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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erfassen der Drehwinkellage
des Rotors gegenüber dem Stator einer Synchron-Elektromaschine,
beispielsweise für eine Hybrid-Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeuges,
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Synchron-Elektromaschinen
können bekanntermaßen sowohl als Motor wie auch
als Generator betrieben werden. Elektromaschinen dieser Bauart werden
beispielsweise als Starter-Generator in Kraftfahrzeugen verwendet,
d. h. sie übernehmen dort die Funktion des Anlassermotors
und der Lichtmaschine. Eine weitere Verwendung finden Sie beispielsweise
in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen
Akkumulator in Hybrid-Antriebsvorrichtungen für Kraftfahrzeuge,
wo sie je nach Fahrzustand, beispielsweise beim Beschleunigen oder
im Stadtbetrieb aus dem Akkumulator mit elektrischer Energie versorgt
werden und eine Antriebsleistung liefern, oder beispielsweise im
Schubbetrieb elektrische Energie erzeugen und diese dem Akkumulator
zuführen. Um die Phasenströme durch die Phasenwicklungen
des Stators zu den richtigen Kommutierungszeitpunkten zu schalten,
muss die Drehwinkellage des Rotors gegenüber dem Stator erfasst
werden. Die vorliegende Erfindung wird am Beispiel einer Hybrid-Antriebsvorrichtung
näher erläutert, bei der besondere konstruktive
Gesichtspunkte stärker als bei anderen Elektromaschinen
ins Gewicht fallen, sie ist jedoch darauf nicht beschränkt.
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Der
Verbrennungsmotor, die Synchron-Elektromaschine sowie diesen zugeordnete
mechanische Getriebeeinrichtungen werden im allgemeinen von unterschiedlichen
Herstellern bereitgestellt und in nachfolgenden Montageschritten
zu höher integrierten Einheiten bis zur fertigen Hybrid-Antriebsvorrichtung
zusammengebaut. Typischerweise wird die Synchron-Elektromaschine
mit einem zugeordneten Verzweigungsgetriebe, über das die
Synchron-Elektro maschine an den Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges
angebunden wird, zu einem so genannten Hybridgetriebe zusammengefasst
und in einem gemeinsamen Hybridgehäuse untergebracht. Die
Drehwinkellage des Rotors der Synchron-Elektromaschine gegenüber
dem Stator kann im Prinzip an jedem mit dem Rotor drehverbundenen
Teil abgenommen werden.
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So
ist es beispielsweise aus der
DE 10 2004 004 744 A1 bekannt, den umlaufenden
Teil eines Drehlagesensorsystems an einer Riemenscheibe anzuordnen,
die auf einer Läuferwelle der Elektromaschine sitzt, während
ein mit diesem umlaufenden Teil zusammenwirkender Aufnehmer mit
dem Elektromaschinengehäuse verbunden ist. Aufgrund der verhältnismäßig
langen Toleranzkette vom Rotor über die Elektromaschinenwelle,
die damit verbundene Riemenscheibe und den an dieser angeordneten umlaufenden
Teil (Segmentring) einerseits und vom Stator über das Gehäuse
und den daran angeordneten Aufnehmer andererseits ist die Einstellung
vom Aufnehmer zum Segmentring verhältnismäßig
aufwendig und muss für jedes einzelne Aggregat separat
vorgenommen werden.
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Es
ist deshalb auch schon versucht worden, die oben beschriebene Toleranzkette
zu verkürzen. Aus der
DE 10 2004 056 990 B4 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor
bekannt, bei welchem die auf einer ringförmigen Magnetbahn
ausgebildeten Drehsignalgeber auf einem mit der Motorwelle verbundenen Trägerring
und die damit zusammenwirkenden Sensorelemente auf einer Leiterplatte
angeordnet sind, die auf einem mit einem gehäusefesten
Träger verbundenen Leiterplattenhalter sitzt. Bei dieser
bekannten Anordnung ist das Sensorsystem nur nach einer weitgehenden
Demontage des Motors zugänglich, wodurch die Montage und
genaue Einstellung sowie gegebenenfalls eine Demontage zum Zwecke eines
Sensoraustausches erschwert sind.
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Es
ist auch schon bekannt geworden, den umlaufenden Teil eines Drehlagesensorsystems
auf einem direkt mit dem Rotor verbundenen Sensorrad und den Sensor
an einem die Elektromaschine aufnehmenden Gehäuse, bei spielsweise
einem auch eine Getriebeeinrichtung aufnehmenden Hybridgehäuse
anzuordnen. Dabei sind grundsätzlich zwei Konzepte verwirklicht
worden, nämlich den Sensor radial oder axial zu dem Sensorrad
auszurichten.
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Bei
dem radialen Konzept ist das Sensorrad so ausgebildet, dass es sich
in radialer Richtung über die gesamte radiale Ausdehnung
der Elektromaschine bis zur Gehäusewand hin erstreckt,
in welcher der radial ausgerichtete Sensor angeordnet ist. Dieses Konzept
hat den Vorteil einer verhältnismäßig
guten Tauschfähigkeit des Radialsensors; ein Nachteil liegt jedoch
in der vergleichsweise großen Massenträgheit des
weit über den Rotordurchmesser herausragenden Sensorrades
sowie in dem für die Unterbringung des Sensorrades erforderlichen
axialen Bauraum. Beim axialen Konzept besteht zwar die Möglichkeit,
ein Sensorrad mit einer verhältnismäßig
geringen radialen Ausdehnung zu verwenden und den Axialsensor entsprechend
weit radial einwärts im Gehäuse anzuordnen, wobei
die Massenträgheit des Sensorrades zwar geringer, die Tauschfähigkeit
des Axialsensors jedoch schlechter ist.
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Ein
weiterer Nachteil sowohl des bekannten radialen Konzeptes als auch
des axialen Konzeptes wird jedoch auch darin gesehen, dass die Sensoren nicht
oder nur mit sehr hohem Aufwand zusammen als Modul mit der Elektromaschine
hergestellt und angeliefert werden können. Da die Elektromaschine beispielsweise
beim Getriebehersteller mit dem zugeordneten Getriebe zu einer Einheit
zusammengefasst und in einem gemeinsamen Hybridgehäuse
untergebracht wird, kann der Sensor erst nach diesem Montageschritt
am Hybridgehäuse verschraubt werden. Dabei muss der Sensorluftspalt,
beispielsweise zu einem Signal-Geberrad, aufgrund der langen Toleranzkette
von dem in einem Seriengehäuse angeordneten Rotor bis zu
dem im Hybridgehäuse angeordneten Sensor für jedes
einzelne Aggregat separat eingestellt werden, was einen erheblichen
Montageaufwand bedeutet. Insbesondere wenn der Luftspalt korrigiert
oder der Sensor ausgetauscht werden muss, muss zumindest das Hybridgehäuse demontiert
werden.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Einrichtung zum Erfassen der Drehwinkellage des Rotors gegenüber
dem Stator einer Synchron-Elektromaschine für eine Hybrid-Antriebsvorrichtung
zu schaffen, bei der die Toleranzkette zwischen Sensorrad und Sensor
so kurz wie möglich ist und die es ermöglicht,
die gesamte Sensoreinrichtung als Modul zusammen mit der Elektromaschine
bereitzustellen.
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Die
Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des
Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar
sind.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Anforderungen
an eine Tauschfähigkeit des Sensors aufgrund neuerer Sensorentwicklungen
geringer geworden sind, so dass darauf beim Einbau des Sensors keine
Rücksicht mehr genommen werden muss, womit sich eine größere
konstruktive Freiheit ergibt.
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Demnach
geht die Erfindung aus von einer Einrichtung zum Erfassen der Drehwinkellage
des Rotors gegenüber dem Stator einer Synchron-Elektromaschine,
beispielsweise für eine Hybrid-Antriebsvorrichtung eines
Kraftfahrzeuges, umfassend ein mit dem Rotor verbundenes Sensorrad
und einen mit diesem zusammenwirkenden, an einem drehfesten Teil
der Antriebsanlage angeordneten Sensor. Zur Lösung der
gestellten Aufgabe ist dabei vorgesehen, dass der Sensor an einem
direkt mit dem Stator verbundenen Sensorträger angeordnet
ist.
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Infolge
des unmittelbar mit dem Rotor verbundenen Sensorrades einerseits
und des über einen Sensorträger direkt am Stator
angeordneten Sensors andererseits ergibt sich in besonders vorteilhafter
Weise eine kürzestmögliche Toleranzkette für die
Anordnung von Sensorrad und Sensorträger. Ein weiterer
Vorteil wird darin gesehen, dass der Sensor integraler Bestandteil
der Elektromaschine ist und vom Hersteller der Elektromaschine montiert
und justiert wer den kann, so dass die Elektromaschine als komplett
vormontiertes Modul beim Getriebehersteller geliefert und beispielsweise
mit einer Getriebeeinrichtung zu einer Aggregateeinheit verbunden
werden kann. Als weiterer Vorteil ergibt sich, dass die vom Sensor
kommende elektrische Ableitung ebenso wie gegebenenfalls Ableitungen
anderer der Elektromaschine zugeordneter Sensoren in einem Anschlussstecker
zusammengefasst werden können, was bei einem nachträglich
montierten Sensor nicht möglich ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der
Sensorträger im Wesentlichen die Form einer eine Stirnseite
des Elektromotors überdeckenden Scheibe oder dergleichen
hat. Diese Scheibe hat neben der Funktion eines Sensorträgers
die Funktion eines Deckels, der die axial dahinter liegenden Komponenten
der Elektromaschine, insbesondere die Isolationskörper
an den Wicklungsköpfen sowie die Wicklungsköpfe selbst
vor Verschmutzung und Beschädigungen schützt.
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Vorteilhafterweise
ist der Sensorträger derart ausgebildet, dass er die Elektromaschine
vor Beschädigung bei Montage und/oder durch Transport als
Transportsicherung schützt.
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Synchron-Elektromaschinen
sind vorzugsweise als Innenläufer-Motoren ausgebildet,
wobei der Stator fest im Elektromotorengehäuse angeordnet
und der Rotor mit der Antriebs- bzw. Abtriebswelle der Elektromaschine
drehverbunden ist. Bei einer derartigen Konstruktion ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass das Sensorrad an einer radial innerhalb des Rotors ausgebildeten
Rotornabe und der Sensor in einem den Geberelementen des Sensorrades
gegenüber liegenden Bereich des Sensorträgers
angeordnet sind. Das Sensorrad steht demnach nicht radial über
den Umfang des Rotors hinaus, sondern ist radial innerhalb desselben
angeordnet, so dass ein durch das Sensorrad erzeugtes Massenträgheitsmoment
klein gehalten werden kann.
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Der
Sensorträger ist vorzugsweise als gesondertes, am Stator
montiertes Bauteil ausgebildet, wobei er gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung am Stator angeschraubt ist. Gemäß einer
anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sensorträger
in eine ein Blechpaket des Stators aufnehmende Ausnehmung des Statorträgers
eingesetzt ist derart, dass er am Blechpaket axial anliegt, dieses
also axial fixiert und gegen ein Auffächern sichert, wie
anhand eines Ausführungsbeispiels genauer dargelegt wird.
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Gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Sensorträgers
ist vorgesehen, dass an diesem im Bereich von am Stator vorgesehenen
Wicklungen Öffnungen zum Einfüllen einer die Wicklungsköpfe
schützenden, beispielsweise silikonartigen Vergussmasse
ausgebildet sind, durch die die Wicklungsköpfe gegen Isolationsschäden, Schmutz,
Wasser usw. geschützt werden.
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Gemäß einer
anderen konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung ist an der auch
das Sensorrad bildenden Rotornabe ein Axialflansch angeordnet, an dessen
Außenseite die Geberelemente des Sensorrades angeordnet
sind, wobei der Sensor zu diesen Geberelementen hin radial einwärts
ausgerichtet ist, wie ebenfalls aus einem in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiel zu erkennen ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind an der Rotornabe einerseits
bzw. am Sensorträger andererseits jeweils zueinander konzentrische,
mit Abstand zueinander angeordnete innere bzw. äußere
Umfangsflächen ausgebildet, zwischen denen eine Radiallagerung
angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Sensorträger eine
Zentrierfunktion für den Rotor übernehmen, solange
beispielsweise die Rotornabe noch nicht durch eine der Elektromaschine
und dem zugeordneten Getriebe gemeinsame Antriebs- bzw. Abtriebswelle
zentriert wird.
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Die
Erfindung lässt sich anhand eines Ausführungsbeispiels
weiter erläutern. Dazu ist der Beschreibung eine Zeichnung
beigefügt. In dieser zeigt
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1 eine
schematische Teilschnittansicht einer Synchron-Elektromaschine,
in der eine erfindungsgemäße Sensoranordnung im
Vergleich zu herkömmlichen Sensoranordnungen dargestellt
ist,
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2 eine
Teilschnittansicht einer Synchron-Elektromaschine mit einer erfindungsgemäßen
Sensoreinrichtung,
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3 in
einer perspektivischen Ansicht einen als stirnseitiger Deckel ausgebildeten
Sensorträger,
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4 den
Sensorträger gemäß 3 in
einer Querschnittansicht, und
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5 eine
perspektivische Ansicht einer Synchron-Elektromaschine, aus der
die Anordnung von Sensor und Sensorträger ersichtlich ist.
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1 ist
eine sehr schematische Darstellung, die den prinzipiellen Unterschied
einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zu herkömmlichen
Sensoranordnungen zeigt. Die in 1 dargestellte
Synchron-Elektromaschine 2 ist als Permanentmagnetmaschine
in einer Innenläufer-Bauart ausgebildet. Sie umfasst in
an sich bekannter Weise einen Stator 4, welcher in einem
Gehäuse 6 drehfest angeordnet ist, sowie einen
Rotor 8, welcher über eine Rotornabe 10 mit
einer Welle 12 gekoppelt ist. Die Elektromaschine 2 ist
beispielsweise Teil einer Hybrid-Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeuges,
d. h. sie ist über die Welle 12 mechanisch mit
einem nicht dargestellten Getriebe und über dieses mit
einem Verbrennungsmotor gekoppelt. Außerdem ist die Elektromaschine 2 elektrisch
mit einem Akkumulator verbunden, aus welchem sie im Antriebsbetrieb elektrische
Energie bezieht und in den sie beispielsweise im Schubbetrieb elektrische
Energie einspeist, wie nicht im Einzelnen dargestellt ist.
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Bei
einer ersten herkömmlichen Bauart ist am Rotor 8 ein
Sensorrad 14 angeordnet, welches sich radial nach außen über
den Radius des Stators 4 hinaus bis zu einer Wand des Gehäuses 6 erstreckt,
in welchem ein mit dem Sensorrad 14 zusammenwirkender Sensor 16 angeordnet
ist, der die Drehwinkellage und/oder die Drehzahl des Sensorrades 14 radial
sensiert.
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Bei
einer in 1 gezeigten anderen bekannten
Anordnung ist am Rotor 8 ein radial nach innen sich erstreckendes
Sensorrad 18 vorgesehen, welches mit einem an einer internen
Gehäusewand 20 bzw. einer Gehäuserippe
angeordneten Sensor 22 zusammenwirkt.
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Die
mit den herkömmlichen Sensoreinrichtungen verbundenen Nachteile,
die mit der aufwendigen Montage und Einstellung der Sensoren, mit
der langen Toleranzkette zwischen Sensorrad und Sensor, der Schwierigkeit,
die Elektromaschine als komplettes Modul zu liefern usw. zusammenhängen,
sind in der Beschreibungseinleitung hinreichend erläutert worden.
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Bei
der ebenfalls in 1 gezeigten erfindungsgemäßen
Sensoranordnung ist der Sensor 24 über einen Sensorträger 26 direkt
mit dem Stator 4 bzw. mit einem diesen haltenden Statorträger
verbunden, so dass sich eine kürzest mögliche
Toleranzkette zum Stator und zum Sensor ergibt. Der Sensor 24 wirkt
mit einem Sensorrad 28 zusammen, welches Bestandteil der
radial innerhalb des Rotors 8 ausgebildeten Rotornabe 10 ist.
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Wie
insbesondere aus den 2 bis 5 erkennbar
ist, hat der in der 2 schraffiert dargestellte Sensorträger 26 im
Wesentlichen die Form einer die Elektromaschine 2 stirnseitig überdeckenden Scheibe,
die gleichzeitig mit der Funktion als Sensorträger auch
die Funktion eines Deckels hat, welcher die dahinter liegenden Komponenten
der Elektromaschine 2 schützt. In den 2 bis 5 sind
die Bauelemente, die denen der 1 entsprechen,
jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie
die 2 bis 5 genauer erkennen lassen, hat
der Sensorträger 26 im Wesentlichen die Form einer
Scheibe mit einer zentralen Öffnung 30. Er ist
in seinem radial äußeren Bereich 32 mit
einem im Gehäuse 6 fest angeordneten, einen Teil
des Stators 4 bildenden Statorträger 34 fest
verbunden. Wie insbesondere die 2 zeigt,
ist in dem äußeren Bereich 32 ein zum
Statur 4 hin gerichteter Axialflansch 36 ausgebildet,
welcher in die ein nicht im einzelnen dargestelltes Blechpaket des
Stators 4 aufnehmende Ausnehmung 37 hineinragt
derart, dass er an diesem Blechpaket axial anliegt, dieses axial
fixiert und gegen ein Auffächern sichert.
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Am
radial inneren, die zentrale Öffnung 30 einfassenden
Rand 38 ist über ein Verbindungselement 40 ein
Sensor bzw. Sensorstator 42 angeordnet, welcher mit einem
am Sensorrad 28 angeordneten Sensorrotor 44 zusammenwirkt.
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In 3 ist
der Sensorträger 26 in einer perspektivischen
Darstellung und in 4 in einer Schnittansicht veranschaulicht.
Im radial äußeren Bereich 32 des Sensorträgers 26 sind über
den Umfang verteilt mehrere Befestigungslaschen 46 angeordnet, über
die der Sensorträger 26 mit dem Statorträger 34 verschraubt
wird (siehe auch 5). Öffnungen 47 dienen
zum Einfüllen einer Vergussmasse zum Schutz von hinter
dem Sensorträger angeordneten Wicklungsköpfen
der Phasenwicklungen des Stators 4.
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Es
ist erkennbar, dass mit dem Sensor 42 verbundene Signalleitungen
gegebenenfalls mit anderen Sensoren der Elektromaschine zugeordneten Signalleitungen
einem gemeinsamen in 5 dargestellten Anschlussstecker 48 zugeleitet
werden können, so dass ein gesonderter Anschluss für
die Signalleitungen des Drehwinkellagesensors nicht erforderlich
ist. 5 zeigt auch noch einmal perspektivisch den Sensorträger 26 und
den mit diesem verbundenen Sensorstator 42 in ihrer Einbaulage
am Gehäuse der Elektromaschine.
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Wie
bereits weiter vorne näher erläutert wurde, liegen
die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen
Anordnung einmal in der kurzen Toleranzkette, zum anderen in der
Tatsache, dass die Synchron-Elektromaschine als komplett vormontiertes Modul
hergestellt und geliefert sowie in ein auch andere Komponenten der
Hybrid-Antriebsvorrichtung aufnehmendes Hybridgehäuse eingebaut
werden kann, ohne dass nachträglich der Einbau und die Justierung
von Drehlagesensoren erforderlich ist.
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Es
wird nochmals auf die 2 Bezug genommen. In dieser
ist zu erkennen, dass an der Rotornabe 10 einerseits eine
innere Umfangsfläche 52 und am Sensorträger 26 andererseits
eine zu dieser konzentrische, mit einem Abstand zu dieser angeordnete äußere
Umfangsfläche 54 ausgebildet ist, zwischen denen
eine Radiallagerung 56 angeordnet ist. Auf diese Weise
kann der Sensorträger 26 eine Zentrierung des
Rotors 8 übernehmen.
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- 2
- Synchron-Elektromaschine
- 4
- Stator
- 6
- Gehäuse
- 8
- Rotor
- 10
- Rotornabe
- 12
- Welle
- 14
- Sensorrad
- 16
- Sensor
- 18
- Sensorrad
- 20
- Gehäusewand
- 22
- Sensor
- 24
- Sensor
- 26
- Sensorträger
- 28
- Sensorrad
- 30
- Öffnung
- 32
- Äußerer
Bereich
- 34
- Statorträger
- 36
- Axialflansch
- 37
- Ausnehmung
am Statorträger
- 38
- Rand
- 40
- Verbindungselement
- 42
- Sensorstator,
Sensor
- 44
- Sensorrotor,
Geberelemente des Sensorrades
- 46
- Befestigungslasche
- 47
- Öffnungen
- 48
- Anschlussstecker
- 52
- Innere
Umfangsfläche
- 54
- Äußere
Umfangsfläche
- 56
- Radiallagerung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004004744
A1 [0004]
- - DE 102004056990 B4 [0005]