DE102007033881A1

DE102007033881A1 - Rotor-Stator-Einheit mit berührungsfreier Zustandserfassung, entsprechende Auswertungseinrichtung und Computerprogramm für eine softwareprogrammierbare Auswertungseinrichtung

Info

Publication number: DE102007033881A1
Application number: DE102007033881A
Authority: DE
Inventors: Matthias Braun; Klaus Greubel; Rolf Vollmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2009-01-22
Also published as: WO2009013153A1

Abstract

Ein Rotor (2) ist relativ zum Stator (1) um eine Rotationsachse (4) rotierbar. Ein Einspeiseübertrager (5) weist eine auf dem Stator (1) angeordnete Primärwicklung (6) und eine auf dem Rotor (2) angeordnete Sekundärwicklung (7) auf. Ein Ausspeiseübertrager (9) weist eine auf dem Rotor (2) angeordnete Primärwicklung (10) und mindestens eine auf dem Stator (1) angeordnete Sekundärwicklung (11, 11', 11'') auf. Die Sekundärwicklung (7) des Einspeiseübertragers (5) bildet mit der Primärwicklung (10) des Ausspeiseübertragers (9) und einem elektrischen Bauelement (12) eine Reihenschaltung. Das elektrische Bauelement (12) ist auf dem Rotor (2) angeordnet. Sein elektrischer Widerstand (R) hängt von einem in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschenden Zustand (Z) ab. Eine Einspeiseeinrichtung (8) speist in die Primärwicklung (6) des Einspeiseübertragers (5) eine elektrische Primärwechselgröße (U1) ein. Sie induziert so indirekt in der mindestens einen Sekundärwicklung (11, 11', 11'') des Ausspeiseübertragers (9) eine elektrische Sekundärwechselgröße (U2, U2', U2''). Eine Auswertungseinrichtung (13) ermittelt anhand der elektrischen Sekundärwechselgröße (U2, U2', U2'') eine Phasenlage (phi) der elektrischen Sekundärwechselgröße (U2, U2', U2'') relativ zur elektrischen Primärwechselgröße (U1) und anhand der Phasenlage (phi) den in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschenden Zustand (Z).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotor-Stator-Einheit,

– wobei die Rotor-Stator-Einheit einen Stator und einen relativ zum Stator um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor aufweist,
– wobei die Rotor-Stator-Einheit einen Einspeiseübertrager aufweist, der eine auf dem Stator angeordnete Primärwicklung und eine auf dem Rotor angeordnete Sekundärwicklung aufweist,
– wobei die Rotor-Stator-Einheit einen Ausspeiseübertrager aufweist, der eine auf dem Rotor angeordnete Primärwicklung und mindestens eine auf dem Stator angeordnete Sekundärwicklung aufweist,
– wobei die Sekundärwicklung des Einspeiseübertragers mit der Primärwicklung des Ausspeiseübertragers eine Reihenschaltung bildet,
– wobei die Rotor-Stator-Einheit eine Einspeiseeinrichtung aufweist, die im Betrieb der Rotor-Stator-Einheit in die Primärwicklung des Einspeiseübertragers eine elektrische Primärwechselgröße einspeist und so indirekt in der mindestens einen Sekundärwicklung des Ausspeiseübertragers eine elektrische Sekundärwechselgröße induziert,
– wobei die Rotor-Stator-Einheit eine Auswertungseinrichtung aufweist, welche im Betrieb der Rotor-Stator-Einheit die elektrische Sekundärwechselgröße entgegen nimmt und die elektrische Sekundärwechselgröße auswertet.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Auswertungseinrichtung sowie ein Computerprogramm, das Maschinencode enthält, der von einer entsprechenden softwareprogrammierbaren Auswertungseinrichtung unmittelbar ausführbar ist, wobei die Ausführung des Maschinencodes durch die Auswertungseinrichtung bewirkt, dass die Auswertungseinrichtung wie obenstehend beschrieben arbeitet.
Rotor-Stator-Einheiten der obenstehend beschriebenen Art und die zugehörigen Auswertungseinrichtungen sowie die entsprechenden Computerprogramme für die Auswertungseinrichtungen sind allgemein bekannt.
Bei der Rotor-Stator-Einheit des Standes der Technik ist der Ausspeiseübertrager in der Regel als sogenannter Resolver ausgebildet. Bei einer derartigen Ausgestaltung weist der Ausspeiseübertrager zwei Sekundärwicklungen auf. Die Primärwicklung und die Sekundärwicklungen des Ausspeiseübertragers sind quer zur Rotationsachse angeordnet. Die Sekundärwicklungen des Ausspeiseübertragers sind hierbei um 90° elektrisch gegeneinander versetzt. Die Auswertungseinrichtung nimmt im Betrieb der Rotor-Stator-Einheit von jeder der Sekundärwicklungen des Ausspeiseübertragers je eine elektrische Sekundärwechselgröße entgegen und ermittelt anhand der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen eine Drehstellung des Rotors. Beispielhaft wird für diese Art der Auswertung auf die DE 10 2005 005 024 A1 verwiesen.
Die Rotor-Stator-Einheit ist in der Regel als elektrische Maschine ausgebildet. In diesem Fall entsprechen der Rotor und der Stator den entsprechenden Komponenten im elektrotechnischen Sinne. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf elektrische Maschinen beschränkt. Entscheidend ist lediglich, dass der Stator ein ortsfestes Element ist und der Rotor sich relativ zum Stator um eine Rotationsachse drehen kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung könnte daher – rein beispielhaft – eine Getriebewelle eines Getriebes dem Rotor und ein Getriebegehäuse dem Stator einer Rotor-Stator-Einheit entsprechen.
In vielen technischen Anwendungen ist es erforderlich bzw. von Vorteil, einen Zustand zu erfassen, der im Bereich des Rotors auftritt. Dies sei nachfolgend anhand mehrerer Beispiele erläutert.
Um Asynchronmotoren drehzahlgeregelt betreiben zu können, werden im Stand der Technik verschiedene Regelungskonzepte verwendet. Die besten Regelkonzepte arbeiten hierbei im Stand der Technik beispielsweise mit einer flussorientierten Regelung. Diese Regelung bedingt jedoch, dass die Temperatur des Läufers bekannt ist. Es ist daher erforderlich, direkt oder indirekt die Läufertemperatur zu erfassen und die Regelung des Asynchronmotors entsprechend vorzunehmen. Die direkte Messung der Temperatur ist im Stand der Technik nicht einfach möglich. Im Stand der Technik wird daher beispielsweise die Läufertemperatur meist nur geschätzt (insbesondere anhand der ohne weiteres erfassbaren Ständerwicklungstemperatur). Diese Abschätzung eignet sich jedoch nur für stationäre, zeitlich unveränderliche Belastungen. Bei Erwärmung beispielsweise im Überlastbetrieb führt die Abschätzung zu suboptimalen Ergebnissen.
Bei permanent erregten Motoren hängt die Regelgüte von verschiedenen Parametern des Motors ab. Einige dieser Parameter – beispielsweise der magnetische Fluss, die Spannungskonstante, die Drehmomentkonstante und die Koerzitivfeldstärke – sind von der Temperatur des Magnetmaterials abhängig, welches meist auf dem Rotor untergebracht ist. Bezüglich der direkten Messung der Temperatur stellen sich die gleichen Probleme wie bei der Messung der Läufertemperatur von Asynchronmaschinen.
Die Lebensdauer der Lagerung von Motoren hängt unter anderem von der Lagertemperatur ab. Der kritischste Teil des Lagers ist hierbei der Lagerinnenring, also das drehende Teil, welches auf dem Rotor angeordnet ist. Bezüglich der direkten Messung der Temperatur stellen sich die gleichen Probleme wie bei der Messung der Läufertemperatur von Asynchronmaschinen. Für die Lagerung von Motoren wird daher meistens die Temperatur des Lageraußenrings erfasst und indirekt auf die Temperatur des Lagerinnenrings geschlossen.
Die direkte Messung des Zustands des Rotors ist im Stand der Technik somit problematisch.
Theoretisch wäre es möglich, auf dem Rotor einen Sensor anzubringen, der über Schleifringe oder dergleichen mit der Auswertungseinrichtung verbunden ist. Diese Vorgehensweise ist jedoch zum einen fehlerträchtig, zum anderen verschleißbehaftet.
Weiterhin ist es möglich, eine Funkverbindung einzurichten. Diese Vorgehensweise ist jedoch kostenaufwändig und nicht immer realisierbar. Ferner können sich EMV-Probleme ergeben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Möglichkeiten zu schaffen, auf einfache, zuverlässige und kostengünstige Weise eine berührungslose Erfassung eines rotorbezogenen Zustands zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch eine Rotor-Stator-Einheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Auswertungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe durch einen Datenträger gelöst, auf dem ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 11, 13 bis 20 und 22 bis 28.
Erfindungsgemäß ist die Rotor-Stator-Einheit der eingangs beschriebenen Art derart ausgestaltet, dass die Sekundärwicklung des Einspeiseübertragers mit der Primärwicklung des Ausspeiseübertragers und einem elektrischen Bauelement eine Reihenschaltung bildet. Das elektrische Bauelement ist auf dem Rotor angeordnet. Ein elektrischer Widerstand des elektrischen Bauelements hängt von einem in der Umgebung des elektrischen Bauelements herrschenden Zustand ab. Die Auswertungseinrichtung ermittelt anhand der elektrischen Sekundärwechselgröße eine Phasenlage der elektrischen Sekundärwechselgröße relativ zur elektrischen Primärwechselgröße. Anhand der Phasenlage ermittelt die Auswertungseinrichtung den in der Umgebung des elektrischen Bauelements herrschenden Zustand. Das Computerprogramm bewirkt eine entsprechende Programmierung der Auswertungseinrichtung.
Der in der Umgebung des elektrischen Bauelements herrschende Zustand kann prinzipiell beliebiger Natur sein. Beispielsweise kann ein Druck erfasst werden, eine einfallende Lichtmenge oder dergleichen mehr. In der Regel ist der in der Umgebung des elektrischen Bauelements herrschende Zustand jedoch die Temperatur.
Die Primärwicklung und die Sekundärwicklung des Einspeiseübertragers sind vorzugsweise konzentrisch zur Rotationsachse angeordnet. Denn dadurch ist die Einspeisung unabhängig von der Drehstellung des Rotors.
Es ist möglich, dass auch die Primärwicklung und die Sekundärwicklung des Ausspeiseübertragers konzentrisch zur Rotationsachse angeordnet sind. In diesem Fall ist auch die Ausspeisung unabhängig von der Drehstellung des Rotors. Es ergibt sich somit ein autarkes System zur berührungslosen Erfassung des in der Umgebung des elektrischen Bauelements herrschenden Zustands.
Bevorzugt ist jedoch, dass der Ausspeiseübertrager zwei Sekundärwicklungen aufweist, die Primärwicklung und die Sekundärwicklungen des Ausspeiseübertragers quer zur Rotationsachse angeordnet sind, die Sekundärwicklungen des Ausspeiseübertragers um 90° elektrisch gegeneinander versetzt sind und die Auswertungseinrichtung im Betrieb der Rotor-Stator-Einheit von jeder der Sekundärwicklungen des Ausspeiseübertragers je eine elektrische Sekundärwechselgröße entgegen nimmt und anhand der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen eine Drehstellung des Rotors ermittelt.
Denn in diesem Fall kann ein oftmals bereits vorhandenes Resolversystem für die erfindungsgemäße Rotor-Stator-Einheit genutzt werden. Es ist gegenüber dem Stand der Technik lediglich erforderlich, das obenstehend erwähnte elektrische Bauelement in die Reihenschaltung aus Einspeiseübertrager und Ausspeiseübertrager einzuschleifen und die Auswertungseinrichtung entsprechend auszugestalten, so dass sie zusätzlich zur Drehstellung des Rotors auch den in der Umgebung des elektrischen Bauelements herrschenden Zustand ermittelt. Im Falle einer softwareprogrammierbaren Auswertungseinrichtung reduziert sich hierbei die Ausgestaltung der Auswertungseinrichtung auf eine entsprechende Umprogrammierung.
Zur Ermittlung der Drehstellung des Rotors sind stets beide elektrische Sekundärwechselgrößen erforderlich. Bezüglich der Ermittlung der Phasenlage und damit des in der Umgebung des elektrischen Bauelements herrschenden Zustands hingegen ist es alternativ möglich, dass die Auswertungseinrichtung den Zustand anhand einer einzigen der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen oder anhand beider elektrischer Sekundärwechselgrößen zusammen ermittelt. Wenn die Auswertungseinrichtung den Zustand anhand einer einzigen der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen ermittelt, zieht die Auswertungseinrichtung zur Ermittlung des Zustands vorzugsweise die momentan größere der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen heran.
Vorzugsweise ermittelt die Auswertungseinrichtung die Phasenlage anhand zweier beidseits eines Nulldurchgangs (insbesondere symmetrisch zum Nulldurchgang) der elektrischen Sekundärwechselgröße erfasster elektrischer Sekundärwechselgrößen. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine besonders genaue Ermittlung der Phasenlage.
In vielen Fällen ist die Rotor-Stator-Einheit als elektrische Maschine ausgebildet. Es ist daher möglich, dass die Auswertungseinrichtung als Steuereinrichtung für die elektrische Maschine ausgebildet ist, welche die elektrische Maschine steuert. Das Steuern kann hierbei in Abhängigkeit von dem ermittelten Zustand erfolgen. Ein typisches Beispiel einer Steuereinrichtung für eine elektrische Maschine ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Umrichtereinheit.
Vorzugsweise ist die Auswertungseinrichtung als softwareprogrammierbare Auswertungseinrichtung ausgebildet. In diesem Fall ist insbesondere eine einfache Modifizierung und Funktionserweiterung möglich, sofern eine derartige Maßnahme erforderlich sein sollte.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung
1 schematisch eine Rotor-Stator-Einheit,
2 ein elektrisches Blockschaltbild,
3 ein Zeitdiagramm,
4 ein Ablaufdiagramm,
5 und 6 funktionale Beziehungen,
7 ein Ablaufdiagramm,
8 eine mögliche Ausgestaltung eines Einspeise- und eines Ausspeiseübertragers,
9 und 10 Ansichten von 8 entsprechend Linien IX-IX bzw. X-X von 8,
11 schematisch eine weitere mögliche Ausgestaltung eines Einspeise- und eines Ausspeise übertragers,
12 und 13 Ansichten gemäß den Linien XII-XII bzw. XIII-XIII von 11,
14 ein elektrisches Blockschaltbild,
15 ein Ablaufdiagramm,
16 ein Zeitdiagramm und
17 ein Ablaufdiagramm.
Nachfolgend wird in Verbindung mit den 1 bis 7 zunächst auf die Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung näher eingegangen.
Gemäß 1 weist eine Rotor-Stator-Einheit einen Stator 1 und einen Rotor 2 auf. Der Rotor 2 ist bezüglich des Stators 1 in Lagern 3 gelagert, so dass er um eine Rotationsachse 4 rotierbar ist.
Die Rotor-Stator-Einheit weist – siehe 2 einen Einspeiseübertrager 5 auf. Der Einspeiseübertrager 5 weist eine Primärwicklung 6 und eine Sekundärwicklung 7 auf. Die Primärwicklung 6 ist auf dem Stator 1 angeordnet, die Sekundärwicklung 7 auf dem Rotor 2. In die Primärwicklung 6 des Einspeiseübertragers 5 wird im Betrieb der Rotor-Stator-Einheit mittels einer Einspeiseeinrichtung 8 eine elektrische Primärwechselgröße U1 eingespeist, beispielsweise eine Wechselspannung U1. Die elektrische Primärwechselgröße U1 variiert gemäß 3 mit der Zeit t, in der Regel sinusförmig. Eine Periode T der elektrischen Primärwechselgröße U1 liegt hierbei in der Regel zwischen 50 μs und 1 ms, beispielsweise zwischen 100 μs und 500 μs.
Weiterhin weist die Rotor-Stator-Einheit einen Ausspeiseübertrager 9 auf. Der Ausspeiseübertrager 9 weist eine Primärwicklung 10 und mindestens eine – gemäß der Ausgestaltung von 2 genau eine – Sekundärwicklung 11 auf. Die Primärwicklung 10 ist auf dem Rotor 2 angeordnet, die Sekundärwicklung 11 auf dem Stator 1.
Auf dem Rotor 2 ist gemäß den 1 und 2 zusätzlich zur Sekundärwicklung 7 des Einspeiseübertragers 5 und der Primärwicklung 10 des Ausspeiseübertragers 9 ein elektrisches Bauelement 12 angeordnet. Das elektrische Bauelement 12 bildet zusammen mit der Sekundärwicklung 7 des Einspeiseübertragers 5 und der Primärwicklung 10 des Ausspeiseübertragers 9 eine Reihenschaltung. Ein elektrischer Widerstand R des elektrischen Bauelements 12 hängt von einem Zustand Z ab, der in der Umgebung des elektrischen Bauelements 12 herrscht. Der Zustand Z kann beispielsweise die Temperatur sein.
Die Anordnung des elektrischen Bauelements 12 kann nach Bedarf gewählt werden. Beispielsweise kann das elektrische Bauelement 12 derart angeordnet werden, dass es die Läufertemperatur der Rotor-Stator-Einheit erfasst. Im Falle der Ausgestaltung als elektrische Maschine kann beispielsweise die Temperatur des Magnetmaterials oder die Läufertemperatur erfasst werden. Alternativ kann beispielsweise eine Temperatur eines Innenrings eines der Lager 3 erfasst werden.
Auf Grund des Umstands, dass die Sekundärwicklung 7 des Einspeiseübertragers 5 und die Primärwicklung 10 des Ausspeiseübertragers 9 in einen gemeinsamen Stromkreis eingebunden sind, bewirkt das Einspeisen der elektrischen Primärwechselgröße U1 in die Primärwicklung 6 des Einspeiseübertragers 5 indirekt, dass in der Sekundärwicklung 11 des Ausspeiseübertragers 9 eine elektrische Sekundärwechselgröße U2 induziert wird.
Die induzierte elektrische Sekundärwechselgröße U2 wird einer Auswertungseinrichtung 13 zugeführt, welche die elektrische Sekundärwechselgröße U2 gemäß 4 in einem Schritt S1 entgegen nimmt.
Die elektrische Sekundärwechselgröße U2 weist gemäß 3 gegenüber der elektrischen Primärwechselgröße U1 eine Phasenlage φ auf. Die Auswertungseinrichtung ermittelt gemäß 4 in einem Schritt S2 die Phasenlage φ.
Der elektrische Widerstand R des elektrischen Bauelements 12 beeinflusst gemäß 5 die Phasenlage φ der elektrischen Sekundärwechselgröße U2 gegenüber der elektrischen Primärwechselgröße U1. Der Widerstand R seinerseits ist gemäß 6 charakteristisch für den Zustand Z, der in der Umgebung des elektrischen Bauelements 12 herrscht. Die Auswertungseinrichtung 13 ist daher in der Lage, gemäß 4 in einen Schritt S3 anhand der Phasenlage φ den in der Umgebung des elektrischen Bauelements 12 herrschenden Zustand Z zu ermitteln.
Je nach Lage des Einzelfalls kann es ausreichen, den Zustand Z nur zu ermitteln und gegebenenfalls eine Meldung nach außen (sei es an eine Bedienperson, sei es an eine übergeordnete Steuereinrichtung) auszugeben. Beispielsweise kann eine Alarmmeldung ausgegeben werden, wenn eine auf die beschriebene Weise ermittelte Temperatur eine Grenztemperatur übersteigt. In dem Fall, dass die Auswertungseinrichtung 13 als Steuereinrichtung für eine elektrische Maschine ausgebildet ist und die Rotor-Stator-Einheit der elektrischen Maschine entspricht, ist es jedoch zusätzlich möglich, entsprechend 4 in einem Schritt S4 die elektrische Maschine in Abhängigkeit von dem ermittelten Zustand Z anzusteuern. Beispielsweise kann in Abhängigkeit von einer erfassten Läufertemperatur der Ansteuerzustand korrigiert werden. Auch kann in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur ein maximales Überlastmoment, mit dem die elektrische Maschine kurzzeitig betrieben werden kann, bestimmt werden. Der Schritt S4 ist jedoch nur optional und daher in 4 gestrichelt dargestellt.
Für die Ermittlung der Phasenlage φ sind verschiedene Vorgehensweisen möglich. Beispielsweise ist es möglich, die elektrische Sekundärwechselgröße U2 für eine Vielzahl von Zeiten t zu erfassen und dann diejenige der erfassten elektrischen Sekundärwechselgrößen U2 auszuwählen, welche betragsmäßig am kleinsten ist. Die mit der ausgewählten elektrischen Sekundärwechselgröße U2 korrespondierende Zeit t entspricht in diesem Falle dem Nulldurchgang der elektrischen Sekundärwechselgröße U2.
Der korrespondierende Nulldurchgang der elektrischen Primärwechselgröße U1 kann der Auswertungseinrichtung 13 auf verschiedene Art und Weise bekannt sein. Beispielsweise ist es möglich, dass die Auswerteeinrichtung 13 die Einspeiseeinrichtung 8 ansteuert. In diesem Fall sind die Nulldurchgänge der elektrischen Primärwechselgröße U1 der Auswertungseinrichtung 13 per se bekannt. Alternativ kann der Auswertungseinrichtung 13 die elektrische Primärwechselgröße U1 zugeführt werden. In diesem Fall kann die Auswertungseinrichtung 13 den korrespondierenden Nulldurchgang der elektrischen Primärwechselgröße U1 auf die gleiche Art und Weise ermitteln, auf welche sie den Nulldurchgang der elektrischen Sekundärwechselgröße U2 ermittelt.
Gemäß den 3 und 7 wird zum Ermitteln des Nulldurchgangs der elektrischen Sekundärwechselgröße U2 vorzugsweise wie folgt vorgegangen:
Die Auswertungseinrichtung 13 ermittelt in einem Schritt S6 zunächst zwei Zeitpunkte t1, t2. Der Zeitpunkt t1 entspricht hierbei gemäß 3 dem Zeitpunkt, zu dem die elektrische Sekundärwechselgröße U2 einen ersten Wert U2a aufweist. In analoger Weise ermittelt die Auswertungseinrichtung 13 im Schritt S6 den Zeitpunkt t2 als den Zeitpunkt, zu dem die elektrische Sekundärwechselgröße U2 den zweiten Wert U2b aufweist. Die Werte U2a, U2b sind betragsmäßig nennenswert von Null verschieden. Sie weisen voneinander verschiedene Vorzeichen auf. Ihre Beträge können gleich sein.
In einem Schritt S7 ermittelt die Auswertungseinrichtung 13 durch lineare Interpolation den gesuchten Nulldurchgang der elektrischen Sekundärwechselgröße U2. In einem Schritt S8 ermittelt die Auswertungseinrichtung 13 einen Zeitversatz δT zum korrespondierenden Nulldurchgang der elektrischen Primärwechselgröße U1. In einem Schritt S9 schließlich ermittelt die Auswertungseinrichtung 13 die gesuchte Phasenlage φ anhand der allgemein bekannten Beziehung
Die Auswertungseinrichtung 13 kann schaltungstechnisch realisiert sein (hardwired). Vorzugsweise jedoch ist die Auswertungseinrichtung 13 gemäß 1 als softwareprogrammierbare Auswertungseinrichtung 13 ausgebildet. Die Wirkungsweise der Auswertungseinrichtung 13 wird daher durch ein Computerprogramm 14 bestimmt. Das Computerprogramm 14 enthält Maschinen code 15, der von der Auswertungseinrichtung 13 unmittelbar ausführbar ist. Die Ausführung des Maschinencodes 15 durch die Auswertungseinrichtung 13 bewirkt, dass die Auswertungseinrichtung 13 die obenstehend beschriebene Vorgehensweise ausführt. Das Computerprogramm 14 kann der Auswertungseinrichtung 13 beispielsweise mittels eines Datenträgers 16 zugeführt werden, auf dem das Computerprogramm 14 gespeichert ist.
In Verbindung mit den 8 bis 10 wird nachfolgend eine typische Ausgestaltung des Einspeiseübertragers 5 beschrieben. Weiterhin wird in Verbindung mit den 8 bis 10 eine mögliche Ausgestaltung des Ausspeiseübertragers 9 beschrieben.
Gemäß den 8 und 9 sind die Primärwicklung 6 und die Sekundärwicklung 7 des Einspeiseübertragers 5 konzentrisch zur Rotationsachse 4 angeordnet. Die Primärwicklung 6 und die Sekundärwicklung 7 des Einspeiseübertragers 5 weisen also Windungen 17 auf, die konzentrisch um die Rotationsachse 4 umlaufen. Auf Grund dieser Ausgestaltung ist die Einspeisung der elektrischen Primärwechselgröße U1 unabhängig von einer Drehstellung α des Rotors 2 um die Rotationsachse 4.
Gemäß den 8 und 10 weist weiterhin der Ausspeiseübertrager 9 eine einzige Sekundärwicklung 11 auf. Die Primärwicklung 10 und die Sekundärwicklung 11 des Ausspeiseübertragers 9 sind – analog zur Ausgestaltung des Einspeiseübertragers 5 – ebenfalls konzentrisch zur Rotationsachse 4 angeordnet. Auch die Ausspeisung der elektrischen Sekundärwechselgröße U2 ist somit unabhängig von der Drehstellung α des Rotors 2. Die Ausgestaltung gemäß den 8 bis 10 ist selbstverständlich möglich. Bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung, die nachfolgend in Verbindung mit den 11 bis 14 näher erläutert wird.
Bei der Ausgestaltung gemäß den 11 bis 14 bleibt die Ausgestaltung des Einspeiseübertragers 5, wie sie obenstehend in Verbindung mit den 8 und 9 erläutert wurde, unverändert.
Sie wird daher nicht nochmals erläutert. Es wird lediglich auf die modifizierte Ausgestaltung des Ausspeiseübertragers 9 näher eingegangen.
Gemäß den 11 und 12 weist der Ausspeiseübertrager 9 zwei Sekundärwicklungen 11', 11'' auf. Die Sekundärwicklungen 11', 11'' des Ausspeiseübertragers 9 sind hierbei gemäß den 11 und 12 quer zur Rotationsachse 4 angeordnet. Auch die Primärwicklung 10 des Ausspeiseübertragers 9 ist gemäß den 11 und 13 quer zur Rotationsachse 4 angeordnet. Weiterhin sind die Sekundärwicklungen 11', 11'' des Ausspeiseübertragers 9 um 90° elektrisch gegeneinander versetzt. Beispielsweise können sie (siehe 12) um 90° geometrisch gegeneinander verdreht sein.
Der obenstehend beschriebene Aufbau des Ausspeiseübertragers 9 entspricht dem Aufbau, der für sogenannte Resolver allgemein bekannt ist. Jede der beiden Sekundärwicklungen 11', 11'' des Ausspeiseübertragers 9 liefert daher eine eigene elektrische Sekundärwechselgröße U2', U2''. Die Auswertungseinrichtung 13 kann somit – vergleiche 14 und einen Schritt S11 in 15 – beide elektrische Sekundärwechselgrößen U2', U2'' entgegen nehmen und sodann in einem Schritt S12 in an sich bekannter Weise anhand der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen U2', U2'' die Drehstellung α des Rotors 2 ermitteln. Die Verfahren zum Ermitteln der Drehstellung α sind Fachleuten hierbei allgemein bekannt. Beispielhaft wird auf die bereits erwähnte DE 10 2005 005 024 A1 verwiesen.
Zum Ermitteln der Drehstellung α müssen stets beide elektrische Sekundärwechselgrößen U2', U2'' herangezogen werden. Für das Ermitteln der Phasenlage φ ist es hingegen hinreichend, eine einzige der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen U2', U2'' heranzuziehen. Alternativ ist es jedoch selbstverständlich auch möglich, die Phasenlage φ und damit den in der Umgebung des elektrischen Bauelements 12 herrschenden Zustand Z anhand beider elektrischer Sekundärwechselgrößen U2', U2'' zusammen zu ermitteln (vergleiche Schritt S13 in 15).
Nach der Ermittlung der Phasenlage φ führt die Auswertungseinrichtung 13 gemäß 15 Schritte S14 und S15 aus. Die Schritte S14 und S15 korrespondieren mit den Schritten S3 und S4 von 4.
Die beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen U2', U2'' sind – siehe 16 – in der Regel nicht gleich groß. Insbesondere ist ihre Amplitude mit der Drehstellung α des Rotors 2 moduliert. Dies ist Fachleuten allgemein bekannt. In dem Fall, dass zum Ermitteln der Phasenlage φ nur eine einzige der elektrischen Sekundärwechselgrößen U2', U2'' verwendet wird, ist der Schritt S13 von 15 vorzugsweise gemäß der Vorgehensweise von 17 ausgestaltet. Gemäß 17 ermittelt die Auswertungseinrichtung 13 in einem Schritt S16, welche der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen U2', U2'' momentan die größere ist. Beispielsweise kann die Auswertungseinrichtung 13 die Amplituden der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen U2', U2'' ermitteln und miteinander vergleichen. Alternativ kann die Auswertungseinrichtung 13 anhand der Drehstellung α des Rotors 2 entscheiden, welche der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen U2', U2'' sie zum Ermitteln der Phasenlage φ heranzieht. Ein Wechsel der herangezogenen elektrischen Sekundärwechselgröße U2', U2'' kann gegebenenfalls aus Stabilitätsgründen hysteresebehaftet sein. Diese Sekundärwechselgröße U2', U2'' zieht die Auswertungseinrichtung 13 sodann im Rahmen eines Schrittes S17 zur Ermittlung der Phasenlage φ heran.
Wenn die Auswertungseinrichtung 13 die Phasenlage φ anhand beider elektrischer Sekundärwechselgrößen U2', U2'' zusammen ermittelt, ist es beispielsweise möglich, dass die Auswertungseinrichtung 13 die beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen betragsmäßig addiert und das Vorzeichen der resultierenden Summe anhand einer der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen U2', U2'' bestimmt. Vorzugsweise wird hierzu wieder die momentan größere der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen U2', U2'' herangezogen.
Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere ist sie mit sehr geringem Aufwand auch bei bestehenden Rotor-Stator-Einheiten nachrüstbar.
Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005005024 A1 [0004, 0062]

Claims

Rotor-Stator-Einheit, – wobei die Rotor-Stator-Einheit einen Stator (1) und einen relativ zum Stator (1) um eine Rotationsachse (4) rotierbaren Rotor (2) aufweist, – wobei die Rotor-Stator-Einheit einen Einspeiseübertrager (5) aufweist, der eine auf dem Stator (1) angeordnete Primärwicklung (6) und eine auf dem Rotor (2) angeordnete Sekundärwicklung (7) aufweist, – wobei die Rotor-Stator-Einheit einen Ausspeiseübertrager (9) aufweist, der eine auf dem Rotor (2) angeordnete Primärwicklung (10) und mindestens eine auf dem Stator (1) angeordnete Sekundärwicklung (11, 11', 11'') aufweist, – wobei die Sekundärwicklung (7) des Einspeiseübertragers (5) mit der Primärwicklung (10) des Ausspeiseübertragers (9) und einem elektrischen Bauelement (12) eine Reihenschaltung bildet, – wobei das elektrische Bauelement (12) auf dem Rotor (2) angeordnet ist und ein elektrischer Widerstand (R) des elektrischen Bauelements (12) von einem in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschenden Zustand (Z) abhängt, – wobei die Rotor-Stator-Einheit eine Einspeiseeinrichtung (8) aufweist, die im Betrieb der Rotor-Stator-Einheit in die Primärwicklung (6) des Einspeiseübertragers (5) eine elektrische Primärwechselgröße (U1) einspeist und so indirekt in der mindestens einen Sekundärwicklung (11, 11', 11'') des Ausspeiseübertragers (9) eine elektrische Sekundärwechselgröße (U2, U2', U2'') induziert, – wobei die Rotor-Stator-Einheit eine Auswertungseinrichtung (13) aufweist, welche im Betrieb der Rotor-Stator-Einheit die elektrische Sekundärwechselgröße (U2, U2', U2'') entgegen nimmt, anhand der elektrischen Sekundärwechselgröße (U2, U2', U2'') eine Phasenlage (φ) der elektrischen Sekundärwechselgröße (U2, U2', U2'') relativ zur elektrischen Primärwechselgröße (U1) ermittelt und anhand der Phasenlage (φ) den in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschenden Zustand (Z) ermittelt.
Rotor-Stator-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschende Zustand (Z) die Temperatur ist.
Rotor-Stator-Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (6) und die Sekundärwicklung (7) des Einspeise übertragers (5) konzentrisch zur Rotationsachse (4) angeordnet sind.
Rotor-Stator-Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Primarwicklung (10) und die Sekundärwicklung (11) des Ausspeiseübertragers (9) konzentrisch zur Rotationsachse (4) angeordnet sind.
Rotor-Stator-Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausspeiseübertrager (9) zwei Sekundärwicklungen (11', 11'') aufweist, dass die Primärwicklung (10) und die Sekundarwicklungen (11', 11'') des Ausspeiseübertragers (9) quer zur Rotationsachse (4) angeordnet sind, dass die Sekundarwicklungen (11', 11'') des Ausspeiseübertragers (9) um 90° elektrisch gegeneinander versetzt sind und dass die Auswertungseinrichtung (13) im Betrieb der Rotor-Stator-Einheit von jeder der Sekundärwicklungen (11', 11'') des Ausspeiseübertragers (9) je eine elektrische Sekundärwechselgröße (U2', U2'') entgegen nimmt und anhand der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen (U2', U2'') eine Drehstellung (α) des Rotors (2) ermittelt.
Rotor-Stator-Einheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (13) im Betrieb der Rotor-Stator-Einheit den in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschenden Zustand (Z) anhand einer einzigen der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen (U2', U2'') ermittelt.
Rotor-Stator-Einheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (13) im Betrieb der Rotor-Stator-Einheit den in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschenden Zustand (Z) anhand der momentan größeren der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen (U2', U2'') ermittelt.
Rotor-Stator-Einheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (13) im Betrieb der Rotor-Stator-Einheit den in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschenden Zustand (Z) anhand beider elektrischer Sekundärwechselgrößen (U2', U2'') zusammen ermittelt.
Rotor-Stator-Einheit nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (13) im Betrieb der Rotor-Stator-Einheit die Phasenlage (φ) anhand zweier beidseits eines Nulldurchgangs der elektrischen Sekundärwechselgröße (U2, U2', U2'') erfasster elektrischer Sekundärwechselgrößen (U2a, U2b) ermittelt.
Rotor-Stator-Einheit nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als elektrische Maschine ausgebildet ist und dass die Auswertungseinrichtung (13) im Betrieb der Rotor-Stator-Einheit die elektrische Maschine in Abhängigkeit von dem ermittelten Zustand (Z) steuert.
Rotor-Stator-Einheit nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (13) als softwareprogrammierbare Auswertungseinrichtung (13) ausgebildet ist.
Auswertungseinrichtung für eine Rotor-Stator-Einheit, – wobei die Rotor-Stator-Einheit einen Stator (1) und einen relativ zum Stator (1) um eine Rotationsachse (4) rotierbaren Rotor (2) aufweist, – wobei die Rotor-Stator-Einheit einen Einspeiseübertrager (5) aufweist, der eine auf dem Stator (1) angeordnete Primärwicklung (6) und eine auf dem Rotor (2) angeordnete Sekundärwicklung (7) aufweist, – wobei die Rotor-Stator-Einheit einen Ausspeiseübertrager (9) aufweist, der eine auf dem Rotor (2) angeordnete Primärwicklung (10) und mindestens eine auf dem Stator (1) angeordnete Sekundärwicklung (11, 11', 11'') aufweist, – wobei die Sekundärwicklung (7) des Einspeiseübertragers (5) mit der Primärwicklung (10) des Ausspeiseübertragers (9) und einem elektrischen Bauelement (12) eine Reihenschaltung bildet, – wobei das elektrische Bauelement (12) auf dem Rotor (2) angeordnet ist und ein elektrischer Widerstand (R) des elektrischen Bauelements (12) von einem in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschenden Zustand (Z) abhängt, – wobei die Rotor-Stator-Einheit eine Einspeiseeinrichtung (8) aufweist, die im Betrieb der Rotor-Stator-Einheit in die Primärwicklung (6) des Einspeiseübertragers (5) eine elektrische Primärwechselgröße (U1) einspeist und so indirekt in der mindestens einen Sekundärwicklung (11, 11', 11'') des Ausspeiseübertragers (9) eine elektrische Sekundärwechselgröße (U2, U2', U2'') induziert, – wobei die Auswertungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie im Betrieb die elektrische Sekundärwechselgröße (U2, U2', U2'') entgegen nimmt, anhand der elektrischen Sekundärwechselgröße (U2, U2', U2'') eine Phasenlage (φ) der elektrischen Sekundärwechselgröße (U2, U2', U2'') relativ zur elektrischen Primärwechselgröße (U1) ermittelt und anhand der Phasenlage (φ) den in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschenden Zustand (Z) ermittelt.
Auswertungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschende Zustand (Z) die Temperatur ist.
Auswertungseinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausspeiseübertrager (9) der Rotor-Stator-Einheit zwei Sekundärwicklungen (11', 11'') aufweist, dass die Primärwicklung (10) und die Sekundärwicklungen (11', 11'') des Ausspeiseübertragers (9) quer zur Rotationsachse (4) angeordnet sind, dass die Sekundärwicklungen (11', 11'') des Ausspeiseübertragers (9) um 90° elektrisch gegeneinander versetzt sind und dass die Auswertungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb von jeder der Sekundärwicklungen (11', 11'') des Ausspeiseübertragers (9) je eine elektrische Sekundärwechselgröße (U2', U2'') entgegen nimmt und anhand der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen (U2', U2'') eine Drehstellung (α) des Rotors (1) ermittelt.
Auswertungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb den in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschenden Zustand (Z) anhand einer einzigen der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen (U2', U2'') ermittelt.
Auswertungseinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb den in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschenden Zustand (Z) anhand der momentan größeren der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen (U2', U2'') ermittelt.
Auswertungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb den in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschenden Zu stand (Z) anhand beider elektrischer Sekundärwechselgrößen (U2', U2'') ermittelt.
Auswertungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb die Phasenlage (φ) anhand zweier beidseits eines Nulldurchgangs der elektrischen Sekundärwechselgröße (U2, U2', U2'') erfasster elektrischer Sekundärwechselgrößen (U2a, U2b) ermittelt.
Auswertungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung als Steuereinrichtung für eine als elektrische Maschine ausgebildete Rotor-Stator-Einheit ausgebildet ist und dass die Auswertungseinrichtung im Betrieb die elektrische Maschine in Abhängigkeit von dem ermittelten Zustand (Z) steuert.
Auswertungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung als softwareprogrammierbare Auswertungseinrichtung ausgebildet ist.
Computerprogramm, das Maschinencode (15) enthält, der von einer softwareprogrammierbaren Auswertungseinrichtung (13) unmittelbar ausführbar ist, wobei die Ausführung des Maschinencodes (15) durch die Auswertungseinrichtung (13) bewirkt, dass die Auswertungseinrichtung (13) – mindestens eine elektrische Sekundärwechselgröße (U2, U2', U2'') entgegen nimmt, die durch Einspeisen einer elektrischen Primärwechselgröße (U1) in einen Einspeiseübertrager (5) einer Rotor-Stator-Einheit in mindestens einer Sekundärwicklung (11, 11', 11'') eines Ausspeiseübertragers (9) der Rotor-Stator-Einheit induziert ist, – anhand der elektrischen Sekundärwechselgröße (U2, U2', U2'') eine Phasenlage (φ) der elektrischen Sekundärwechselgröße (U2, U2', U2'') relativ zur elektrischen Primärwechselgröße (U1) ermittelt und – anhand der Phasenlage (φ) einen in der Umgebung eines elektrischen Bauelements (12) herrschenden Zustand (Z) ermittelt, wobei das elektrische Bauelement (12) mit einer Sekundärwicklung (7) des Einspeiseübertragers (5) und einer Primärwicklung (10) des Ausspeiseübertragers (9) eine Reihenschaltung bildet und ein elektrischer Widerstand (R) des elektrischen Bauelements (12) von dem in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschenden Zustand (Z) abhängt.
Computerprogramm nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschende Zustand (Z) die Temperatur ist.
Computerprogramm nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausspeiseübertrager (9) der Rotor-Stator-Einheit zwei Sekundärwicklungen (11', 11'') aufweist, dass die Primärwicklung (10) des Ausspeiseübertragers (9) auf einem Rotor (2) der Rotor-Stator-Einheit quer zu dessen Rotationsachse (4) angeordnet sind, dass die Sekundärwicklungen (11', 11'') des Ausspeiseübertragers (9) auf einem Stator (1) der Rotor-Stator-Einheit quer zur Rotationsachse (4) des Rotors (2) angeordnet sind, dass die Sekundärwicklungen (11', 11'') des Ausspeiseübertragers (9) um 90° elektrisch gegeneinander versetzt sind und dass die Ausführung des Maschinencodes (15) durch die Auswertungseinrichtung (13) bewirkt, dass die Auswertungseinrichtung (13) von jeder der Sekundärwicklungen (11', 11'') des Ausspeiseübertragers (9) je eine elektrische Sekundärwechselgröße (U2', U2'') entgegen nimmt und anhand der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen (U2', U2'') eine Drehstellung (α) des Rotors (2) ermittelt.
Computerprogramm nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausführung des Maschi nencodes (15) durch die Auswertungseinrichtung (13) bewirkt, dass die Auswertungseinrichtung (13) den in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschenden Zustand (Z) anhand einer einzigen der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen (U2', U2'') ermittelt.
Computerprogramm nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausführung des Maschinencodes (15) durch die Auswertungseinrichtung (13) bewirkt, dass die Auswertungseinrichtung (13) den in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschenden Zustand (Z) anhand der momentan größeren der beiden elektrischen Sekundärwechselgrößen (U2', U2'') ermittelt.
Computerprogramm nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausführung des Maschinencodes (15) durch die Auswertungseinrichtung (13) bewirkt, dass die Auswertungseinrichtung (13) den in der Umgebung des elektrischen Bauelements (12) herrschenden Zustand (Z) anhand beider elektrischer Sekundärwechselgrößen (U2', U2'') zusammen ermittelt.
Computerprogramm nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausführung des Maschinencodes (15) durch die Auswertungseinrichtung (13) bewirkt, dass die Auswertungseinrichtung (13) die Phasenlage (φ) anhand zweier beidseits eines Nulldurchgangs der elektrischen Sekundärwechselgröße (U2, U2', U2'') erfasster elektrischer Sekundärwechselgrößen (U2a, U2b) ermittelt.
Computerprogramm nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausführung des Maschinencodes (15) durch die Auswertungseinrichtung (13) bewirkt, dass die Auswertungseinrichtung (13) eine als elektrische Maschine ausgebildete Rotor-Stator-Einheit in Abhängigkeit von dem ermittelten Zustand (Z) steuert.
Datenträger mit einem auf dem Datenträger gespeicherten Computerprogramm (14) nach einem der Ansprüche 21 bis 28.