DE102004004744A1 - Mehrphasige elektrische Maschine mit Drehlagesensor - Google Patents

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DE102004004744A1
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Robert Bosch GmbH
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine mehrphasige elektrische Maschine, insbesondere einen Starter-Generator für Brennkraftmaschinen, mit einem Ständer (14), einer mehrphasigen Ständerwicklung (15), einem Klauenpolläufer (16) sowie einem Drehlagesensorsystem (35) zur Ermittlung der elektrischen Winkelstellung des Klauenpolläufers zur Ständerwicklung. Das Drehlagesensorsystem hat einen umlaufenden Teil (34) mit den Läuferpolen zugeordneten Segmenten, der mit einem ortsfesten, mehrere Sensorelemente (39) aufweisenden Aufnehmer (38) zusammenwirkt. DOLLAR A Zur Vermeidung temperaturbedingter Ausfälle und störfeldbedingter Einflüsse am Drehlagesensorsystem wird vorgeschlagen, den umlaufenden Teil (34) als Segmentring mit abwechselnd elektrisch leitenden und nicht leitenden Segmenten und die Sensorelemente als Wirbelstrom-Sensorelemente (39) auszubilden, deren komplexe Impedanz von der Stellung des Segmentringes abhängig veränderbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine mehrphasige elektrische Maschine, insbesondere einen Starter-Generator für Brennkraftmaschinen mit einem Drehlagesensor nach der Gattung des Anspruchs 1.
  • Elektrische Maschinen dieser Bauart werden zum Beispiel als Starter-Generator in Kraftfahrzeugen verwendet. Die elektrische Maschine wird dabei einerseits im Generatorbetrieb als Drehstromgenerator von der Brennkraftmaschine des Fahrzeuges angetrieben und die erzeugte Energie über eine Gleichrichter-Baueinheit dem Bordnetz des Fahrzeugs zugeführt. Andererseits wird die elektrische Maschine im Motorbetrieb zum Starten der Brennkraftmaschine verwendet, indem sie dann über einen Wechselrichter von Gleichstrom-Bordnetz versorgt wird. Um die elektrische Maschine im Motorbetrieb aus einer beliebigen Ruhelage heraus in die vorgegebene Drehrichtung starten zu können, ist es zum Beispiel aus der FR 2807 231 B1 bekannt, einen Drehlagesensor am vorderen Lagerflansch der Maschine zur Erfassung der Polstellung des Klauenpolläufers zu den drei Phasen der Statorwicklung anzuordnen. Dabei wird unverzüglich mit dem Einschalten der Versorgungsspannung die Ruhelage eines an der Riemenscheibe der Maschine befestigten Polringes abgetastet, der über seinen Umfang mit einer der Zahl der Läuferpole entsprechenden Polzahl versehen ist. Der Lagesensor ist dabei mit drei um jeweils 120° elektrisch zueinander versetzten HALL-Sensorelementen versehen, die auf Änderungen der Feldstärke einer senkrechten Komponente des am Polumfanges vorhandenen magnetischen Wechselfeldes reagieren und dementsprechend über eine Schaltstufe, zum Beispiel einem Schmitt-Trigger jeweils ein High- oder Low-Signal abgeben. Dabei ist nachteilig, dass die Sensorelemente und der Polring des Lagesensors vom Streufeld des Erregerfeldes im Klauenpolläufer beeinträchtigt werden, indem die Ausgangssignale der Sensorelemente hierdurch abhängig von der Stärke des Erregerstromes im Klauenpolläufer verzerrt werden.
  • Um die Signalverzerrung durch das Streufeld des Klauenpolläufers zu kompensieren, ist es aus der WO 01/69762 A1 bekannt, das Polrad über seinen Umfang mit einer unsymmetrischen Polteilung zu versehen. Das hat jedoch den Nachteil, dass die Kompensationen nur für ein vorgegebenes konstantes Erregerfeld des Klauenpolläufers wirksam ist. Da jedoch insbesondere in der Anlaufphase der elektrischen Maschine sich die Stärke des Erregerfeldes stark ändert, ist der Einsatz derartiger Sensorausführungen bei Starter-Generatoren problematisch. Ein weiterer Nachteil solcher Drehlagesensoren ist, dass die maximal zulässige Einsatztemperatur bei HALL-Sensorelementen üblicherweise auf 150° Celsius mit kurzzeitigen Spitzenbelastungen von 170° Celsius begrenzt ist. Die Sensoren müssen daher im Motorraum von Kraftfahrzeugen besonders geschützt oder gut gekühlt werden.
  • Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, die elektrische Maschine mit einem Drehlagesensor auszurüsten, der unabhängig von der Stärke niederfrequenter magnetischer Streu- und Störfelder auch bei Betriebstemperaturen über 170° Celsius zuverlässig arbeitet, indem mit dem Einschalten der Versorungsspannung eine Lageerfassung der Läuferpole gegenüber den Phasen der Statorwicklung erfolgt.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Wirbelstrom-Sensorelemente und der damit zusammenwirkende umlaufende Segmentring unempfindlich gegen magnetische Streufelder des Läufers und gegebenenfalls anderer, üblicherweise niederfrequenter magnetischer Störfelder sind, da ihre Signale jeweils nur in Abhängigkeit von einer Wirbelstrombedämpfung auftreten, welche durch die jeweilige Position der Segmente bestimmt wird. Die Temperaturfestigkeit der an sich bekannten Wirbelstrom-Sensorelemente ist dabei erheblich höher als die von HALL-Sensorelementen, so dass beim Einsatz von Wirbelstrom-Sensorelementen keine besonderen Maßnahmen zur Temperaturbegrenzung erforderlich werden.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.
  • So ergibt sich eine besonders kostengünstige Herstellung der Wirbelstrom-Sensorelemente dadurch, dass diese jeweils aus einer hochfrequenzgespeisten Wicklung bestehen, die vorzugsweise in gedruckter Schaltung eine sehr flache Sensorgeometrie aufweist. Dabei werden die Wicklungen beim Anlegen einer Versorgungsspannung von einem hochtransienten Strom durchflossen. Die wirksame komplexe Impedanz der Wicklungen ist dabei abhängig davon, ober der jeweiligen Wicklung ein elektrisch leitendes oder ein nicht leitendes Segment des umlaufenden Teiles gegenübersteht. Die Änderung dieser wirksamen komplexen Impedanz an einer der Wicklungen wird zur exakten Lagebestimmung des Läufers der Maschine ausgewertet.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Wirbelstrom-Sensorelemente jeweils als Schwingkreis mit einer von der Drehlage der Segmente des umlaufenden Teils veränderbaren Schwingfrequenz zu konfigurieren, wobei die Kapazität eines solchen Schwingkreises die Eigenkapazität der jeweiligen Wicklung oder eine gesonderte zugeschaltete Kapazität sein kann, die als diskretes Bauteil oder ebenfalls in gedruckter Schaltungstechnik auszuführen ist. Bei einer solchen Schwingkreisausführung ändert sich deren komplexe Impedanz und damit ihre Resonanzfrequenz ebenfalls in Abhängigkeit der Wirbelstrombedämpfung durch die Position der elektrisch leitenden und nicht leitenden Segmente des umlaufenden Teiles. Mittels eines Entdämpfungsverstärkers, der Teil einer Sensorelektronik ist, ergibt sich daraus ein frequenzmoduliertes Signal, bei dem die Wechselfrequenz bei der Abfolge von leitfähigen und nicht leitfähigen Segmenten die modulierende Frequenz ist und die Eigenfrequenz des Schwingkreises die Trägerfrequenz ist. Das frequenzmodulierte Signal kann mittels geeigneter Schaltungen, zum Beispiel PLL, Zählerschaltungen, Integratorschaltungen ausgewertet werden.
  • Bei Anordnungen des Drehlagesensors in Bereichen mit gemäßigten Umgebungstemperaturen wird zur Erzielung einer hohen Funktionssicherheit vorgeschlagen, die Wirbelstrom-Sensorelemente gemeinsam mit der Sensorelektronik am ortsfesten Aufnehmer anzuordnen. Für Hochtemperatur-Anwendungen empfiehlt es sich jedoch, die weniger temperaturbelastbare Sensorelektronik von den Sensorelementen räumlich entfernt anzuordnen und sie mittels temperaturbeständiger, geschirmter Leitungen zu verbinden.
  • Für eine möglichst einfache und kostengünstige Ausführung des Drehlagesensors ist der umlaufende, als Segmentring ausgebildete Teil ein elektrisch leitender, magnetisch unwirksamer Blechring mit in Axialrichtung vorstehenden, in gleichen Abständen zueinander freigestanzten Fahnen. Die Fahnen bilden dabei die elektrisch leitenden Segmente und die Lücken zwischen den Fahnen die nicht leitenden Segmente. Die Fahnen und Lücken des Segmentringes haben dabei gleich große Bogenmaße, so dass bei einer Anordnung von drei zueinander in Umfangsrichtung um 120° elektrisch versetzten Wirbelstrom-Sensorelementen innerhalb einer Drehung des Läufers um eine Polteilung an einem der drei Sensorelemente ein Signalwechsel auftritt, mit dem die genaue Drehlage des Läufers bestimmt wird. Der Segmentring kann ebensogut durch Aufbringen von leitfähigen Schichten auf einen nicht leitfähigen Träger, zum Beispiel durch Aufdampfen, Aufdrucken oder Aufkleben und dergleichen hergestellt werden.
  • Eine besonders geschützte Anordnung des Drehlagesensors wird dadurch erzielt, dass dessen Segmentring in einer nach hinten offenen, axialen Ausnehmung einer auf die Läuferwelle aufsetzbaren Riemenscheibe untergebracht wird und dass der Aufnehmer in diese Ausnehmung hineinragt. Dies hat die weiteren Vorteile, dass für die Unterbringung des Drehlagesensors kein zusätzlicher Raumbedarf und keine Vergrößerung der axialen Baulänge der Maschine erforderlich ist, dass eine thermisch günstige Anordnung erfolgt und dass enge Fertigungstoleranzen bezüglich des Luftspaltes zwischen dem Segmentring und den Sensorelementen ohne großen zusätzlichen Aufwand möglich sind. Zur möglichst genauen Ermittlung der Drehlage des Läufers ist es vorteilhaft, wenn der als Segmentring dienende Blechring an einer axialen Wandung der Ausnehmung, vorzugsweise an der äußeren axialen Wandung der Ausnehmung befestigt ist.
  • Um die Wirbelstrom-Sensorelemente ausschließlich durch den Segmentring und nicht durch das Material der Riemenscheibe zu beeinflussen, wird zweckmäßigerweise zur Entkopplung der Sensorelemente von der Riemenscheibe ein den Segmentring tragender, elektrisch nicht leitender Ring, zum Beispiel aus Kunststoff, an der äußeren axialen Wandung der Ausnehmung befestigt. Für eine exakte Zuordnung der Segmente des umlaufenden Teiles zu den Läuferpolen der Maschine wird zweckmäßigerweise die Riemenscheibe in einer vorgegebenen Winkelstellung zu den Polen des Läufers auf der Läuferwelle fixiert, insbesondere formschlüssig befestigt. Um ferner den Aufnehmer mit den Sensorelementen am Umfang des Lagerschildes der Maschine in einer vorgegebenen Winkelstellung zur Ständerwicklung exakt positionieren zu können, wird vorgeschlagen, den Aufnehmer in einer Aussparung am Lagerschild der elektrischen Maschine zu befestigen und zweckmäßigerweise auf radiale Zentrierschultern und Zentrierflächen der Aussparung am Lagerschild zu zentrieren.
  • Will man eine genauere Drehlage der Läuferpole detektieren, können anstatt dreier um 120° elektrisch zueinander versetzter Sensorelemente beispielsweise sechs um jeweils 60° elektrisch zueinander versetzte Sensorelemente verwendet werden. Damit lässt sich die Drehlage im Stillstand über einen Winkel von 30° elektrisch bestimmen. In jedem Fall wird beim Andrehen des Motors mit dem ersten Signalwechsel an einem der Sensorelemente mit Hilfe der Auswerteschaltung die Drehlage der Läuferpole zu der Statorwicklung exakt ermittelt, so dass spätestens dann die Maschine vom Wechselrichter mit maximaler elektrischer Energie zum Andrehen der Brennkraftmaschine eingeschaltet werden kann.
  • Zeichnung
  • Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Starter-Generator für Kraftfahrzeuge im Längsschnitt mit Drehlagesensor,
  • 2 den Drehlagesensor mit Aufnehmer und Segmentring in Vorderansicht in schematischer Darstellung,
  • 3 zeigt den Segmentring in raumbildlicher Darstellung,
  • 4 zeigt das vordere Lagerschild mit montiertem Aufnehmer des Drehlagesensors in der Vorderansicht,
  • 5 zeigt einen vergrößerten Ausbruch der Anordnung des Drehlagesensors in einer Ausnehmung der Riemenscheibe,
  • 6 zeigt ein Schaltschema eines der drei Wirbelstrom-Sensorelemente,
  • 7 zeigt den Signalverlauf am Eingang und Ausgang einer Sensorelektronik des Wirbelstrom-Sensorelementes nach 6 und
  • 8 zeigt ein Diagramm mit dem Signalverlauf am Ausgang der Sensorelektronik der drei Sensorelemente.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Die 1 zeigt einen Starter-Generator für Kraftfahrzeuge im Längsschnitt, dessen Gehäuse im wesentlichen aus zwei Lagerschilden 10 und 11 besteht, die durch Schrauben 12 zusammengehalten sind und zwischen denen das Blechpaket 13 eines Ständers 14 eingespannt ist. In den Nuten des Blechpaktes 13 ist eine dreiphasige Ständerwicklung 15 angeordnet. Innerhalb der Ständerbohrung befindet sich ein Klauenpolläufer 16, dessen Erregerwicklung 17 auf einem Polkern 18 sitzt. Auf der linken Antriebsseite der Maschine ist im Lagerschild 10 eine Nabe 10a ausgebildet, in der ein Kugellager 19 zur Lagerung des antriebsseitigen Teiles einer Läuferwelle 20 angeordnet ist. Der rechte Teil der Läuferwelle 20 ist in einem schwächer ausgebildeten Kugellager 21 aufgenommen, welches zusammen mit einer Schleifringkapsel 22 in der Nabe 11a des Lagerschildes 11 angeordnet ist. An der Stirnseite des hinteren Lagerschildes 11 ist eine Gleichrichter-Wechselrichter-Baueinheit 23 gemeinsam mit einer Schutzkappe 24 befestigt. Stirnseitig am Polkern 18 ist ein erster und zweiter Klauenpol 25, 26 auf der Läuferwelle 20 aufgepresst beziehungsweise verstemmt. Zur elektrischen Versorgung der Erregerwicklung 17 sind am hinteren Wellenende zwei Schleifringe 27, 28 isoliert befestigt, die mit den Bürsten eines am hinteren Lagerschild 11 befestigten Bürstenhalters 29 zusammenwirken. Die Klauenpole 25 und 26 sind aus Polplatinen durch Kaltverformung hergestellt worden und haben über den Umfang gleichmäßig verteilt axial abgewinkelte, ineinander greifende Klauenpolfinger 30.
  • Am antriebsseitigen Ende der Läuferwelle 20 ist eine Riemenscheibe 31 befestigt, die an ihrem hinteren Abschnitt eine axiale Ausnehmung 32 aufweist. Die Ausnehmung 32 ist nach hinten zur Stirnseite des Lagerschildes 10 hin offen und trägt an ihrer radial äußeren axialen Wandung 33 einen Segmentring 34. Der in 3 räumlich dargestellte Segmentring 34 bildet den umlaufenden Teil eines Drehlagesensorsystems 35. Der Segmentring 34 ist aus einem Blechstreifen aus elektrisch leitenden, magnetisch unwirksamen Material wie Kupfer oder Aluminium ausgestanzt und zu einem Blechring gebogen. Er hat eine Vielzahl axial vorstehender Fahnen 36, die in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind. Die Fahnen 36 wechseln sich in Umfangsrichtung betrachtet jeweils mit gleich großen Lücken 37 ab. Über den Umfang betrachtet ist der Segmentring 34 abwechselnd mit elektrisch leitenden und nicht leitenden Segmenten versehen. Der ruhende Teil des Drehlagesensorsystems 35 besteht aus einem an der Stirnseite des vorderen Lagerschildes 10 befestigten Aufnehmer 38, der mehrere Wirbelstrom-Sensorelemente 39 aufweist. Der Aufnehmer 38 ragt mit seinen Wirbelstrom-Sensorelementen 39 axial in die Ausnehmung 32 der Riemenscheibe 31 hinein und wirkt dort über einen kleinen radialen Luftspalt mit den elektrisch leitenden und nicht leitenden Segmenten des Segmentringes 34 zusammen. Der Segmentring 34 ist dabei in einfachster Weise in der axialen Ausnehmung 32 der Riemenscheibe 31 an der radial äußeren Wandung 33 verklebt oder anderweitig form- oder kraftschlüssig verbunden.
  • 2 zeigt in schematischer Darstellung das Drehlagesensorsystem 35 in der Vorderansicht. Bei einem Klauenpolläufer mit 16 Polen ist dementsprechend auch der in der Ausnehmung 32 der Riemenscheibe 31 befestigte Segmentring 34 mit 16 abwechselnd elektrisch leitenden und nicht leitenden Segmenten in Form von je acht Fahnen 36 und Lücken 37 versehen. Dicht unterhalb der Innenseite des Segmentringes 34 sind drei Wirbelstrom-Sensorelemente 39 auf einer Konsole 40 des Aufnehmers 38 angeordnet, welche jeweils aus einer mit hochfrequenten Strömen gespeisten Spule bestehen. Die Sensorspulen 39a sind hierbei gemäß 6 als flache Spulen in der Technik gedruckter Schaltungen ausgeführt. Als Trägermaterial kann hierbei vorzugsweise eine Polyimidfolie oder ein Keramiksubstrat für die Anwendung einer Hybridtechnik zum Einsatz kommen. Damit wird eine hohe Temperaturbeständigkeit erreicht. Zum Schutz gegen aggressive Medien können diese Trägermaterialen auch von einer Schutzschicht, zum Beispiel einem temperaturbeständigen Silikonwerkstoff oder einem Polyphenylensulfid abgedeckt werden. Bei derartigen Werkstoffkombinationen sind Umgebungstemperaturen von 200° Celsius und mehr möglich.
  • Da jede Fahne 36 des Segmentringes 34 mit der nachfolgenden Lücke 37 einem elektrischen Winkel φ von 630° entspricht, sind die drei Sensorelemente 39 zueinander um den elektrischen Winkel α von 120° versetzt. Dies entspricht dem Winkel, den auch die drei Phasen der Ständerwicklung 15 bezogen auf ein Polpaar des Klauenpolläufers 16 zueinander versetzt sind. Um die Position der Klauenpolfinger 30 zu den einzelnen Phasen der Ständerwicklung 15 ermitteln zu können, ist die Riemenscheibe 31 gemäß 1 in einer vorgegebenen Winkelstellung zu den Polen des Klauenpolläufers 16 auf der Läuferwelle 20 mittels einer Passfeder 41 formschlüssig befestigt. In entsprechender Weise muss auch der Aufnehmer 38 mit den Sensorelementen 39 in einer vorgegebenen Position an der elektrischen Maschine fixiert sein. Wie 4 zeigt, ist zu diesem Zweck in dem vorderen Lagerschild 10 der elektrischen Maschine stirnseitig eine Aussparung 42 vorgesehen, in welche der Aufnehmer 38 mit einem Zentrierkragen 43 (gemäß 5) in einer vorgegebenen Winkelstellung zur Ständerwicklung 15 positioniert und mittels Schrauben 44 befestigt ist. Dabei sind die drei Sensorelemente 39 über jeweils eine Signalleitung 45 einer nicht dargestellten, weggebauten Auswerteschaltung verbunden.
  • Die Signaländerung an den Sensorelementen 39 ist um so größer, je größer die Wirbelstrombedämpfung der Sensorelemente 39 durch die Fahnen 36 des Segmentringes 34 ist. Dabei wird die komplexe Impedanz der Sensorelemente 39 durch die Wirbelstrombedämpfung verringert. Zur Wirbelstrombedämpfung ist es folglich wichtig, dass die Wirbelstrom-Sensorelemente 39 mit einem kleinen Arbeitsluftspalt 46 möglichst dicht unterhalb des Segmentringes 34 angeordnet sind. Bei einem elektrisch leitenden, nicht ferromagnetischen Material der Riemenscheibe wäre es alternativ auch möglich, anstelle des Segmentringes 34 das Material der Riemenscheibe zu verwenden, wobei die elektrisch nicht leitenden Segmente zwischen den elektrisch leitenden Segmenten durch axial von der hinteren Stirnseite der Riemenscheibe 31 her eingefräste Nuten von mindestens 2mm Tiefe herstellbar sind. Ein ferromagnetischer Werkstoff des Segmentringes könnte gegebenenfalls die komplexe Impedanz der Sensorelemente 39 frequenzabhängig erhöhen und somit die Sensorsignale beeinflussen, was im Allgemeinen nicht zweckmäßig ist.
  • Eine weitere Alternative zeigt 5 mit einem Ausbruch der Riemenscheibe 31 im Längsschnitt. Dort ist zur Entkopplung der auf der Konsole 40 des Aufnehmers 38 in gedruckter Schaltung aufgebrachten Sensorelemente 39 von der Riemenscheibe auf der äußeren axialen Wandung 33 der Ausnehmung 32 ein elektrisch nicht leitender Ring 47, zum Beispiel aus Kunststoff, fest eingesetzt, der auf seiner Innenseite den Segmentring 34 trägt.
  • 6 zeigt in schematischer Darstellung eine der drei Wirbelstrom-Sensorelemente 39 in Form einer gedruckten Spule 39a, die mit dem umlaufenden Segmentring 34 zusammenwirkt. Die Sensorspule 39a ist an den Eingang einer Sensorelektronik 48 angeschlossen. Die Sensorelektronik 48 enthält eine Schaltung zur Stromversorgung der Sensorspule 39a sowie Signalformerstufen. Bei Anordnungen mit geringer Temperaturbelastung sind vorzugsweise die Sensorelektroniken 48 mit den Wirbelstrom-Sensorelementen 39 gemeinsam auf der Konsole 40 des Aufnehmers 38 angeordnet. Am Ausgang der Sensorelektronik 48 ist die zur Auswerteschaltung führende Signalleitung 45 angeschlossen. Bei stark temperaturbelasteten Anwendungen sind dagegen die Sensorelektroniken 48 an einer vom Aufnehmer 38 entfernten, kühleren Stelle unterzubringen, wobei dann die Anschlüsse der Sensorspulen 39a über geschirmte, temperaturbeständige Leitungen mit den Sensorelektroniken 48 zu verbinden sind.
  • Die Wirbelstrom-Sensorelemente 39 werden als Schwingkreis aufgebaut, indem die Sensorspulen 39a jeweils mit einer in 6 dargestellten, gesonderten Kapazität 49 oder mit ihrer eigenen Windungskapazität mit einem nicht dargestellten Entdämpfungsverstärker der Sensorelektronik 48 verbunden werden. Je nach relativer Lage der Fahnen 36 und Lücken 37 des Segmentringes 34 zu den Sensorspulen 39a verändert sich dann die Resonanzfrequenz des Schwingkreises und somit auch die tatsächliche Schwingfrequenz der Anordnung. Die so veränderbare Eigenfrequenz des Schwingkreises wird durch entsprechende Dimensionierung in einen Bereich von 0,5 bis 2 MHz gelegt.
  • 7 zeigt in einem Diagramm über den elektrischen Drehwinkel φ die Frequenz f des Stromes in Abhängigkeit von der Drehlage des Segmentringes 34. Nach der Drehung des Segmentringes um 180° elektrisch erhöht sich beim Übergang zwischen einer Fahne 36 und der nachfolgenden Lücke 37 die komplexe Impedanz der Sensorspule 39a und die Resonanzfrequenz f geht auf einen niedrigeren Wert zurück. Nach einer weiteren Drehung des Segmentringes 34 um 180° elektrisch folgt die nächste Fahne 36 und die Resonanzfrequenz des Schwingkreises steigt erneut auf den höheren Wert an. Diese Frequenzänderung wird in der Sensorelektronik 48 zu einem logischen H/L-Signal umgeformt, welches nun als Signal S auf der Signalleitung 45 erscheint.
  • Alternativ zum Schwingkreis können die Wirbelstrom-Sensorelemente 39 auch ohne die Kapazität 49 arbeiten. Mit dem Einschalten des Drehzahlsensorsystems werden die Sensorspulen 39a dann zum Beispiel von einem hochtransienten Strom mit einer Frequenz von beispielsweise 1 MHz durchflossen. Dabei ändert sich die wirksame komplexe Impedanz der jeweiligen Sensorspule 39a bezüglich ihrer Anschlüsse je nachdem, ob gerade eine Fahne 36 oder eine Lücke 37 des Segmentringes 34 der Sensorspule 39a gegenüber steht. Diese Änderung der komplexen Impedanz wird über eine geeignete Schaltung der Sensorelektronik ausgewertet und als H/L Signal ausgegeben.
  • Die Wirkungsweise des Drehlagesensorsystems 35 zur Bestimmung der Drehlage des Klauenpolläufers 16 nach 2 wird mit 8 im Folgenden näher erläutert. Dort sind in einem Diagramm die von den drei Sensorelementen 38 über ihre Sensorelektronik 48 an die Signalleitungen 45 abgegebenen Signalverläufe in Abhängigkeit vom elektrischen Drehwinkel φ des Segmentringes 34 dargestellt. Das erste Sensorelement gibt dabei den Signalverlauf der Phase u, das zweite den Signalverlauf der Phase v und das dritte Sensorelement den Signalverlauf der Phase w ab. In der dargestellten Ausgangslage tritt zunächst in der Phase u ein High-Signal auf, indem beispielsweise gemäß 2 dem ersten, linken Sensorelement 39 eine Fahne 36 des Segmentringes 34 gegenübersteht. Nach 180° elektrischer Drehung des Segmentringes 34 in Pfeilrichtung gelangt die nachfolgende Lücke 37 des Segmentringes 34 oberhalb des linken Sensorelementes 39 und bewirkt dort eine Signaländerung, wodurch das Ausgangssignal der Sensorelektronik 48 von High auf Low umgeschaltet wird. Nach weiteren 180° elektrischer Drehung folgt eine weitere Fahne 36, so dass nunmehr das Ausgangssignal für weitere 180° elektrisch auf High umgeschaltet wird. An den Phasen v und w des mittleren und rechten Sensorelementes 39 treten entsprechend dem Versetzungswinkel α um 120° elektrisch versetzte Signalverläufe auf. In einer Auswerteschaltung werden diese statischen Sensorsignale logisch ausgewertet. Da sich hierbei durch die gleichbreiten Fahnen 36 und Lücken 37 des Segmentringes 34 exakt nach jeweils 60° elektrischem Drehwinkel eines der drei Ausgangssignale ändernd, lässt sich in der Ruhelage die Position des Klauenpolläufers 16 zunächst nur innerhalb eines Winkelbereichs von maximal 60° elektrisch ermitteln, so dass beispielsweise im Motorbetrieb der elektrischen Maschine die Ständerwicklung 15 zunächst nur mit einer geringen Stromstärke vom Wechselrichter versorgt wird. Mit der ersten Signaländerung an einem der drei Sensorelemente nach maximal 60° elektrisch erfasst sodann die Auswerteschaltung die exakte Position des Klauenpolläufers 16, so dass spätestens dann die volle Stromstärke der Ständerwicklung 15 zum Andrehen der Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Bei dem hier beschriebenen Drehlagesensorsystem 35 lässt sich nach dem Einschalten der Versorungsspannung immer sicher erkennen, ob sich gerade eine Fahne 36 oder eine Lücke 37 des Segmentringes 34 vor dem jeweiligen Sensorelement 39 befindet. Verwendet man drei um jeweils 120° elektrisch zueinander versetzte Sensorelemente 39 gemäß 2, so lässt sich damit für eine Dreiphasen-Ständerwicklung die Stellung des Polrades im Stillstand in einem elektrischen Winkelbereich von 60° detektieren. Bei engen Raumverhältnissen oder sehr hoher Polzahl können gegebenenfalls die Sensorelemente 39 um zusätzliche 360° elektrisch oder einem Vielfachen davon zueinander versetzt angeordnet werden, so dass auch bei größeren absoluten Abständen der Sensorelemente 39 der relative Abstand zueinander weiterhin 120° elektrisch beträgt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung des Drehlagesensorsystems 35 an der Riemenscheibe 31 vorteilhaft, da sie gegen mechanische Beschädigungen geschützt und auch thermisch wenig belastet wird. Weiterhin vermindert die Riemenscheibe die elektromagnetische Störemission der Spulen, da der Spalt zwischen Riemenscheibe und Lagerschild sehr klein gegen die Wellenlänge des hochfrequenten Stromes in den Spulen ist. Das Drehlagesensorsystem kann aber auch innerhalb der elektrischen Maschine oder am hinteren Lagerschild angeordnet werden, da die Wirbelstrom-Sensorelemente 39 im Gegensatz zu bisher hierfür verwendeten HALL-Sensoren weder temperaturempfindlich noch störfeldempfindlich sind.

Claims (10)

  1. Mehrphasige elektrische Maschine, insbesondere Starter-Generator für Brennkraftmaschinen, mit einem eine mehrphasige Wicklung (15) tragenden Ständer und einem vielpoligen, auf einer Läuferwelle (20) befestigten Läufer, insbesondere Klauenpolläufer (16), dessen Drehwinkellage zum Ständer innerhalb einer durch die Polpaare des Läufers vorgegebenen elektrischen Winkels (φ) von 360° von einem Drehlagesensorsystem (35) zu ermitteln ist, das einen mit der Läuferwelle umlaufenden Teil (34) aufweist und der über einen geringen Luftspalt (46) mit einem ortsfesten, mehrere Sensorelemente (39) aufweisenden Aufnehmer (38) zusammenwirkt, wobei die Sensorelemente zueinander in Umfangsrichtung versetzt sind und der umlaufende Teil den Polen des Läufers zugeordnete Segmente (36, 37) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Teil des Drehlagesensorsystems (35) aus einem Segmentring (34) mit abwechselnd elektrisch leitenden und nicht leitenden Segmenten (36, 37) besteht und dass der damit zusammenwirkende Aufnehmer (38) mehrere, vorzugsweise drei Wirbelstrom-Sensorelemente (39) aufweist, deren komplexe Impedanz von der Stellung des Segmentringes (34) abhängig veränderbar ist.
  2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelstrom-Sensorelemente (39) jeweils aus einer hochfrequenzgespeisten Spule (39a), vorzugsweise in gedruckter Schaltung bestehen.
  3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelstrom-Sensorelemente (39) jeweils als Schwingkreis mit einer von der Drehlage der Segmente (36, 37) des umlaufenden Teiles (34) veränderbaren Schwingfrequenz aufgebaut sind.
  4. Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelstrom-Sensorelemente (39) mit einer Sensorelektronik (48) am Aufnehmer (38) angeordnet sind, welche eine vom Segmentring (34) verursachte Änderung der komplexen Impedanz der Sensorelemente (39) erfasst.
  5. Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Segmentring (34) ein elektrisch leitender Blechring mit in Axialrichtung vorstehenden, in gleichen Abständen zueinander freigestanzten Fahnen (36) ist.
  6. Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Segmentring (34) in einer nach hinten offenen, axialen Ausnehmung (32) einer auf die Läuferwelle (20) aufsetzbaren Riemenscheibe (31) angeordnet ist, und dass der Aufnehmer (38) des Drehlagesensorsystems (35) in die Ausnehmung (32) hineinragt.
  7. Elektrische Maschine nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Segmentring (34) an einer axialen, vorzugsweise an der äußeren axialen Wandung (32a) der Ausnehmung (32) befestigt ist, wobei die vorzugsweise drei in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Wirbelstrom-Sensorelemente (39) des Aufnehmers (38) dicht unterhalb des Segmentringes (34) angeordnet sind.
  8. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entkopplung der Wirbelstrom-Sensorelemente (39) von der Riemenscheibe (31) an der äußeren axialen Wandung (33) der Ausnehmung (32) ein den Segmentring (34) tragender, elektrisch nicht leitender Ring (47), insbesondere aus Kunststoff, befestigt ist.
  9. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Riemenscheibe (31) in einer vorgegebenen Winkelstellung zu den Polen des Läufers (16) auf der Läuferwelle (20) fixiert, insbesondere formschlüssig befestigt ist.
  10. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnehmer (38) in einer Aussparung (42) am Lagerschild (10) der elektrischen Maschine in einer vorgegebenen Winkelstellung zur Wicklung (15) des Ständers (14) befestigt ist.
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