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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Rotorlagesensorik in einem elektrischen
Antriebsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 197 03 903
A1 ist eine Lenkwinkelsensorik zur Detektierung der Drehwinkellage
der Lenkwelle eines Lenksystems in einem Kraftfahrzeug bekannt.
Die Lenkwinkelsensorik arbeitet berührungsfrei und umfasst
einen Magneten, der drehfest an der Stirnseite der Lenkwelle angeordnet
ist, sowie einen Magnetfeldsensor im Gehäuse eines Getriebes
zwischen Lenkwelle und einem Lenkgestänge, über
das der vom Fahrer vorgegebene Lenkradwinkel auf die lenkbaren Räder übertragen
wird. Der Magnetfeldsensor misst die Änderung des Magnetfeldes,
das von dem sich drehenden Magneten erzeugt wird. Aus der Magnetfeldänderung
kann auf den aktuellen Drehwinkel geschlossen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotorlagesensorik in
einem elektrischen Antriebsmotor mit einfachen Maßnahmen
kompakt auszubilden, wobei die Winkellage der Rotorwelle mit hoher
Genauigkeit zu bestimmen sein soll.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die
erfindungsgemäße Rotorlagesensorik in einem elektrischen
Antriebsmotor wird insbesondere für Hilfsaggregate in Kraftfahrzeugen
eingesetzt, beispielsweise zur Detektierung der Drehlage eines elektrischen
Servomotors in einem Lenksystem eines Kraftfahrzeugs bzw. zur Drehlageerfassung
einer mit der Rotorwelle des Antriebsmotors kinematisch gekoppelten
Welle. Die Rotorlagesensorik arbeitet berührungslos und
umfasst mindestens einen Magneten sowie einen zugeordneten Magnetfeldsensor, wobei
entweder der Magnet bzw. ein weichmagnetisches Blech oder der Magnetfeldsensor
drehfest mit der Rotorwelle bzw. einer vom Antriebsmotor angetriebenen
Welle verbunden und das jeweils andere Bauteil gehäusefest
positioniert ist. Beim Umlauf der Rotorwelle entsteht zwischen dem
Magneten und dem Magnetfeldsensor ein Magnetfeld, welches sensiert
wird, woraus die aktuelle Drehwinkellage des Rotors bzw. der hiermit
gekoppelten Welle ermittelt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass zumindest zwei Magnete oder zwei magnetische Bleche
auf zwei separaten und parallel zueinander angeordneten Magnetringen
vorgesehen sind, wobei jedem Magnetring jeweils ein Magnetfeldsensor
zugeordnet ist. Dadurch ist es möglich, die Drehwinkellage
mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Der Platzbedarf der beiden parallel
angeordneten Magnetringe ist verhältnismäßig
gering, so dass insgesamt kein vergrößerter Bauraum
für die Rotorlagesensorik erforderlich ist.
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Ein
weiterer Vorteil liegt darin, dass die Anzahl der Magnete pro Magnetring
verhältnismäßig gering gehalten werden
kann. Die Messgenauigkeit wird über den mindestens einen
zusätzlichen Magnetring erreicht, wodurch die geringere
Anzahl an Magneten pro Magnetring kompensiert wird. Die geringere
Anzahl an Magneten pro Magnetring erleichtert die Abtastung des
jeweiligen Magnetfeldes.
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Als
berührungslos arbeitende Magnetfeldsensoren werden insbesondere
magnetoresistive Sensoren oder Hall-Sensoren eingesetzt, wobei jedem
Magnetring mindestens ein Magnetfeldsensor zugeordnet ist. Die verschiedenen
Magnetringe können gemäß einer ersten
vorteilhaften Ausführung die gleiche Magnetanzahl aufweisen,
wobei in diesem Fall vorzugsweise die Magnetringe eine unterschiedliche
Magnetisierungsrichtung besitzen. Grundsätzlich ist es
aber auch möglich, trotz gleicher Anzahl an Magneten die
gleiche Magnetisierungsrichtung pro Magnetring vorzusehen oder aber,
gemäß alternativer Ausführung, an den
Magnetringen eine unterschiedliche Anzahl an Magneten vorzusehen,
was ebenfalls entweder mit gleicher oder mit unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung
verbunden werden kann. Als Relativpositionierung zwischen Magnetring und
Magnetfeldsensor wird insbesondere eine radiale Relativanordnung
gewählt, bei der zumindest ein Magnetfeldsensor radial
außerhalb des zugeordneten Magnetrings positioniert ist.
Zweckmäßigerweise sind sämtliche Magnetfeldsensoren
radial außerhalb der jeweils zugeordneten Magnetringe angeordnet. Daneben
sind aber auch Ausführungen möglich, bei denen
zumindest ein Magnetfeldsensor, gegebenenfalls auch sämtliche
Magnetfeldsensoren bezogen auf die zugeordneten Magnetringe axial
positioniert sind.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass
die Magnetfeldsensoren auf einer gemeinsamen Bauelemente-Trägerplatte angeordnet
sind. Diese ist vorzugsweise auch Träger einer Steuerelektronik,
die zur Auswertung der Sensordaten dient.
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Bei
den Magnetringen kommt sowohl eine radiale als auch eine axiale
Magnetisierung in Betracht. Hierbei wird zweckmäßigerweise
für die Magnetringe einer Rotorlagesensorik die gleiche
Magnetisierung verwendet; in Frage kommt aber auch innerhalb einer
Rotorlagesensorik eine unterschiedliche Magnetisierungsrichtung.
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Gemäß bevorzugter
Ausführung sind Magnetringe oder weichmagnetische Teile
drehfest mit der Rotorwelle des elektrischen Antriebsmotors verbunden,
wohingegen die Magnetfeldsensoren mit dem Motorgehäuse
des elektrischen Antriebsmotors verbunden sind. Die Winkellage des
Elektromotors wird über die Sensorik ermittelt, wobei im
Falle eines Einsatzes als Servomotor zur Lenkkraftunterstützung in
einem Lenksystem über die kinematische Kopplung auch die
Winkellage der Lenkwelle ermittelt werden kann.
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Es
sind zumindest zwei Magnetringe mit mindestens einem Magneten vorgesehen,
denen jeweils ein Magnetfeldsensor zugeordnet ist. Es kommen aber
auch Ausführungen mit drei oder mehr Magnetringen oder
magnetische Teile in Betracht.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und
den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Kraftfahrzeug,
mit einem elektrischen Servomotor zur Erzeugung eines die Lenkbewegung
unterstützenden Momentes,
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2 eine
Darstellung einer Rotorlagesensorik, die im elektrischen Servomotor
eingebaut ist, mit zwei Magnetringen, denen jeweils radial ein Magnetfeldsensor
vorgelagert ist, mit einer gemeinsamen Bauelemente-Trägerplatte,
auf der die Magnetfeldsensoren sowie eine Steuerelektronik aufgenommen
sind,
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3 die
Rotorlagesensorik aus 2 in Seitenansicht,
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4 eine
Rotorlagesensorik in einer weiteren Ausführung, bei der
die Magnetfeldsensoren den jeweiligen Magnetringen axial vorgelagert
sind,
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5 die
Rotorlagesensorik aus 4 in Seitenansicht,
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6 eine
Rotorlagesensorik in noch einer weiteren Ausführung, bei
der die Magnetfeldsensoren den jeweiligen Magnetringen axial vorgelagert und
unmittelbar aufeinander liegend psoitioniert sind und die Magnetringe
einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen,
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7 eine
Rotorlagesensorik ähnlich wie 6, jedoch
mit einer Anordnung der Magnetfeldsensoren auf unterschiedlichen
Seiten der gemeinsamen Bauelemente-Trägerplatte.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
ein Lenksystem 1 für ein Kraftfahrzeug dargestellt,
umfassend ein Lenkrad 2, eine mit dem Lenkrad 2 gekoppelte
Lenkwelle 3, einem Lenkgetriebe 4 und einem Lenkgestänge 5.
Die Lenkwelle 3 überträgt den vom Fahrer
vorgegebenen Lenkradwinkel δL in
das Lenkgetriebe 4, wo eine Umsetzung in eine Stellbewegung
des Lenkgestänges 5 erfolgt, woraufhin sich in
den lenkbaren Rädern 6 ein Radlenkwinkel δV einstellt. Zur Lenkkraftunterstützung
ist ein elektrischer Servomotor 7 vorgesehen, der ein die
Lenkbewegung unterstützendes Moment erzeugt. Der elektrische
Servomotor 7 ist über das Lenkgetriebe 4 mit
dem Lenksystem 1 gekoppelt. Grundsätzlich kommt
aber auch eine unmittelbare Kopplung des elektrischen Servomotors 7 über
ein Getriebe an die Lenkwelle 3 in Betracht.
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Der
elektrische Servomotor ist mit einer Rotorlagesensorik ausgestattet,
die es erlaubt, die aktuelle Drehwinkellage der Rotorwelle des elektrischen Motors
zu bestimmen. In den 2 und 3 ist ein erstes
Ausführungsbeispiel für eine derartige Rotorlagesensorik 8 dargestellt.
Die Rotorlagesensorik 8 umfasst zwei Magnetringe 9 und 10,
die koaxial zu und drehfest mit der Rotorwelle 15 des elektrischen Servomotors
angeordnet sind. Jedem Magnetring 9, 10 ist ein
Magnetfeldsensor 11 bzw. 12 zugeordnet, wobei
die Sensoren 11, 12 auf einer gemeinsamen Bauelemente-Trägerplatte 13 angeordnet
sind. Zusätzlich zu den Sensoren 11 und 12 ist
auf der Bauelemente-Trägerplatte 13 eine Steuerelektronik 14 positioniert.
Die Bauelemente-Trägerplatte 13 einschließlich
aller auf ihr angeordneten Baueinheiten 11, 12 und 14 ist
in das Motorgehäuse des elektrischen Servomotors integriert.
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Die
Magnetfeldsensoren 11 und 12 sind jeweils als
Hall-Sensoren ausgebildet. Jeder Magnetring 9 bzw. 10 umfasst
einen Magneten, der in der Weise im Magnetring 9 bzw. 10 angeordnet
ist, dass eine diametrale Magnetisierung gegeben ist. Relativ zueinander
ist die Magnetisierung zwischen den Magnetringen 9 und 10 um
90° zueinander versetzt. Dementsprechend liefern die Magnetfeldsensoren 11 und 12 beim
Umlaufen der Welle 15 ein um 90° versetztes Signal.
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Die
Bauelemente-Trägerplatte 13 mit den darauf positionierten
Magnetfeldsensoren 11 und 12 ist den beiden Magnetringen 9 und 10 radial
vorgelagert, so dass die Magnetfeldsensoren 11 und 12 mit einem
geringen radialen Abstand zu den Magnetringen 9 und 10 angeordnet
sind. Die Steuerelektronik 14 befindet sich axial gegenüber
den Magnetfeldsensoren 11 und 12 versetzt auf
der Bauelemente-Trägerplatte 13.
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In
den 4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
für eine Rotorlagesensorik 8 in einem elektrischen
Antriebsmotor dargestellt. Auch diese Rotorlagesensorik 8 umfasst
zwei Magnetringe 9 und 10, die koaxial und parallel
zueinander versetzt drehfest auf der Rotorwelle 15 des
Antriebsmotors angeordnet sind. Des Weiteren sind der Rotorlagesensorik 8 die
Magnetfeldsensoren 11 und 12 zugeordnet sowie
eine Steuerelektronik 14. Die Magnetfeldsensoren 11 und 12 befinden sich
auf zwei separat ausgeführten Bauelemente-Trägerplatten 13,
die jeweils, wie 5 zu entnehmen, dem betreffenden Magnetring 9 bzw. 10 axial
vorgelagert sind. Dadurch liegen die Magnetfeldsensoren 11 und 12 in
unmittelbarer Nachbarschaft zu den Magnetringen 9 und 10, und
zwar jeweils mit geringem axialem Abstand und benachbart zur radialen
Außenkante jedes Magnetringes.
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Die
beiden Magnetringe 9 und 10 weisen eine unterschiedliche
Anzahl an Magneten auf, der erste Magnetring 9 besitzt
drei Magnete und der zweite Magnetring 10 zwei Magnete.
Die Magnetisierung erfolgt in Achsrichtung der Rotorwelle 15 und kann
dadurch von den axial jeweils vorgelagerten Magnetfeldsensoren 11 und 12 in
optimaler Weise erfasst werden.
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Im
Ausführungsbeispiel gemäß 6 umfasst
die Rotorlagesensorik 8 ebenfalls zwei Magnetringe 9 und 10,
die koaxial und parallel zueinander versetzt drehfest auf der Rotorwelle 15 des
Antriebsmotors angeordnet sind. Die Magnetringe 9 und 10 weisen
einen unterschiedlich großen Durchmesser auf. Die den Magnetringen 9 und 10 zugeordneten Magnetfeldsensoren 11 und 12 befinden
sich auf einer gemeinsamen Bauelemente-Trägerplatte 13 und liegen
unmittelbar übereinander, wobei in Radialrichtung gesehen
die Dicke der Magnetfeldsensoren 11 und 12 zweckmäßigerweise
an den Durchmesserunterschied der beiden Magnetringe 9 und 10 angepasst
ist. Die Magnetfeldsensoren 11 und 12 befinden
sich in Radialrichtung im Bereich des Außendurchmessers
des jeweils zugeordneten Magnetrings 9 bzw. 10.
Durch die entsprechende radiale Positionierung der Magnetfeldsensoren 11 und 12 ist
es möglich, dass jeder Magnetfeldsensor 11 bzw. 12 das Magnetfeld
des ihm zugeordneten Magnetrings 9 und 10 misst.
Dementsprechend können die beiden Sensoren 11 und 12 in
Platz sparender Weise auf gleicher axialer Höhe angeordnet
werden.
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Auch
im Ausführungsbeispiel nach 7 weisen
die beiden Magnetringe 9 und 10 einen unterschiedlich
großen Durchmesser auf und sind die zugeordneten Magnetfeldsensoren 11 und 12 im
radial außen liegenden Bereich der beiden Magnetringe angeordnet,
wobei auf Grund des Durchmesserunterschiedes jeder Magnetfeldsensor
das Magnetfeld des ihm zugeordneten Magnetringes detektieren kann.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 6 sind
jedoch die beiden Magnetfeldsensoren 11 und 12 auf
unterschiedlichen Seiten der gemeinsamen Bauelemente-Trägerplatte 13 angeordnet.
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Durch
die Verwendung von mehreren Gebern (Magnete oder magnetische Teile)
kann das Verdrehen eines drehfesten Gebers festgestellt werden,
da zwei von einander unabhängige Winkelerfassungspfade
gegeben sind. Dieses Verdrehen führt zu einer falschen
Messung des Winkelwertes zwischen Rotor- und Statorpolen und demnach
zur einer nicht-optimalen Maschinenansteuerung.
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Die
Kopplung der Geber mit Torsionstäben ermöglicht
die Drehmomenterfassung der Maschine.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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