die Fluss-Konzentratoren werden so überflüssig. Tests an Prototypen mit verschiedenen Polpaaren und Durchmessern haben gezeigt, dass so Werte bis 0,2° mechanische Genauigkeit erreicht werden können.

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MMT Moving Magnet Technologies S.A.
http://www.movingmagnet.com

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