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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
176 Ausgabe SPS-Special 2013
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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Magnetisches Sensor-Prinzip für elektrische Antriebe
www.movingmagnet.com
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
178. Ausgabe SPS-Special 2013
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