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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Rotor eines elektrischen Antriebs, eines elektrischen Motors oder eines Elektromotors und eine Fahrzeugantriebsvorrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder einen elektrisch angetriebenen Zug. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Fern-Rotorparametersensor für elektrische Antriebe.
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Als Fahrzeuge in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs verbessert wurden, sind Brennstoffzellenfahrzeuge und Hybridfahrzeuge von großem Interesse geworden. Das Hybridfahrzeug weist als seine Komponenten einen Benzinmotor, ein Getriebe, einen Wechselrichter, eine Batterie, einen Elektromotor sowie deren Controller auf. Solche Fahrzeuge benötigen einen Elektromotor, der in hohem Maße zuverlässig, effizient, in Bezug auf die U/min variabel und in Bezug auf die Regelung und Steuerung hervorragend ist.
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Umweltanforderungen wie etwa die Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes erfordern eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs und eine Verbesserung von elektrischen Maschinen für angetriebene Fahrzeuge aller Arten. Elektrische Maschinen und ihre Verwendung als Stromquellen oder als zusätzliche Stromquellen in einem Motorfahrzeug für Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge sind allgemein bekannt.
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Bekannte Fahrzeuge mit einem elektrischen Antrieb weisen einen elektrischen Motor mit einem sich drehenden Rotor, z. B. einen Innen-Dauermagnet-Synchronmotor oder einen sich drehenden elektrischen Motor, an dem der Rotor angebracht ist, und eine Fahrzeugantriebsvorrichtung auf. Typischerweise weist ein Rotor eines elektrischen Motors einen Rotorträger mit einer zylinderförmigen Stützstruktur zum Aufnehmen von einen Magnetfluss erzeugenden und einen Magnetfluss leitenden Komponenten auf.
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Es gibt elektrische Maschinen, die zu unterschiedlichen Betriebsmodi in der Lage sind, nämlich zu einem Betriebsmodus zum Erzeugen eines Drehmoments oder einer Antriebsleistung für das Antreiben eines Fahrzeugs in einem Antriebsmodus und zu einem Betriebsmodus zum Umwandeln von kinetischer Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie in einem Umwandlungsmodus. In einem Antriebsmodus erzeugt ein solcher Rotor durch magnetische Interaktion mit dem Stator des elektrischen Motors eine Antriebsleistung oder ein Bremsmoment, um das Fahrzeug entweder zu beschleunigen oder zu verlangsamen. In einem Umwandlungsmodus wird der Rotor durch die Bewegung des Fahrzeugs gedreht und erzeugt durch eine magnetische Interaktion mit dem Stator des elektrischen Motors eine elektrische Energie zur Einspeisung dieser in eine Fahrzeugstromversorgung.
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In beiden Betriebsmodi muss das Drehmoment, das von dem Rotor erzeugt wird oder an den Rotor angelegt wird, von der Stützstruktur und den Lagern, die den Rotor tragen, absorbiert werden, was eine strukturelle Konfiguration erfordert, die in der Lage ist, mit der mechanischen Belastung fertig zu werden, insbesondere dann, wenn Laständerungen durch den Wechsel zwischen den Betriebsmodi auftreten.
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In der Automobilbranche gibt es eine große Anzahl von andauernden Elektro- und Hybdridfahrzeugentwicklungen. Allgemeine Lösungsansätze weisen wenigstens ein bis vier leistungsstarke Elektromotoren in dem Bereich von ein paar kW bis zu 200 kW auf, um eine Antriebsleistung für das Fahrzeug bereitzustellen. Solche Elektromotoren sind sicherheitskritisch, da sie direkt das Fahren des Fahrzeugs beeinflussen. Demzufolge sind Diagnosesysteme für den Elektromotor wünschenswert. Jedoch existiert bis jetzt kein spezielles Diagnosesystem für den Rotor eines elektrischen Motors oder eines Elektromotors.
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Der Rotor eines elektrischen Motors oder eines Elektromotors kann auf verschiedene Fehler- oder Ausfall- bzw. Störungssituationen treffen, wie zum Beispiel das Brechen der Stäbe in einem asynchronen Induktionsmotor oder zusätzliche Leistungsverluste in den Metallbauteilen, die zu einer Entmagnetisierung von Magneten in einen Magnetfluss erzeugenden Komponenten und/oder in einen Magnetfluss leitenden Komponenten des Motors führen können.
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Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, ein Diagnosesystem für den Rotor eines elektrischen Motors oder eines Elektromotors zur Verwendung in Elektro- oder Hybridfahrzeugen bereitzustellen. Diese Ziele können durch die Gegenstände der beigefügten unabhängigen Patentansprüche erreicht werden. Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind jeweils durch die Unteransprüche definiert.
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Was eine Grundidee der Erfindung anbelangt, so ist ein System zur Überwachung und/oder zur Diagnose eines elektrischen Motors oder Elektromotors, insbesondere des Rotors eines elektrischen Motors oder eines Elektromotors zur Verwendung in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, bereitgestellt, wobei der Rotor durch wenigstens einen Sensor überwacht wird, der eine oder mehrere physikalische Observable oder einen oder mehrere Betriebsparameter oder Betriebsparameter abfühlt. Die vorliegende Erfindung kann auf jede Art von elektrischem Motor oder Elektromotor angewendet werden, der einen Rotor aufweist.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt in der Beobachtung, dass wenigstens einige Fehler- oder Ausfall- bzw. Störungssituationen eines Elektromotors durch einen Temperaturanstieg des Rotors entdeckt und erfasst werden können. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann durch die Verwendung eines Temperatursensors, der dafür eingerichtet ist, die Temperatur in dem Rotor abzufühlen oder zu messen, die Betriebsbedingung bzw. der Betriebszustand des Rotors überwacht werden. In dem Fall einer Fehler- oder Ausfall- bzw. Störungssituation kann durch die Erfassung einer hohen Temperatur oder einer überschrittenen Temperatur des Rotors der Elektromotor in einen sicheren Betriebsmodus gebracht werden, und somit kann der Elektromotor vor einem Totalausfall geschützt werden. Dadurch kann eine unsichere Situation für das Fahrzeug, die durch einen Ausfall des Elektromotors verursacht wird, verhindert werden. Des Weiteren können durch die vorliegende Erfindung schwerere Schäden oder das komplette Versagen des Elektromotors aufgrund der erfassten Fehler- oder Ausfall- bzw. Störungsbedingung verhindert werden.
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In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Beschleunigungssensor verwendet, der dafür eingerichtet ist, die Rotationsfrequenz des Rotors zu überwachen. Der Beschleunigungssensor ist angeordnet und dafür eingerichtet, auf Beschleunigungen oder Vibrationen des Rotors in einer axialen und/oder radialen Richtung in Bezug auf die Mittel- oder Rotationsachse des Rotors anzusprechen bzw. zu reagieren.
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In Übereinstimmung mit noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Rotorpositionssensor verwendet, der dafür eingerichtet ist, die Rotorposition zu überwachen. Durch den Rotorpositionssensor kann die radiale Position des Rotors erfasst werden. Im Falle von erfassten Beschleunigungen oder Vibrationen des Rotors in einer bestimmten Position des Rotors kann die jeweilige radiale Position des Rotors mit Hilfe des Rotorpositionssensors ermittelt werden.
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Der Beschleunigungssensor ist an dem Rotor in einer Richtung derart angeordnet, dass er verwendet werden kann, um den Winkel der radialen Rotorposition zu ermitteln. Eine Kombination mit einem Oberseiten-/Unterseitensensor erlaubt es, dass der Rotorpositionssensor überprüft werden kann, und macht die Notwendigkeit für einen Sensor mit einer Winkelauflösung von 360° überflüssig; als Folge davon kann ein Sensor mit einer Winkelauflösung von nur 180° verwendet werden.
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In Übereinstimmung mit noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Messergebnis eines ersten Sensors dazu verwendet, eine Funktionalität eines zweiten Sensors zu überwachen. Infolgedessen können die Messergebnisse eines Sensors verwendet werden, um eine Funktionalität eines anderen Sensors zu bestätigen oder zu überwachen.
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In Übereinstimmung mit noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Magnetfeldsensor und/oder eine Antenne in dem Rotor angeordnet, die dafür eingerichtet sind, das Magnetfeld und/oder den Magnetfluss an dem Rotor zu überwachen. Die Messergebnisse eines solchen Magnetfeldsensors können zum Beispiel verwendet werden, um ein Sensorsystem zu aktivieren, welches dann weitere Sensormessungen für den Rotor und/oder Motor durchführt.
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In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist wenigstens ein Sensor oder sind mehrere Sensoren mit einem drahtlosen Sender versehen, der in der Lage ist, die Messergebnisse oder Signale des einen Sensors oder der mehreren Sensoren zu einem drahtlosen Empfänger drahtlos zu übertragen, der außerhalb von oder getrennt von dem Rotor und/oder Elektromotor angeordnet ist. Der drahtlose Sender und der drahtlose Empfänger können zum Beispiel als ein induktives Signalübertragungssystem oder als eine Funkübertragung verwirklicht werden. Der drahtlose Empfänger ist dafür eingerichtet, die empfangenen Sensorsignale über eine Drahtleitungsverbindung oder eine drahtlose Verbindung einer Analyse- oder Diagnosekomponente bereitzustellen. Diese Analyse- oder Diagnosekomponente ist dafür eingerichtet, die empfangenen Sensorsignale in Bezug auf die Betriebsbedingung des Rotors und/oder Elektromotors zu analysieren und jegliche Fehler- oder Ausfall- bzw. Störungssituation des Rotors und/oder Elektromotors zu entdecken oder zu erfassen.
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Das Verwenden eines Diagnosesystems mit einer Sensormessung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, den Betriebsbereich oder die Lebensdauer des Rotors und/oder des elektrischen Motors zu erweitern bzw. zu verlängern, indem kritische Betriebssituationen, kritische Temperaturen oder ein kurzzeitiges in die Höhe Treiben der Leistung verhindert werden. Für Induktionsmotoren stellt die vorliegende Erfindung die Möglichkeit für eine Effizienzoptimierung bereit, da der Rotorwiderstand über die gemessene Rotortemperatur besser geschätzt werden kann, wodurch die Motorleistung insgesamt verbessert werden kann.
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In Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bzw. sind ein oder mehrere vorzugsweise drahtlose(r) Sensor(en) an dem Rotor des elektrischen Motors zum Abfühlen der Temperatur, der Beschleunigung und/oder des Magnetfelds in dem Rotor angeordnet. Da in dem Rotor starke Magnetfelder auftreten können, ist es möglich, die Stromversorgung für die Sensoren über das Gewinnen bzw. „Ernten” von Energie aus der Bewegung des Rotors zu erlangen. Dies kann über eine induktive Energieerzeugung oder über eine Gewinnung bzw. das „Ernten” von elektrischer Energie aus der Bewegung des Rotors erzielt werden. Das drahtlose Übertragungssystem der vorliegenden Erfindung benötigt weniger oder überhaupt keine Wartung und kann problemlos in den elektrischen Motor integriert werden.
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In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Messfähigkeiten von Reifendrucksensoren verwendet werden, um Betriebsbedingungen des Rotors in einem Elektromotor zu ermitteln. Deshalb wird in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Reifendrucksensor TPMS SP37/SP40 von Infineon als ein Rotorsensor verwendet, der eine oder mehrere der folgenden Funktionalität(en) bereitstellt: eine Temperaturmessung, eine Beschleunigungsmessung, eine drahtlose Hochfrequenz-(HF)-Schnittstelle und eine Empfängerschnittstelle.
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In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Reifendrucksensor PMA5110 von Infineon als ein Rotorsensor verwendet, der zwar keinen Beschleunigungsmesser aufweist, aber einen externen Analog-Digital-Wandler, der mit anderen Sensoren verbunden werden kann.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Hochfrequenzsensor, der in der Lage ist, Messsignale drahtlos zu übertragen (HF-Übertragung), an dem Rotor eines Elektromotors zum Abfühlen der Temperatur des Rotors, der Beschleunigung, der Richtung der Beschleunigung und/oder des Magnetfelds in dem Rotor angeordnet. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel ein TPMS-Sensor an dem Rotor angebracht sein, welcher die Beschleunigung und die Temperatur des Rotors misst und eine HF-Übertragung des Temperatursignals und eine Auswertung des Beschleunigungssignals als ein Positionssignal bereitstellt. Außerdem kann das elektromagnetische Feld des Motors gemessen werden, und die Messergebnisse können zur Analyse und Diagnose der Funktion des Rotors und des elektrischen Motors insgesamt verwendet werden.
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In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Diagnosesystem bereitgestellt, das ein Steuergerät aufweist. In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Steuergerät dafür eingerichtet sein, einschränkende Bedingungen des Rotors und/oder des Elektromotors zu berücksichtigen, wie zum Beispiel die Umdrehungen pro Minute, die Raddrehzahl, den normalen Bereich von Temperaturen, und so weiter. Wenn vorbestimmte einschränkende Bedingungen des Rotors und/oder des Elektromotors überschritten werden, dann kann das Steuergerät ein jeweiliges Warnsignal für einen Benutzer erzeugen oder das Steuergerät kann ein Steuersignal erzeugen, um die Betriebsbedingungen des Rotors und/oder des Elektromotors derart zu modifizieren, dass die Betriebsbedingungen innerhalb dieser einschränkenden Bedingungen bleiben.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein System bereitgestellt zur Überwachung und/oder Diagnose eines elektrischen Antriebsmotors, der in Elektro- oder Hybridfahrzeugen verwendet wird, wobei ein Rotor eines elektrischen Motors oder Elektromotors durch wenigstens einen Sensor überwacht wird, der eine oder mehrere physikalische Observable oder einen oder mehrere Betriebsparameter abfühlt.
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Vorteilhaft ist der Sensor angeordnet und dafür eingerichtet, eine oder mehrere physikalische Observable oder einen oder mehrere Betriebsparameter zu messen, die den Betrieb des Elektromotors beeinflussen oder durch den Betrieb des Elektromotors beeinflusst werden.
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Vorteilhaft misst der Sensor S wenigstens einen bzw. eine der Folgenden: die Rotationsfrequenz oder die U/min, die Vibration, den Winkel der radialen Rotorposition, die Temperatur, die Beschleunigung und die Bewegung in der radialen und/oder axialen Richtung des Rotors, die Induktivität, den elektrischen Widerstand von ein induktives Feld erzeugenden Komponenten des Elektromotors.
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Vorteilhaft ist bzw. sind der wenigstens eine Sensor oder die mehreren Sensoren mit einem drahtlosen Sender versehen, der in der Lage ist, die Messergebnisse oder Signale des einen Sensors oder der mehreren Sensoren an einen drahtlosen Empfänger eines Diagnosesystems für eine weitere Behandlung der Messergebnisse drahtlos zu übertragen.
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Vorteilhaft ist der wenigstens eine Sensor in oder an dem Rotor angebracht.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren bereitgestellt zur Überwachung und/oder Diagnose eines elektrischen Motors oder Elektromotors, wobei ein Rotor des elektrischen Motors oder Elektromotors durch wenigstens einen Sensor überwacht wird, der eine oder mehrere physikalische Observable oder einen oder mehrere Betriebsparameter abfühlt.
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Vorteilhaft umfasst das Verfahren des Weiteren die Überwachung und/oder die Diagnose der einen oder mehreren physikalischen Observablen oder des einen Betriebsparameters oder der mehreren Betriebsparameter.
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Vorteilhaft umfasst das Verfahren des Weiteren die Verwendung eines Temperatursensors, der dafür eingerichtet ist, die Temperatur an dem Rotor abzufühlen oder zu messen.
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Vorteilhaft umfasst das Verfahren des Weiteren die Verwendung eines Beschleunigungssensors, der dafür eingerichtet ist, Beschleunigungen und/oder Vibrationen des Rotors in der axialen und/oder radialen Richtung einer Mittelachse oder Rotationsachse des Rotors abzufühlen oder zu messen.
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Vorteilhaft umfasst das Verfahren des Weiteren die Verwendung eines Rotorpositionssensors, der dafür eingerichtet ist, die axiale und/oder radiale Position des Rotors zu überwachen.
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Vorteilhaft umfasst das Verfahren des Weiteren die Verwendung eines Magnetfeldsensors und/oder einer Antenne, die dafür eingerichtet sind, einen induktiven Widerstand, ein Magnetfeld und/oder einen Magnetfluss an dem Rotor abzufühlen oder zu messen.
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Vorteilhaft wird das Messergebnis eines ersten Sensors verwendet, um eine Funktionalität eines zweiten Sensors zu überwachen.
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Vorteilhaft werden die Messergebnisse eines ersten Sensors verwendet, um einen oder mehrere zweite(n) Sensor(en) zu aktivieren und/oder um ein Diagnosesystem zu aktivieren.
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Gemäß einem Aspekt wird ein System bereitgestellt zur Überwachung eines elektrischen Antriebs oder Elektromotors zur Verwendung in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, wobei das System Einrichtungen aufweist:
zur Messung einer oder mehrerer physikalischen Observablen oder eines Betriebsparameters oder mehrerer Betriebsparameter an dem Rotor des elektrischen Motors oder Elektromotors; und
zur Analyse des Messergebnisses der einen oder mehreren physikalischen Observablen oder des einen Betriebsparameters oder der mehreren Betriebsparameter zur Überwachung von Betriebsbedingungen des Rotors.
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Vorteilhaft ist der wenigstens eine Sensor an einer Welle des Rotors in einem radialen Abstand von einer Mittelachse oder Rotationsachse des Rotors und/oder an der Vorderseite des Rotors in einer zentralen Position in Bezug auf die Mittelachse oder Rotationsachse des Rotors angeordnet.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Diagnosesystem bereitgestellt zur Überwachung eines elektrischen Motors oder Elektromotors zur Verwendung in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, wobei das Diagnosesystem Einrichtungen aufweist:
zur Messung einer oder mehrerer physikalischen Observablen oder eines Betriebsparameters oder mehrerer Betriebsparameter an dem Rotor des elektrischen Motors oder Elektromotors;
zur Analyse des Messergebnisses der einen oder mehreren physikalischen Observablen oder des einen Betriebsparameters oder der mehreren Betriebsparameter; und
zur Diagnose von Betriebsbedingungen des elektrischen Motors oder Elektromotors.
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Vorteilhaft ist eine Anzahl von drahtlosen Sensoren an dem Rotor des elektrischen Motors zum Abfühlen einer Temperatur, einer Beschleunigung, eines magnetischen Widerstands und/oder eines Magnetfelds an dem Rotor angeordnet.
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Vorteilhaft ist eine Anzahl von drahtlosen Sensoren dafür eingerichtet, eine Stromversorgung über eine induktive Energieerzeugung oder über das Gewinnen einer elektrischen Energie aus der Bewegung des Rotors und/oder aus einem Magnetfeld an dem Rotor zu erlangen.
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Vorteilhaft ist ein Hochfrequenzsensor, der dafür eingerichtet ist, Messsignale drahtlos zu übertragen (HF-Übertragung), an dem Rotor zum Abfühlen einer Temperatur des Rotors, einer Beschleunigung, der Richtung der Beschleunigung und/oder des Magnetfelds in dem Rotor angeordnet.
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Vorteilhaft weist das Diagnosesystem des Weiteren ein Steuergerät auf, das dafür eingerichtet ist, einschränkende Bedingungen des Rotors und/oder des Elektromotors, wie etwa Schwellenwerte für die eine oder die mehreren physikalischen Observable(n) oder den einen oder die mehreren Betriebsparameter, zu berücksichtigen.
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Vorteilhaft erzeugt das Steuergerät ein jeweiliges Warnsignal für einen Benutzer und/oder erzeugt das Steuergerät ein Steuersignal, um Betriebsbedingungen des Elektromotors derart zu steuern bzw. zu regeln oder zu modifizieren, dass die Betriebsbedingungen innerhalb der einschränkenden Bedingungen bleiben.
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Die beigefügte Zeichnung ist einbezogen, um ein weiteres Verständnis der vorliegenden Erfindung bereitzustellen, und sie ist in die vorliegende Patentspezifikation eingegliedert und bildet einen Teil davon. Die Zeichnung veranschaulicht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zusammen mit der Beschreibung dient sie dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und viele der beabsichtigten Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ohne Weiteres erkannt werden, wenn sie durch die Bezugnahme auf die vorliegende Beschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnung sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu in Bezug zueinander.
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Da Bauteile bzw. Komponenten von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einer Anzahl von unterschiedlichen Ausrichtungen positioniert werden können, wird die Terminologie, die sich auf die Richtung bezieht, zu Zwecken der Veranschaulichung verwendet und ist in keinster Weise einschränkend. Es soll klar sein, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und dass strukturelle und logische Änderungen durchgeführt werden können, ohne dass von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Die nachfolgende ausführliche Beschreibung soll daher nicht in einem beschränkenden Sinne betrachtet werden, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist durch die angehängten Ansprüche definiert.
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Die einzige 1 veranschaulicht eine schematische Schnittansicht eines Elektromotors in Übereinstimmung mit einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Da die vorliegende Erfindung auf jede Art von elektrischem Motor oder Elektromotor angewendet werden kann, sind in 1 nur Teile oder Komponenten eines elektrischen Motors oder Elektromotors gezeigt, die zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung notwendig sind.
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Die Teile des Elektromotors, die in 1 gezeigt sind, weisen einen Stator 1 auf, der über ein Lager oder eine Welle 2 abgestützt wird. In Abhängigkeit von der Art des elektrischen Motors oder Elektromotors kann der Stator feststehend sein oder derart abgestützt sein, dass er sich um die Welle 2 drehen kann. Das Statorteil umschließt zumindest teilweise einen Rotor 3, der über ein Lager oder eine Welle 4 derart abgestützt ist, dass sich der Rotor 3 in dem Stator 1 drehen kann.
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Der Stator 1 ist im Wesentlichen wie ein offener Zylinder mit einer äußeren und einer inneren umfangsseitigen Oberfläche geformt, der im Wesentlichen achsensymmetrisch zu einer Mittelachse oder Rotationsachse A ist, die als gestrichelte Linie gezeigt ist. Eine oder mehrere, ein elektromagnetisches Feld erzeugende Komponente(n) oder Spule(n) 6 ist bzw. sind auf der äußeren umfangsseitigen Zylinderoberfläche des Stators 1 angeordnet.
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Die ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Komponenten oder Spulen 6 sind angeordnet und so eingerichtet, dass sie, wenn sie unter elektrischen Strom stehen, ein elektromagnetisches Feld erzeugen, das induktiv den Rotor 3 im Innern des Stators 1 beeinflusst. Somit funktioniert der Stator 3 als ein Träger des Rotors 3 mit einer zylinderförmigen Stützstruktur zum Aufnehmen von einen Magnetfluss erzeugenden und einen Magnetfluss leitenden oder auf einen Magnetfluss ansprechenden Komponenten 5 und 6.
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Der Stator 1 weist Stäbe 5 auf, die in einer radialen Richtung ausgehend von der inneren umfangsseitigen Zylinderoberfläche des Stators 1 vorstehen. Der Rotor 3 ist ebenfalls wie ein offener Zylinder, der im Wesentlichen achsensymmetrisch in Bezug auf eine Mittelachse oder Rotationsachse A ist, und mit einer äußeren und einer inneren umfangsseitigen Oberfläche geformt. Die Stäbe 5 stehen in einer radialen Richtung von der äußeren umfangsseitigen Zylinderoberfläche des Rotors 3 vor. Somit weist der Rotor 3 eine zylinderförmige Stützstruktur zum Aufnehmen von einen Magnetfluss leitenden oder auf einen Magnetfluss ansprechenden Komponenten 5 auf.
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Die Stäbe 5, die von der inneren umfangsseitigen Zylinderoberfläche des Stators 1 vorstehen, und die Stäbe 5, die von der äußeren umfangsseitigen Zylinderoberfläche des Rotors 3 vorstehen, überlappen sich und stehen miteinander in Eingriff, um eine induktive Interaktion zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 3 zu ermöglichen und abzustützen, wenn die ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Komponenten 6 mit elektrischer Energie versehen werden. Infolge dieser induktiven Interaktion wird der Rotor 3 gezwungen, sich in dem Stator 1 zu bewegen und sich um eine Mittelachse oder Rotationsachse A zu drehen. Das erzeugte Drehmoment oder die Rotation des Rotors 3 wird über eine Welle 4 als eine Antriebsleistung oder eine kinetische Energie des elektrischen Motors oder Elektromotors M verwendet und übertragen.
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In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Rotor 3 des Elektromotors M durch wenigstens einen Sensor überwacht, der eine oder mehrere physikalische Observable oder einen oder mehrere Betriebsparameter oder Betriebsparameter abfühlt. Zu diesem Zweck ist der Rotor 3, wie in der exemplarischen Ausführungsform von 1 gezeigt ist, mit wenigstens einem Sensor S versehen, der eine oder mehrere physikalische Observable oder einen oder mehrere Betriebsparameter oder Betriebsparameter abfühlt.
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Der wenigstens eine Sensor S ist angeordnet und eingerichtet, um eine oder mehrere physikalische Observable oder einen oder mehrere Betriebsparameter oder Betriebsparameter zu messen, die den Betrieb des Elektromotors M beeinflussen oder davon beeinflusst werden. Solche physikalischen Observablen oder Betriebsparameter, die den Betrieb des Elektromotors M beeinflussen oder durch den Betrieb des Elektromotors M beeinflusst werden, sind zum Beispiel die Rotationsfrequenz bzw. die U/min, die Vibration, der Winkel der radialen Rotorposition, die Temperatur, die Beschleunigung und die Bewegung in der radialen und/oder axialen Richtung des Rotors 3.
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Wie in 1 gezeigt ist, kann ein Sensor S oder können mehrere Sensoren S zum Beispiel an der Welle 4 des Rotors 3 in einem radialen Abstand von der Mittelachse oder Rotationsachse A angeordnet sein. Wie ebenfalls in 1 gezeigt ist, kann der eine Sensor S oder können die mehreren Sensoren S alternativ zum Beispiel an einer Vorderseite des Rotors 3 in einer zentralen Position in Bezug auf die Mittelachse oder Rotationsachse A angeordnet sein. In diesen Positionen kann der Sensor S die Rotationsfrequenz bzw. die U/min, die Vibration, den Winkel der radialen Rotorposition, die Temperatur, die Beschleunigung und die Bewegung in der radialen und/oder axialen Richtung des Rotors 3, die Induktivität oder den elektrischen Widerstand von ein induktives Feld erzeugenden Komponenten des Elektromotors M messen.
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Ein Temperatursensor S kann verwendet werden, um die Temperatur in dem Rotor 3 abzufühlen oder zu messen. Somit können zumindest einige Fehler- oder Ausfall- bzw. Störungssituationen eines Elektromotors durch einen Temperaturanstieg des Rotors 3 entdeckt und erfasst werden. In dem Fall einer Fehlersituation, die durch eine hohe Temperatur oder eine überschrittene Temperatur des Rotors 3 erfasst wird, kann der Elektromotor in einen sicheren Betriebsmodus gebracht werden, z. B. durch das Reduzieren des Stroms, das Begrenzen der Umdrehungen pro Minute (U/min) oder sogar durch das Abschalten des Elektromotors M. Dadurch kann eine unsichere Situation für das Fahrzeug, die durch einen Ausfall des Elektromotors verursacht wird, verhindert werden. Des Weiteren können durch die vorliegende Erfindung schwerere Schäden oder das komplette Versagen des Elektromotors bedingt durch die erfasste Fehler- oder Ausfall- bzw. Störungsbedingung verhindert werden.
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Ein Beschleunigungssensor S kann verwendet werden, um die Rotationsfrequenz des Rotors 3 zu messen und zu überwachen. Der Beschleunigungssensor S kann des Weiteren dafür eingerichtet sein, auf Beschleunigungen oder Vibrationen des Rotors 3 in der axialen und/oder radialen Richtung anzusprechen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein Rotorpositionssensor S verwendet werden, um die Position des Rotors 3 in einer radialen oder axialen Richtung zu messen und zu überwachen.
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Ein Magnetfeldsensor S kann verwendet werden, um das Magnetfeld und/oder den Magnetfluss in dem Rotor 3 zu überwachen. Wenn mehr als ein Sensor S verwendet wird, dann kann das Messergebnis eines Sensors S zur Bestätigung oder Überwachung der Funktionalität eines anderen Sensors S verwendet werden.
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Der wenigstens eine Sensor S erzeugt elektrische Signale, die den physikalischen Observablen entsprechen, die der Sensor S misst. Diese Sensorsignale können Analyse- oder Diagnosekomponenten (nicht gezeigt) für analytische Zwecke zugeführt werden, zum Beispiel zur Feststellung, ob die jeweilige physikalische Observable innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt oder einen bestimmten Schwellenwert überschritten hat.
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Diese Sensorsignale können über eine Drahtleitungsverbindung oder über eine drahtlose Übertragung übertragen werden. Deshalb kann wenigstens ein Sensor S oder können mehrere Sensoren S mit einem drahtlosen Sender (nicht gezeigt) verbunden werden oder damit versehen sein, der in der Lage ist, die Sensorsignale oder Messergebnisse zu einem drahtlosen Empfänger drahtlos zu übertragen, der mit einer oder mehreren Analyse- oder Diagnosekomponente(n) gekoppelt ist, die außerhalb von oder getrennt von dem Rotor 3 und/oder dem Elektromotor M angeordnet ist bzw. sind. Zu diesem Zweck kann eine Antenne an dem Rotor 3 oder in dem Elektromotor M angeordnet sein, um die Sensorsignale drahtlos zu übertragen. Diese Analyse- oder Diagnosekomponente ist dafür eingerichtet, die empfangenen Sensorsignale in Bezug auf die Betriebsbedingung des Rotors 3 und/oder des Elektromotors M zu analysieren und eine Fehler- oder Ausfall- bzw. Störungssituation des Rotors 3 und/oder des Elektromotors M zu erkennen oder zu erfassen.
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In einer Kombination aus verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung kann ein Hochfrequenzsensor, der in der Lage ist, Messsignale über eine HF-Übertragung drahtlos zu übertragen, z. B. ein TPMS-Sensor, an dem Rotor 3 zum Abfühlen der Temperatur, der Beschleunigung, der Richtung der Beschleunigung und/oder des Magnetfelds angeordnet sein.
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Die Sensoren S sind in dem Bereich von Magnetfeldern angeordnet, die den Elektromotor M antreiben. Deshalb können die Sensoren S mit induktiven Elementen versehen sein, die in der Lage sind, Energie aus der Bewegung des Rotors 3 zu erlangen oder Energie aus dem Magnetfeld zu gewinnen, das von dem Elektromotor M erzeugt wird.
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Obwohl eine exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit 1 beschrieben worden ist, die eine Kombination aus einem Rotor und einem Stator zeigt, kann die vorliegende Erfindung auf jede Art von elektrischem Motor oder Elektromotor angewendet werden, der einen Rotor aufweist.
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Obwohl spezifische Konfigurationen und Anordnungen erörtert worden sind, ist es klar, dass dies nur für veranschaulichende Zwecke durchgeführt worden ist. Ein Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet wird erkennen, dass andere Konfigurationen und Anordnungen verwendet werden können, ohne dass von dem Gedanken und dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Es wird einem Fachmann auf dem relevanten Gebiet offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung auch in einer Vielfalt von anderen Anwendungen verwendet werden kann.
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Obwohl oben verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, soll es klar sein, dass diese nur beispielshalber präsentiert worden sind und keine Einschränkung darstellen. Es wird einem Fachmann auf dem relevanten Gebiet klar sein, dass verschiedene Änderungen in Bezug auf die Form und die Einzelheiten durchgeführt werden können, ohne dass von dem Gedanken und dem Schutzumfang der Erfindung abgewichen wird. Somit sollen der Umfang und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht durch eine der oben beschriebenen, beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein, sondern sie sollen nur gemäß den nachfolgenden Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert sein.
