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Die
Erfindung betrifft eine mehrphasige elektrische Maschine, insbesondere
einen Starter-Generator für
Brennkraftmaschinen mit einem Drehlagesensor nach der Gattung des
Anspruchs 1.
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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.
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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.
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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.
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Vorteile der
Erfindung
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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.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäß ausgebildeten
Starter-Generator
für Kraftfahrzeuge
im Längsschnitt
mit Drehlagesensor,
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2 den
Drehlagesensor mit Aufnehmer und Segmentring in Vorderansicht in
schematischer Darstellung,
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3 zeigt
den Segmentring in raumbildlicher Darstellung,
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4 zeigt
das vordere Lagerschild mit montiertem Aufnehmer des Drehlagesensors
in der Vorderansicht,
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5 zeigt
einen vergrößerten Ausbruch
der Anordnung des Drehlagesensors in einer Ausnehmung der Riemenscheibe,
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6 zeigt
ein Schaltschema eines der drei Wirbelstrom-Sensorelemente,
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7 zeigt
den Signalverlauf am Eingang und Ausgang einer Sensorelektronik
des Wirbelstrom-Sensorelementes nach 6 und
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8 zeigt
ein Diagramm mit dem Signalverlauf am Ausgang der Sensorelektronik
der drei Sensorelemente.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.