DE102013203937A1

DE102013203937A1 - Elektrische Maschine ohne Resolver

Info

Publication number: DE102013203937A1
Application number: DE102013203937.9A
Authority: DE
Inventors: Klaus Büttner; Klaus Kirchner; Matthias Warmuth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2014-09-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor (10), welcher in einem Stator um eine Rotationsachse (16) drehbar gelagert ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und technisch zuverlässige Drehzahlregelung für die elektrische Maschine bereitzustellen. Hierzu ist zumindest ein optischer Sensor (34) bereitgestellt, welcher bezüglich des Stators ortsfest gelagert ist und welcher einen optischen Erfassungsbereich (40) aufweist, der auf den Rotor (10) gerichtet ist. Der Rotor (10) weist eine Markierungseinrichtung mit zumindest einer optischen Markierung (26) auf, welche sich bei einer Rotation (14) des Rotors (10) im oder durch jeden Erfassungsbereich (40) bewegt. Der zumindest eine Sensor (34) ist dabei dazu ausgelegt, ein Sensorsignal (S) zu erzeugen, welches von einer relativen Lage der zumindest einen Markierung (26) zu seinem Erfassungsbereich (40) abhängig ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor, welcher in einem Stator um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Die elektrische Maschine ist insbesondere als elektrischer Antriebsmotor, insbesondere als Hybridläufer, für ein Kraftfahrzeug ausgestaltet. Zur Erfindung gehört auch ein entsprechendes Kraftfahrzeug mit zumindest einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Schließlich gehört zu der Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen des genannten Rotors.
Elektrische Motoren für Elektrofahrzeuge in der Asynchrontechnik werden in der Regel mit einem Resolver drehzahlgeregelt. Ein Resolver ist ein elektromagnetischer Messumformer zur Wandlung der Winkellage des Rotors in eine elektrische Größe. Hierzu ist bei einem hochwertigen Resolver ein Rotorpaket bereitgestellt, das drehzahlfest auf eine Welle der elektrischen Maschine montiert ist. Das Rotorpaket ist in einem gewickelten Resolver-Stator angeordnet, der ortsfest bezüglich des eigentlichen Stators der elektrischen Maschine selbst angeordnet ist. Ein Resolver ist relativ teuer. Er benötigt auch verhältnismäßig viel Bauraum um die Welle und ist deshalb auch schwierig zu montieren, was die Herstellung einer entsprechenden elektrischen Maschine teuer macht. Außerdem ist die verhältnismäßig komplexe Anordnung auch für Störungen anfällig. Dies steht im Bereich der Automobilindustrie der Forderung entgegen, dass defekte Teile einfach und damit kostengünstig austauschbar sein müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und technisch zuverlässige Drehzahlregelung für eine elektrische Maschine bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine gemäß Patentanspruch 1, ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 13 sowie ein Verfahren gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
Erfindungsgemäß wird die Drehzahl oder auch die Drehlage des Rotors durch zumindest einen optischen Sensor erfasst. Für jeden bereitgestellten Sensor gilt dabei folgendes: Der Sensor ist ortsfest bezüglich des Stators gelagert, d.h. er dreht sich nicht mit dem Rotor mit. Jeder Sensor weist einen Erfassungsbereich auf, welcher auf den Rotor gerichtet ist. Um eine Drehbewegung des Rotors zuverlässig mittels des zumindest einen Sensors erfassen zu können, weist der Rotor eine Markierungseinrichtung mit zumindest einer optischen Markierung auf. Jede Markierung ist dabei derart geometrisch an dem Rotor angeordnet, dass sie sich bei einer Rotation des Rotors durch den Erfassungsbereich zumindest eines Sensors bewegt oder, falls der Erfassungsbereich sehr groß ist, zumindest innerhalb des jeweiligen Erfassungsbereichs seine Lage ändert. Jeder Sensor ist dabei auf die optischen Markierungen abgestimmt, d.h. der zumindest eine Sensor ist dazu ausgelegt, ein Sensorsignal zu erzeugen, welches von einer relativen Lage der zumindest einen Markierung zu seinem Erfassungsbereich abhängig ist. Dreht sich also der Rotor um seine Rotationsachse, so variiert entsprechend das jeweilige Sensorsignal des Sensors. Durch eine einfache Kalibrierung oder auch Berechnung kann so auf die Drehzahl und auch auf eine Drehlageänderung des Rotors rückgeschlossen werden.
Als Markierungen der Markierungseinrichtung können Zeichen, farbige Flächen oder auch Leuchtmittel, wie beispielsweise Leuchtdioden, bereitgestellt sein. Solche Markierungen können eigens für die Messung der Drehzahl an dem Rotor angebracht sein. Besonders günstig ist es aber, wenn mittels des Sensors Elemente des Rotors selbst, beispielsweise glänzende Kupferteile, beobachtet werden, so dass in der elektrischen Maschine nur der Sensor selbst bereitgestellt werden muss, um die beschriebene Messung zu ermöglichen. Insgesamt weist die elektrische Maschine dann den Vorteil auf, dass sie sehr kostengünstig herstellbar ist und sowohl die Markierungseinrichtung als auch die optischen Sensoren sehr robust gegen Ausfälle ausgestaltet werden können.
Als ein Sensor kann beispielsweise eine Kamera bereitgestellt sein, mittels welcher der Rotor gefilmt wird. Beispielsweise kann hierzu die besonders bauraumsparende Variante einer Kamera, eine WLC (Wafer Level Camera) bereitgestellt sein. Als Markierungen können dann beispielsweise von der Kamera optisch erfassbare Zeichen oder auch Bauteile des Rotors selbst gefilmt werden. Es kann auch vorgesehen sein, an dem Rotor Zahlen oder Barcodes anzubringen, die mittels der Kamera gefilmt werden. Dann kann bei Erfassen einer Zahl oder eines Barcodes unmittelbar auf die absolute Drehlage des Rotors im Stator rückgeschlossen werden.
Besonders einfach und damit robust kann eine Markierung ausgestaltet sein, wenn sie als Kontrastfläche des Rotors gebildet ist. Eine Kontrastfläche unterscheidet sich bezüglich eines an sie angrenzenden Oberflächenbereichs in zumindest einer der folgenden optischen Eigenschaften: einer Farbe, eines Reflexionsgrads, einer Helligkeit, einer Luminanz. Wird beispielsweise als Markierung eine matte Fläche in einem ansonsten glänzenden Oberflächenbereich bereitgestellt und mit einem Laser auf den Rotor gezielt, so kann mittels eines optischen Sensors, beispielsweise einer Diode, überprüft werden, ob das Laserlicht zu der Diode zurück reflektiert wird oder nicht. Dies ist nur der Fall, wenn der Laser auf den glänzenden Oberflächenbereich und nicht auf die matte Markierung trifft. Das so bei Rotation des Rotors alternierende Signal der Diode stellt dann ein geeignetes Sensorsignal dar.
Besonders bevorzugt ist, dass als Sensor ein Kontrastsensor bereitgestellt ist. Mittels eines Kontrastsensors können Druckmarken sowie andere, neutrale oder farbige Markierungen erkannt werden. Ein Kontrastsensor weist auch bereits ein Leuchtmittel, z.B. eine Leuchtdiode, zum Beleuchten des Erfassungsbereichs des Sensors auf. Beispielsweise kann als Kontrastsensor das Produkt „S 65-W“ des Unternehmens „Data-Sensor“^® verwendet werden.
Bevorzugt ist die zumindest eine Markierung an einer Stirnseite des Rotors angeordnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Sensor außerhalb eines magnetisch aktiven Teils des Stators, durch welchen der Luftspalt der elektrischen Maschine begrenzt ist, angeordnet sein kann. Hierdurch ergeben sich besonders geringe Störungen im Sensorsignal. Markierungen an der Stirnseite des Rotors beschreiben bei einer Rotation des Rotors eine Kreisbahn. Entsprechend ist dann der Erfassungsbereich jedes Sensors auf einen Abschnitt dieser Kreisbahn gerichtet. Zur Begriffsklärung wird hier angemerkt, dass mit Stirnseite des Rotors folgender Bereich gemeint ist. Der Rotor weist eine zylindrische oder hohlzylindrische Grundform auf, wodurch eine Mantelfläche und eine Grundfläche der zylindrischen oder hohlzylindrischen Grundform definiert sind. Eine Grundfläche stellt eine Stirnseite des Rotors dar.
Besonders bevorzugt sind mehrere Markierungen bereitgestellt. Damit jede dieser Markierungen den Erfassungsbereich eines Sensors bei einer Rotation des Rotors passiert, sind diese Markierungen zu einem konzentrisch zur Rotationsachse des Rotors angeordneten Kranz angeordnet. Mit anderen Worten liegen diese Markierungen auf einer gemeinsamen, bei einer Rotation des Rotors sich ergebenden Kreisbahn. Durch die Wahl der Anzahl der Markierungen ergibt sich eine Winkelauflösung bei der Drehlagebestimmung mittels der Sensoren.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Markierungen auf dem Kranz in Umfangsrichtung asymmetrisch angeordnet sind. Mit anderen Worten weisen jeweils benachbarte Markierungen nicht alle dieselben Winkelabstände auf. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass aus dem Sensorsignal eines einzigen Sensors bereits auch die Drehrichtung des Rotors erkannt werden kann.
Die Markierungen können auf dem Kranz aber auch äquidistant angeordnet sein. Um hierbei auch die Drehlage des Rotors ermitteln zu können, sind dann zumindest zwei Sensoren bereitgestellt, welche in Umfangsrichtung einen Abstand aufweisen, welcher verschieden von demjenigen Abstand ist, welchen jeweils benachbarte Markierungen aufweisen.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine elektrische Maschine mit einem Rotor, welcher einen Käfigläufer mit Käfigstäben aufweist. Die Käfigstäbe sind hierbei bevorzugt durch einen Kurzschlussring elektrisch miteinander verbunden, welcher aus einem Material gefertigt ist, das von dem Material der Käfigstäbe verschieden ist. Die Käfigstäbe sind dabei entlang der Rotationsachse durch den Kurzschlussring hindurchgeführt, so dass man ihre jeweiligen Stabenden an der Stirnseite des Rotors sehen kann. Durch die Wahl unterschiedlicher Materialien, sind die Stabenden optisch hervorgehoben. Jedes Stabende bildet dadurch eine optische Markierung. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass keine zusätzlichen, eigens für die Drehzahlmessung vorgesehenen Markierungselemente, wie beispielsweise eine Farbschicht oder Aufkleber, bereitgestellt werden müssen.
Um auch günstige elektrische Eigenschaften des Käfigläufers zu erhalten, sind die Käfigstäbe bevorzugt aus Kupfer und/oder der Kurzschlussring aus Aluminium gefertigt.
Um eine Drehrichtungserkennung des Käfigläufers zu ermöglichen, können zumindest zwei der Käfigstäbe voneinander verschiedene Querschnittsprofile aufweisen.
Um die optischen Eigenschaften der Markierungen, d.h. der Stabenden, auch über längere Zeit hin zu erhalten, sind die Stabenden bevorzugt mit einem transparenten Lack versiegelt. Dann kann es nicht zu Korrosion an Luft kommen.
Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit einer Auswerteeinrichtung bereitgestellt, welche mit dem zumindest einen Sensor gekoppelt ist und welche dazu ausgelegt ist, aus dem Sensorsignal aller Sensoren insgesamt die Drehlage und/oder die Drehzahl des Rotors im Stator zu ermitteln und zu signalisieren. Das Signal kann dann durch eine Regelungseinrichtung für eine Drehzahl der elektrischen Maschine genutzt werden.
Das ebenfalls zur Erfindung gehörige Kraftfahrzeug weist zumindest eine elektrische Maschine auf, die eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist. Jede Maschine ist dabei als ein Antrieb für den Kraftwagen ausgestaltet. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug um ein Elektrofahrzeug oder ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb. Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug als Personenkraftwagen ausgestaltet.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs umfasst die beschriebene Regelungseinrichtung für eine Drehzahl der zumindest einen elektrischen Maschine, wobei diese Drehzahleinrichtung ein Istwert-Signal der Drehzahl der jeweiligen Maschine mittels des zumindest einen Sensors der jeweiligen Maschine ermittelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf die Herstellung eines Rotors für eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, bei welcher der beschriebene Käfigläufer bereitgestellt ist. Das Verfahren sieht vor, Kupferstäbe zu einem Käfig für den Käfigläufer anzuordnen und dann einen Kurzschlussring aus Aluminium an den Stabenden der Kupferstäbe mittels eines Druckgießverfahrens zu erzeugen. Der Kurzschlussring kann dann eine Stirnseite des Rotors und die Stabenden Markierungen bilden. Um besonders kontrastreiche Oberflächen zu erhalten, kann vorgesehen sein, bei dem Kurzschlussring nach dessen Herstellung an dessen Oberfläche durch ein spanendes Verfahren, z.B. Drehen, eine Schicht abzutragen und/oder die Oberfläche zu polieren und/oder zu beizen.
Im Folgenden ist die Erfindung noch einmal anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierzu zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht eines Rotors, welcher in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine eingebaut ist;
2 eine schematische Darstellung einer Frontalansicht einer Stirnseite des Rotors von 1;
3 eine schematische Darstellung einer Frontalansicht einer Stirnseite eines Rotors einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
Die Beispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In 1 und 2 sind zwei Ansichten eines Rotors 10 gezeigt, der in einer (nicht weiter dargestellten) elektrischen Maschine eingebaut ist. Der Rotor 10 weist eine Durchgangsöffnung 12 auf, durch die eine (nicht dargestellte) Welle der elektrischen Maschine gesteckt ist, die drehbar in der elektrischen Maschine gelagert ist. Der Rotor 10 ist drehfest mit der Welle verbunden und rotiert bei einer Rotation 14 der Welle um eine Rotationsachse 16. Der Rotor 10 weist eine hohlzylindrische Grundform auf, wobei eine Zylinderachse der Grundform der Rotationsachse 16 entspricht.
Die elektrische Maschine mit dem Rotor 10 kann beispielsweise als elektrischer Antriebsmotor in einem Elektrofahrzeug eingebaut sein. Bei dem Rotor 10 handelt es sich bevorzugt um einen Hybridläufer, wie er beispielsweise aus der EP 2 282 396 A1 bekannt ist. Mit dem Rotor 10 kann ein Antriebsmoment erzeugt werden.
In dem Rotor 10 ist hierzu ein Kurzschlussläufer oder Käfigläufer integriert. Dazu sind Kupferstäbe 18 in dem Rotor 10 bereitgestellt. Die Stäbe können aber auch aus einem anderen elektrisch leitenden Material gefertigt sein. Von den Kupferstäben 18 sind der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Bezugszeichen versehen. Die Kupferstäbe 18 erstrecken sich entlang der Rotationsachse 16 durch den Rotor 10 und sind an jeweiligen Stirnseiten 20, 22, also an den Enden des Rotors 10 entlang der Rotationsachse 16, durch einen Kurzschlussring 24 elektrisch miteinander verbunden, von denen in 1 nur der vordere Kurzschlussring 24 gezeigt ist. Der Kurzschlussring 24 kann beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein, in welches axiale Enden 26 der Kupferstäbe 18 beispielsweise durch ein Aluminium-Druckgießverfahren, vergossen wurden. Die Stabenden 26 sind dabei aber nicht vollständig von dem Material des Kurzschlussringes 24 überdeckt. Die Stabenden 26 aus Kupfer sind an zumindest einer Stirnseite 22 von außerhalb des Stators 10 sichtbar. Hierzu kann die Stirnseite 20 nach der Herstellung des Käfigs an der Stirnseite 20 beispielsweise durch ein spanendes Verfahren, wie etwa Drehen, eine Oberfläche der Stabenden 26 an der Stirnseite 20 in dem sie umgebenden Material des Kurzschlussringes 24, also beispielsweise des Aluminiums, sichtbar gemacht werden. Zusätzlich oder alternativ zu einem spanenden Verfahren kann zum Verstärken des Kontrastes zwischen den Stabenden 26 und dem sie umgebenden Material des Kurzschlussringes 24 auch die Stirnseite 20 poliert werden oder gebeizt werden.
Die sichtbaren Oberflächen der Stabenden 26 bilden bezüglich des sie umgebenden, angrenzenden Materials des Kurzschlussringes 24 Kontrastflächen. Wird beispielsweise Aluminium für den Kurzschlussring 24 verwendet, so ergibt sich eine verhältnismäßig dunkle Kontrastfläche der Stabenden 26 aus Kupfer bezüglich des sie umgebenden helleren Aluminiums.
Die Kupferstäbe 18 des Käfigläufers können gleichmäßig entlang eines konzentrisch zur Rotationsachse 16 angeordneten Kreises 28 angeordnet sein. Durch die gleichmäßige Anordnung ergeben sich gleiche Winkelabstände 30 der hintereinander entlang des Kreises 28 angeordneten Stabenden 26. Die Stabenden 26 sind somit insgesamt an der Stirnseite 20 als ein Kranz 32 aus Stabenden 26 erkennbar. Bei einer Rotation 14 des Rotors 10 bewegen sich die Stabenden 26 auf einer gemeinsamen Kreisbahn, wie sie durch den Kreis 28 definiert ist.
Der Kranz 32 aus den Stabenden 26 bildet bei dem Rotor 10 eine Markierungseinrichtung. Jedes einzelne Stabende 26, d.h. die Kontrastfläche der Oberfläche jedes Stabendes 26 in dem umgebenden Material des Kurzschlussringes 24, bildet hierbei eine einzelne Markierung. Die Markierungseinrichtung ist Bestandteil einer Drehzahlermittlungseinrichtung, zu welcher auch ein optischer Sensor 34 und eine Auswerteeinrichtung 36 gehören. Der optische Sensor 34 kann beispielsweise ein Kontrastsensor sein, wie er im Zusammenhang mit der Erkennung von Drehbewegungen mittels Druckmarken bekannt ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensor 34 um einen Sensor der Serie S 65-W des Unternehmens Data-Sensor^® handeln. Der Kontrastsensor kann beispielsweise eine Schaltfrequenz von 30 kHz aufweisen.
Die Auswerteeinrichtung 36 kann beispielsweise auf Grundlage des Sensorsignals S eine Drehzahl des Rotors 10 bei einem Betrieb der elektrischen Maschine in an sich bekannter Weise auf einen Drehzahl-Sollwert einregeln.
Der Sensor 34 ist mit der Auswerteeinrichtung 36 beispielsweise über ein Kabel 38 gekoppelt. Über die Kopplung überträgt der Sensor 34 ein Sensorsignal S an die Auswerteeinrichtung 36. Die Auswerteeinrichtung 36 kann beispielsweise durch einen Mikrokontroller bereitgestellt sein. Das Auswertesignal S kann beispielsweise an einem PNP- oder NPN-Ausgang des Sensors 34 erzeugt werden.
Der Sensor 34 ist ortsfest mit dem (nicht dargestellten) Stator der elektrischen Maschine verbunden, d.h. er dreht sich nicht mit dem Rotor 10 bei dessen Rotation 14 mit. Der Sensor 34 kann beispielsweise an einem Gehäuse der elektrischen Maschine befestigt sein. Der Sensor 34 ist auf den Kranz 32 der an der Stirnseite 20 sichtbaren Stabenden 26 gerichtet. Mit anderen Worten bewegen sich die Stabenden 26 bei einer Rotation 14 durch einen optischen Erfassungsbereich 40 des Sensors 34, in welchem der Sensor 34 beispielsweise eine Helligkeitsänderung erkennt und in Abhängigkeit von der erkannten Helligkeit das Sensorsignal S erzeugt. Eine bei der Rotation 14 entstehende Spur des von dem Erfassungsbereich 40 berührten Oberflächenbereichs der Stirnseite 20 kann beispielsweise dem Umfang 28 entsprechen. Ein sich hierbei ergebendes entsprechendes Sensorsignal S ist in 2 über einen Drehwinkel W des Rotors 10 um die Rotationsachse 16 aufgetragen. Das Sensorsignal S weist einen symbolischen Wert 1 auf, wenn sich gerade ein Stabende 26 im Erfassungsbereich 40 befindet. Das Sensorsignal S weist einen symbolischen Wert 0 auf, wenn sich gerade kein Stabende 26, sondern ein Bereich des Kurzschlussringes 24 in dem Erfassungsbereich 40 befindet. Hierbei ergibt sich bei der in 1 und 2 gezeigten Anordnung ein Signal aus Rechteckimpulsen 42. Insgesamt entspricht somit das Sensorsignal S des Sensors 34 demjenigen eines Drehimpulsgebers.
Bei der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform des Rotors 10 für die Anwendung beispielsweise in einem Elektrofahrzeug können sechsunddreißig Kupferstäbe 18 bereitgestellt sein. D.h., es ergeben sich in dem Signal S zweiundsiebzig Schaltimpulse pro Umdrehung, wobei jeder Schaltimpuls entweder durch eine steigende Flanke 44 oder eine fallende Flanke 46 eines Rechteckimpulses 42 begrenzt ist. Bei einem Raddurchmesser eines Rades für das Elektrofahrzeug von beispielsweise 630 mm, d.h. einem Umfang von 1.885 mm des Rades, und einer üblichen Getriebeübersetzung von 10:1 erreicht man so eine Positioniergenauigkeit von 2,6 mm im Fahrweg des Kraftfahrzeugs. Wie in 1 und 2 gezeigt, können die Kupferstäbe 18 ein Querschnittsprofil aufweisen, das eine Einkerbung 48 aufweist. Das Querschnittsprofil ist hierbei senkrecht zur Rotationsachse 16 gebildet. Verwendet man diese radial außenliegende Stabkontur mit der Einkerbung 48 für die Drehzahlermittlung, indem der Erfassungsbereich 40, anders als in 2 gezeigt, radial weiter nach außen auf die Kreisbahn der Einkerbungen 48 gerichtet ist (Erfassungsbereich 40’), so kann man sogar eine Anzahl von einhundertvierundvierzig Schaltimpulsen erhalten, womit sich bei der beschriebenen Konfiguration eine Positioniergenauigkeit von 1,3 mm im Fahrweg ergibt.
Das bisher beschriebene Beispiel kann mittels eines optischen Sensors 34 realisiert werden. Alternativ können die Kupferstäbe 18 auch um ein bestimmtes Höhenmaß aus der stirnseitigen Oberfläche 20 des Kurzschlussringes 24 entlang der Rotationsachse 16 herausragen. Mit anderen Worten unterscheidet sich die absolute Lage der Oberflächen der Stabenden 26 entlang der Rotationsachse 16 bei zumindest zwei der Stabenden, insbesondere bei jeweils benachbarten Stabenden. Die Stabenden 26 können also jeweils als erhabene Strukturen, Stutzen, Säulen oder Podeste aus dem Material des Kurzschlussringes 24 herausragen oder entsprechende Vertiefungen bilden. Als Sensor zur Erfassung der Drehzahl kann in diesem Fall ein Sensor zur Abstandsmessung verwendet werden.
In dem bisher beschriebenen Beispiel weist der Kranz 32 eine symmetrische Anordnung der Kontrastflächen der Stabenden 26 auf, d.h. die Winkelabstände 30 benachbarter Stabenden entlang des Umfangs 28 sind gleich. In 3 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei welcher eine unsymmetrische Anordnung von Kontrastflächen gezeigt ist. In 3 sind der Übersichtlichkeit halber Elemente, welche dieselbe Funktion wie entsprechende Elemente, die in 1 oder 2 gezeigt sind, mit denselben Bezugszeichen versehen wie in 1 bzw. 2.
Zwischen zwei durch Stabenden 26 gebildete Kontrastflächen ist eine zusätzliche Kontrastfläche 50 angeordnet. Bei der Kontrastfläche 50 kann es sich beispielsweise um eine Farbschicht oder einen Aufkleber handeln. Die Kontrastfläche 50 bildet eine weitere Markierung der Markierungseinrichtung. Die Kontrastfläche 50 weist bezüglich ihrer beiden benachbarten Markierungen, den Stabflächen 26, unterschiedliche Abstände D1, D2 auf. Hierdurch ergibt sich eine Asymmetrie in dem Kranz aus Markierungen, d.h. ein asymmetrischer Kranz 32’, da sich nun keine Winkelsymmetrie bezüglich eines einheitlichen Winkelabstandes 30 ergibt.
Anstelle oder zusätzlich zu einer asymmetrischen Anordnung zur Erkennung der Drehrichtung kann auch ein weiterer Sensor zusätzlich zum Sensor 34 bereitgestellt sein, dessen Erfassungsbereich 40’’ in einem Winkelabstand 52 zu dem Erfassungsbereich 40 auf der Stirnseite 20 angeordnet sein muss, die nicht einem ganzzahligen Vielfachen des Winkelabstandes 30 der Markierungen entspricht. Hierdurch ergeben sich in dem Sensorsignal des zweiten Sensors Flanken der Rechteckimpulse, die zeitlich versetzt zu den Flanken 44, 46 in dem Sensorsignal S erzeugt werden. Aus dem Zeitversatz kann durch die Auswerteeinrichtung 36 dann ermittelt werden, in welche Drehrichtung der Rotor 10 momentan rotiert.
Durch die Beispiele ist gezeigt, wie ein einfacher und platzsparender Einbau eines Drehimpulsgebers bei einer elektrischen Maschine mit einem Käfigläufer realisiert werden kann. Aufgrund des sehr einfachen Aufbaus ergibt sich auch eine sehr hohe Lebensdauer der so gebildeten Drehzahlerkennungseinrichtung. Bei Verwendung von Stabenden beispielsweise aus Kupfer, die in einem Kurzschlussring aus einem anderen Material eingebettet sind, sind auch keine zusätzlichen eigenen Kontrastflächen als Markierungseinrichtung nötig, sondern es kann unmittelbar die Stirnseite des Rotors und der sich dort ergebenden farblichen Kontraste genutzt werden. Mittels eines Kontrastsensors oder reines Abstandssensors kann so eine sehr einfache Aufwertung einer Drehimpulsfolge auf Grundlage beispielsweise eines NPN- oder eines PNP-Signals des Sensors (NPN – Negativ-Positiv-Negativ; PNP – Positiv-Negativ-Positiv) durchgeführt werden. Hieraus kann dann eine Drehzahlerkennung beispielsweise mit einem Hybridläufer mittels eines optischen Sensors realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2282396 A1 [0029]

Claims

Elektrische Maschine mit einem Rotor (10), welcher in einem Stator um eine Rotationsachse (16) drehbar gelagert ist, gekennzeichnet durch zumindest einen optischen Sensor (34), welcher bezüglich des Stators ortsfest gelagert ist und welcher einen optischen Erfassungsbereich (40, 40’, 40’’) aufweist, welcher auf den Rotor (10) gerichtet ist, wobei der Rotor (10) eine Markierungseinrichtung mit zumindest einer optischen Markierung (26, 50) aufweist, welche sich bei einer Rotation (14) des Rotors (10) im oder durch jeden Erfassungsbereich (40, 40’, 40’’) bewegt, und wobei der zumindest eine Sensor (34) dazu ausgelegt ist, ein Sensorsignal (S) zu erzeugen, welches von einer relativen Lage der zumindest einen Markierung (26, 50) zu seinem Erfassungsbereich (40, 40’, 40’’) abhängig ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei durch die zumindest eine Markierung (26, 50) jeweils eine Kontrastfläche des Rotors (10) gebildet, welche sich bezüglich eines an die Markierung (26, 50) angrenzenden Oberflächenbereichs (24) des Rotors (10) in zumindest einer der folgenden optischen Eigenschaften unterscheidet: einer Farbe, eines Reflexionsgrads, einer Helligkeit, einer Luminanz, eine axiale Position entlang der Rotationsachse (16).
Elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Sensor (34) ein Kontrastsensor oder ein Abstandssensor ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest einer Markierung (26, 50) an einer Stirnseite (20) des Rotors (10) angeordnet ist und der Erfassungsbereich (40, 40’, 40’’) auf einen Abschnitt einer Kreisbahn (28) gerichtet ist, welche durch die zumindest eine Markierung (26, 50) bei einer Rotation (14) des Rotors (10) beschrieben ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Markierungseinrichtung mehrere Markierungen (26, 50) aufweist, die zu einem konzentrisch zur Rotationsachse (16) angeordneten Kranz (32) angeordnet sind.
Elektrischen Maschine nach Anspruch 5, wobei die Markierungen (26, 50) in Umfangsrichtung (28) asymmetrisch angeordnet sind.
Elektrischen Maschine nach einem der Anspruch 5 oder 6, wobei zumindest zwei Sensoren (34) bereitgestellt sind, welche in Umfangsrichtung (28) einen Abstand (52) aufweisen, welcher von allen in Umfangsrichtung (28) sich ergebenden Abständen (30) jeweiliger, benachbarter Markierungen (26) verschieden sind.
Elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (10) einen Käfigläufer mit Käfigstäben (18) umfasst, die durch einen Kurzschlussring (24) aus einem von einem Material der Käfigstäbe (18) verschiedenen Material elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Käfigstäbe (18) entlang der Rotationsachse (16) durch den Kurzschlussring (24) hindurchgeführt sind und an einer Oberfläche (20) des Kurzschlussrings (24) ein jeweiliges Stabende (26) der Kupferstäbe (18) eine Markierung (26) der Markierungseinrichtung bildet.
Elektrischen Maschine nach Anspruch 8, wobei die Käfigstäbe (18) aus Kupfer und/oder der Kurzschlussring (24) aus Aluminium gefertigt sind.
Elektrischen Maschine nach Anspruch 8 oder 9, wobei zumindest zwei der Käfigstäbe (18) voneinander verschiedene Querschnittsprofile aufweisen.
Elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Stabenden (26) eine transparente Lackierung aufweisen.
Elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine eine Auswerteeinrichtung (36) aufweist, welche mit dem zumindest einen Sensor gekoppelt (34) ist und welche dazu ausgelegt ist, aus dem Sensorsignal (S) jedes Sensors (34) insgesamt eine Drehlage in den Stator und/oder eine Drehzahl des Rotors (10) zu ermitteln und zu signalisieren.
Kraftfahrzeug mit zumindest einer elektrischen Maschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine elektrische Maschine jeweils als ein Antrieb für das Kraftfahrzeug ausgestaltet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 13, welches eine Regelungseinrichtung (36) für eine Drehzahl der zumindest einen elektrischen Maschine aufweist, bei welcher ein Istwert-Signal der Drehzahl der jeweiligen Maschine mittels des zumindest einen Sensors (34) der jeweiligen Maschine ermittelt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Rotors (10) für eine elektrische Maschine, mit den Schritten: – Anordnen von Kupferstäben (18) zu einem Käfig für einen Käfigläufer; – Erzeugen eines Kurzschlussrings (24) aus Aluminium an Stabenden (26) der Kupferstäbe (18) mittels eines Druckgießverfahrens; – Bilden einer Markierungseinrichtung durch Freilegen der Stabenden (26) an einer Oberfläche (20) des Kurzschlussringes 24.