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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung umfassend einen Elektromotor und eine Motorsteuerung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Es ist bereits eine Vorrichtung umfassend einen Elektromotor und eine Motorsteuerung bekannt. Weiter ist bekannt einen Mikrokontroller zur Ansteuerung eines Elektromotors einzusetzen. Auch ist bekannt, dass die Motorsteuerung einen Mikrokontroller aufweist und der Mikrokontroller die Ansteuerung des Elektromotors durchführt. Weiter ist bekannt, dass ein Mikrokontroller einen Schrittmotor, einen Bürstenmotor oder einen bürstenlosen Motor ansteuert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, einer kompakten Bauweise, die sich dadurch ergibt, dass der Mikrokontroller einen Absolutwertgeber umfasst. Der Absolutwertgeber ermöglicht die Ermittlung der Position einer zu messenden Komponente relative zu dem Sensor. Dreht sich beispielsweise die Komponente um eine Achse, insbesondere bei einem Zahnrad oder dem Rotor eines Elektromotors, so ermittelt der Absolutwertgeber den Winkel zwischen Sensor und einem definierten Messpunkt, an der sich drehenden Komponente.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.
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Besonders vorteilhaft ist, dass der Absolutwertgeber ein magnetoresistiver Sensor ist. Magnetoresistive Sensoren basieren auf dem magnetoresistiven Effekt, insbesondere dem AMR-, GMR-, CMR- oder dem TMR-Effekt. Ein magnetoresistiver Sensor verändert abhängig vom Einfluss eines äußeren Magnetfelds seinen Widerstand. Dieser Widerstandsänderung kann anschließend von einer Verarbeitungseinrichtung, insbesondere eines Mikrokontrollers ausgewertet werden. Die Auswertung des Widerstandswertes des Sensors benötigt nur geringen Schaltungsaufwand oder eine geringe Komplexität bei der Software. Weiter ist durch den Einsatz eines magnetoresistiven Sensors die Ermittlung eines Positionswertes, insbesondere Abstands oder Winkels zwischen Sensor und Messpunkt, trotz Verunreinigungen zwischen Sensor und zu messender Komponente möglich. Die Motorsteuerung kann somit auch in Bereichen verwendet werden, in denen der Sensor, bzw. die gesamte Vorrichtung einem erhöhten Verschmutzungsgrad ausgesetzt ist. Somit ist die Vorrichtung in Einsatzgebieten mit erhöhten Anforderungen an die Zuverlässigkeit verwendbar.
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Eine besonders vorteilhafte Ausbildung wird durch die Integration des Absolutwertgebers in den Mikrokontroller erreicht. Die Integration senkt den Platzbedarf des Mikrokontrollers und des Absolutwertgebers. Weiter werden zur Übertragung der ermittelten Sensorwerte Verbindungsleitungen, insbesondere Kommunikationsleitungen zwischen dem Absolutwertgeber und dem Mikrokontroller benötigt. Aufgrund der Integration des Absolutwertgebers in den Mikrokontroller können die Verbindungsleitungen zwischen dem Absolutwertgeber und dem Mikrokontroller sehr kurz ausfallen, bzw. Teile des Mikrokontrollers können mit dem Absolutwertgeber zusammengeführt, in der Nähe oder benachbart angeordnet werden. Die kurzen Verbindungsleitungen senken den Einfluss durch beispielsweise elektromagnetische Strahlungen gegenüber einer längeren Verbindungsleitung, wie es bei einem vom Mikrokontroller getrennten Absolutwertgeber der Fall ist.
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Es kann zweckmäßig sein, dass der Mikrokontroller und der Absolutwertgeber als monolithischer Chip, insbesondere als integrierter Schaltkreis, kurz IC ausgebildet ist. Hierbei sind die Schaltkreise des Mikrokontrollers und die Schaltkreise oder Komponenten des Absolutwertgebers auf einem (Halbleiter-) substrat/wafer untergebracht. Der Absolutwertgeber ist in den Mikrokontroller integriert. Damit kann der Mikrokontroller mit dem Absolutwertgeber einfach montiert werden. Weiter kann durch die Verwendung eines gemeinsamen Halbleiterwafers für den Mikrokontroller und den Absolutwertgeber die Herstellung vereinfacht werden.
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Besonders vorteilhaft ist, dass der Absolutwertgeber ein Absolutwinkelsensor ist. Der Absolutwinkelsensor ermöglicht das ermitteln des Winkels zwischen dem Sensor und einem definierten Punkt, an einer um eine Achse drehenden Komponente. Somit kann beispielsweise die Lage eine Rotors, eines Lüfters, eines Ventils, einer Klappe, eines Pumpenrads oder einer Getriebekomponente ermittelt werden.
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Weiter hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, dass die Motorsteuerung eine elektrische Platine umfasst, die zumindest den Absolutwinkelsensor trägt. Die elektrische Platine ermöglicht eine Fixierung des Absolutwinkelsensors, bzw. des Mikrokontrollers mit dem Absolutwinkelsensor an der elektrischen Platine. Auch ermöglicht die elektrische Platine mit ihren elektrischen Leitern eine elektrische Verbindung ohne eine Kabelleitung zwischen dem Absolutwinkelsensor, bzw. dem Mikrokontroller mit dem Absolutwinkelsensor und weiteren Bauteilen, wie beispielsweise Inverter, H-Brücke, Netzteil, Kommunikationsschnittstelle, Brückenschaltung zur Ansteuerung eines elektrisch kommutierten Elektromotors, Temperatursensor, Endstufe oder GPIOs. Die elektrische Platine kann im Anschluss an den Zusammenbau mit dem zu steuerenden Elektromotor und einer zu messenden Anordnung kombiniert werden. Hierdurch können Prozessschritte verschlankt werden, was eine Kosteneinsparung zur Folge hat.
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In einer bevorzugten Ausführungsform treibt der Elektromotor ein Getriebe an. Das Getriebe umfasst ein Getrieberad. Somit ist ein Getriebe mit einem Getrieberad vorgesehen, das von dem Elektromotor antreibbar ist. Der Absolutwinkelsensor ermöglicht die Bestimmung der Winkelposition des Getrieberades gegenüber dem Absolutwinkelsensor. Durch das Wissen der Winkelposition des Getrieberades können weiter Informationen ermittelt oder berechnet werden. So kann zum Beispiel die Drehzahl des Getriebes ermittelt werden. Oder es kann die Position eines durch das Getrieberad bewegten Aufbaus ermittelt werden.
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Eine erfindungsmäßige Vorrichtung umfasst die Anordnung des Absolutwinkelsensors auf der dem Getrieberad zugewandten Seite der elektrischen Platine. Die Anordnung auf der dem Getriebe zugewandten Seite der elektrischen Platine hat den Vorteil, dass der Abstand zwischen Getriebe und Absolutwertgeber, insbesondere Absolutwinkelsensor minimal ist. Das Sensorfeld muss die Platine nicht durchdringen, was die Beeinflussung des Sensorfelds durch die Platine minimiert.
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Besonders vorteilhaft ist, dass das Getrieberad einen Magneten, insbesondere einen Gebermagneten aufweist. Ein Magnet oder ein magnetfelderzeugendes Element ermöglicht eine präzise Bestimmung der Winkellage des Getrieberades gegenüber dem Absolutwertgeber. Die Winkellage definiert sich durch die relative Position Absolutwertgeber zu Magnet. Weiter kann die Winkellage 0 des Getrieberades gegenüber dem Sensor definiert werden.
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Weiter ist besonders vorteilhaft, dass der Gebermagnet auf der dem Absolutwinkelsensor zugewandten Seite des Getrieberads angeordnet ist. Die Anordnung des Gebermagnets auf der dem Absolutwinkelsensor zugewandten Seite des Getrieberads verhindert Störeinwirkungen durch das Getrieberad selbst. Auch wird der Einsatz eines Getrieberades aus Metall oder zumindest ein mit Metall verstärktes Getrieberad ermöglicht. Das Getrieberad kann somit aus Kunststoff oder Metall oder einer Kombination von Metall und Kunststoff sein.
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Vorteilhaft ist, dass der Elektromotor ein bürstenloser Gleichstrommotor oder ein Schrittmotor ist. Ein bürstenloser Elektromotor, insbesondere ein elektrisch kommutierter Elektromotor ermöglicht eine genaue Ansteuerung des Elektromotors. Für die genaue Ansteuerung kann der Absolutwinkel, der von dem Absolutwinkelsensor bestimmt wird, verwendet werden.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung in der nachfolgenden im Einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen:
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1 einen schematischen Aufbau einer Motorsteuerung mit einem Absolutwertgeber, einem Mikrokontroller und einer Endstufe,
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2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, in dem der Absolutwertgeber und der Mikrokontroller schematisch zusammengefasst sind,
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3 einen Vierquadrantensteller einer Endstufe für einen bürstenkommutierten Elektromotor,
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4 einen Puls einer Pulsweitenmodulation,
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5 eine Erregereinrichtung, einer Endstufe für einen bürstenlosen Elektromotor,
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6 eine erfindungsgemäße Ausführungsform,
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7 eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit einem Absolutwertgeber zur Bestimmung der Winkellage eines Getriebezahnrads,
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8 eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit einem Absolutwertgeber und einem Linearmotor und
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9 eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit einem Absolutwertgeber zur Bestimmung der Winkellage eines Motorwelle.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Motorsteuerung 5. Die Motorsteuerung 5 weist einen Mikrokontroller 15, einen Absolutwertgeber 10, eine Energieversorgung 30, eine Endstufe 18 einen Motor 20 und weitere Geber 25 auf, die im folgenden als Komponenten der Motorsteuerung 5 bezeichnet werden. Die Komponenten der Motorsteuerung 5 sind auf einer elektrischen Platine 27 montiert. An der elektrischen Platine 27 werden die einzelnen Komponenten der Motorsteuerung 5 angebracht, bzw. befestigt. Die elektrische Platine 27 stellt eine mechanische Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten der Motorsteuerung 5 her. Weiter umfasst die elektrische Platine 27 elektrische Verbindungsleitungen 28. Über die elektrischen Verbindungsleitungen 28 sind die Komponenten der Motorsteuerung 5 elektrisch verbunden. Die elektrischen Verbindungen 28 sind schematisch in 1 dargestellt. Die Anzahl der tatsächlichen elektrischen Verbindungen 28 zwischen den Komponenten der Motorsteuerung 5 ist nicht wie dargestellt auf eine Leitung begrenzt. Auch können weiter Leitung direkte die einzelnen Komponenten der Motorsteuerung 5 miteinander verbinden.
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Die Energieversorgung 30 versorgt alle Komponenten der Motorsteuerung 5 mit Energie. Zur Energieversorgung der Komponenten wird meist ein Spannungswandler benötigt. Der Spannungswandler wandelt eine Eingangsspannung in eine benötigte Ausgangsspannung um. Auch umfasst die Energieversorgung 30 beispielsweise Schutzeinrichtungen zum Schutz der Motorsteuerung 30 vor Spannungs- oder Stromspitzen, die in der Eingangsspannung auftreten können. Weiter ist denkbar, dass die Energieversorgung 30 einen Stromwandler aufweist.
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Eine zentrale Komponente der Motorsteuerung 5 bildet der Mikrokontroller 15. Der Mikrokontroller 15 umfasst mehrere Signaleingänge und Signalausgänge sowie einen Anschluss zur Verbindung des Mikrokontrollers 15 mit der Energieversorgung 30. Die Aufgabe des Mikrokontrollers 15 besteht in der Verarbeitung der Signale an den Signaleingängen. Weiter verändert er entsprechend der Signale an den Signaleingängen und vorgegebenen Regeln die Signale an den Signalausgängen. Der Mikrokontroller 15 kann somit beispielsweise abhängig von einem Eingangssignal und einer vorgegebenen Regel ein Relais, das an eines seiner Signalausgänge angeschlossen ist, ansteuern. Weiter kann er auch zur Ansteuerung elektrischen Schaltern, beispielsweise von Transistoren, Feldeffekttransistoren oder IGBTs verwendet werden. Mikrokontroller 15 werden jedoch auch zur Ansteuerung von Elektromotoren 20 verwendet.
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Mit einem der Signaleingänge des Mikrokontrollers 15 ist ein Absolutwertgeber 10 verbunden. Zu Absolutwertgeber zählen unter anderem Längen- oder Winkelmessgeräte. Absolutwertgeber 10 stellen einen absoluten Messwert ohne Referenzieren unmittelbar nach ihrer Aktivierung zur Verfügung. Im Gegensatz hierzu benötigt ein Inkrementalgeber eine anfängliche Referenzierung, insbesondere eine Referenzfahrt. Der Absolutwertgeber 10 kann beispielsweise zur Bestimmung der Winkellage eines Lüfters 50 (in Figur nicht gezeigt), eines Zahnrades 40 oder dem Abstand zu einer beliebigen bewegten Einrichtung verwendet werden.
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Der Ausgabewert des Absolutwertgebers 10 steht ohne vorhergehendes Referenzieren des Absolutwertgebers 10 unmittelbar nach dem Aktivieren der Vorrichtung zur Verfügung. Somit werden beispielsweise Referenzfahrten des Motors 20 oder weitere Verfahren zur Bestimmung der relativen Position, der bewegten Komponente, gegenüber dem Absolutwertgeber 10 nicht benötigt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nach der Aktivierung sehr schnell einsatzfähig.
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An weiteren Signaleingängen des Mikrokontrollers 15 können weitere Messwertgeber, wie Temperatursensoren, Lagesensoren usw. mit dem Mikrokontroller 15 verbunden sein. Die weiteren Sensorsignale können dabei ebenfalls in die Signalauswertung und somit bei der Erzeugung der Signale an den Signalausgängen des Mikrokontrollers 15 mit einfließen.
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In 1 ist weiter ein Endstufe 18 gezeigt. Die Endstufe 18 ist schematisch mit der Energieversorgung und dem Signalausgang des Mikrokontrollers 15 verbunden. Die Endstufe 18 dient zur Ansteuerung eines Elektromotors 20. Die Endstufe 18 umfasst abhängig von der Art des angesteuerten Elektromotors 20 verschiedene Schaltungsaufbauten. Die Endstufe 18 kann Gleichstrom oder Wechselstrommotoren ansteuern. Für die Ansteuerung eines bürstenkommutierten Elektromotors 20 wird ein elektrischer Schalter 19 oder ein Relais verwendet. Für die Ansteuerung eines bürstenkommutierten Elektromotors 20, der vorwärts und rückwärts drehen soll, wird eine Vierquadrantensteller 33 bestehend aus vier elektrischen Schaltern 19, gemäß 3 verwendet. Für die Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors 20 wird eine Erregereinrichtung gemäß 5 verwendet. Vorteilhaft weist der Mikrokontroller 15 eine Endstufenansteuerung zur Ansteuerung der Endstufe 18 auf.
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2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, in dem der Absolutwertgeber 10 und der Mikrokontroller 15 zusammengefasst sind. Auch weitere Messwertgeber 25, wie Temperatursensoren können in den Mikrokontroller 15 integriert werden. Abhängig von der Leistungsaufnahme, des über die Endstufe 18 angesteuerten elektrischen Bauteils kann der Mikrokontroller 15 auch die Endstufenansteuerung und die Endstufe 18 umfassen. Der Mikrokontroller 15 kann eine Recheneinheit 80 zur Verarbeitung der Informationen, einen Speicher 81, insbesondere einen ROM/FLASH Speicher zur Aufnahme der für den Betrieb notwendigen Software, Timer oder Interrupts, die Energieversorgung 30 mit ihren Spannungsregler, eine Kommunikationsschnittstelle 82, insbesondere für LIN, CAN, FlexRay usw., einen Watchdog 84 zur Überwachung der Software, ADC’s für verschiedene Messfunktionen, GPIOs und HV Ports 83 zur Steuerung der Peripherie umfassen oder aufweisen.
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In 3 ist ein Vierquadrantensteller 33 einer Endstufe 18 für einen bürstenkommutierten Elektromotor 20 gezeigt. Der Vierquadrantensteller 33 besteht aus einer elektronischen H-Brückenschaltung mit vier elektrischen Schaltern oder Relais 19a, 19b, 19c und 19d. Die Brückenschaltung mit vier elektrischen Schaltern oder Relais 19a, 19b, 19c und 19d wandelt eine Gleichspannung in eine Wechselspannung mit variabler Frequenz und variabler Pulsweite um. Abhängig von der gewünschten Bewegungsart des Elektromotors 20 werden die elektrischen Schalter 19a bis 19d oder die Relais leitend geschaltet oder gesperrt. Die elektrischen Schalter 19a bis 19d werden von dem Mikrokontroller 15, bzw. von der Recheneinheit 80, vorteilhaft einer Endstufenansteuerung des Mikrokontrollers 15 angesteuert. Angesteuert bedeutet abhängig von einem Signal der Recheneinheit 80, vorteilhaft der Endstufenansteuerung des Mikrokontrollers 15 leiten oder sperren die elektrischen Schalter 19 den Stromfluss. Abhängig von der Ansteuerung der Endstufe 18 durch den Mikrokontroller 15, kann die Endstufe 18 den Elektromotor 20 beschleunigen, abbremsen oder gleichmäßig drehen lassen. Weiter kann die Endstufe 18 auch die Drehrichtung des Elektromotors 20 beeinflussen.
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Soll beispielsweise der Elektromotor 20 in Richtung des Uhrzeigers drehen, so werden die elektrischen Schalter 19a und 19d leitend geschaltet. Die elektrischen Schalter 19c und 19b werden gesperrt. Soll der Elektromotor 20 gegen den Uhrzeiger drehen, so werden die elektrischen Schalter 19c und 19b leitend geschaltet. Die elektrischen Schalter 19a und 19d werden gesperrt.
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Durch den Einsatz einer Pulsweitenmodulation kann die Geschwindigkeit und die positive oder negative Beschleunigung des Elektromotors 20 geregelt werden. Bei der Pulsweitenmodulation werden die elektrischen Schalter 19a, 19b, 19c und 19d, gemäß der Drehrichtung abwechselnd leitend und sperrend geschaltet. Eine elektrische Größe wechselt dabei zwischen zwei Werten. Ist der elektrische Schalter 19 leitend geschaltet, fließt insbesondere ein Strom, wie in 4 Bezugszeichen 43 dargestellt. Ist der elektrische Schalter 19 gesperrt, wird der Stromfluss unterbrochen, ebenfalls in 4, mit dem Bezugszeichen 44 dargestellt. Das abwechselnde Sperren und leitend schalten des elektrischen Schalter 19 wiederholt sich mit einer Periodendauer T. Abhängig von dem Verhältnis zwischen Puls 43 und Pulspause 44 wird mehr oder weniger Energie in den Elektromotor 20 geleitet. Diese Energie wird dann in einer Drehbewegung umgewandelt.
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5 zeigt eine Erregereinrichtung, einer Endstufe 18 für einen bürstenlosen Elektromotor 20, insbesondere ein bürstenloser Gleichstrommotor. Die Endstufe 18 weist elektrische Schalter 19a bis 19f auf. Der bürstenlose Elektromotor 20 umfasst drei Stränge U, V und W die zu einem Stern verschaltet sind. Die Stränge können aus mehreren Parallel oder in Reihe geschalteten Spulen bestehen. Es ist auch möglich die drei Stränge U, V und W im Rahmen der Erfindung als Dreieck zu verschalten. Der Mikrokontroller 15 steuert die Endstufe 18, bzw. die elektrischen Schalter 19a bis 19f an. Durch die Ansteuerung der elektrischen Schalter 19a bis 19f werden die Stränge U, V und W des Elektromotor 20 bestromt. Durch die Bestromung wird ein Drehfeld erzeugt, das die Magnete, die an einem Rotor angebracht sind, anzieht und somit den Rotor 64 mitreißt. Es wird eine Drehung des Rotors 64 erzeugt.
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6 zeigt einen Getriebeaufbau 60 mit einer Vorrichtung gemäß des Anspruchs 1. Der Getriebeaufbau 60 umfasst einen Elektromotor 20, eine Motorsteuerung 5 und ein Getriebe 62. Der Elektromotor 20 ist ein bürstenkommutierter Elektromotor 20. Der Elektromotor 20 weist eine Rotor 64, der mit einer Welle 65 drehfest verbunden ist auf. Weiter umfasst der Elektromotor 20 einen Stator 67 auf. Der Stator 67 umfasst ein Joch 66 mit Polen 68, 69, wobei die Pole 68 und 69 einander diametral gegenüber liegend angeordnet sind. Die Pole 68, 69 können als Dauermagnete, Permanentmagnete oder weitere Spulen ausgeführt sein. Der Rotor 64, des Elektromotors 20, trägt die Spule, insbesondere Wicklung bzw. Erregerwicklungen (nicht näher dargestellt). Der Rotor 64 ist gewöhnlich als Blechpaket ausgeführt, wobei das Blechpaket die Wicklungen trägt. Der Rotor 64 ist zwischen den ausgeprägten Polen 68, 69 des Stators 67 angeordnet. Dabei sind die Wicklungen des Rotors 64 und die Pole 68, 69 des Stators 67 so angeordnet, dass im Fall des Betriebs als Elektromotor 20 und damit verbunden einer Bestromung der Wicklungen über einen Kommutator 71, eine Drehbewegung bzw. ein Drehmoment erzeugt wird. Der Kommutator 71 ist in Längsrichtung, gegenüber dem Rotor 64 mit der Welle 65 drehfest verbunden. Der Kommutator umfasst mindestens 2 Lamellen. Die Lamellen sind gegeneinander isoliert. Die Enden der Wicklungen des Rotor 64 sind mit den Lamellen, des Kommutator 71 elektrisch verbunden. Es ist auch möglich den Elektromotor 20 als Generator zu berteiben.
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Des Weiteren umfasst der Elektromotor 20 Schleifkontakte 74, insbesondere Bürsten, Kohlebürsten oder Hammerbürsten und eine Bürstenhalter 73. Die Schleifkontakte 74 am Kommutator 71 sind diametral gegenüberliegend angeordnet. Während der Drehung erfolgt eine wechselnde Kontaktierung der Schleifkontakte 74 mit Lamellen des Kommutators 71. Entsprechend der Kontaktierung zwischen Schleifkontakt 74 und Lamelle wird ein magnetisches Feld aufgrund des Stromflusses durch die Wicklung erzeugt. Die Pole des Stators und das magnetische Feld sorgen für eine Drehbewegung des Rotors 64.
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Die Schleifkontakte 74 sind aus einem verschleißarmen und gut kontaktierenden Material gefertigt. Vorteilhafterweise wird für die Schleifkontakte 74, insbesondere Büsten 74 selbstschmierender Graphit, teilweise gemischt mit Kupferpulver verwendet. Die Bürsten 74 werden mit Federn (nicht dargestellt) an den Kommutator 71 angedrückt. Die Feder berührt die Bürste 74 im Berührpunkt. Damit kann eine Kontaktierung zwischen Kommutator 71 und Bürsten 74 auch bei zunehmender Abnutzung und damit verbundener Verkleinerung bzw. Verkürzung der Bürsten 74 gewährt werden. Trotz Verkleinerung bzw. Verkürzung der Bürste durch Abnutzung im Betrieb, sorgt die Feder für eine optimale Kontaktierung der Bürste 74 mit dem Kommutator 71.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein bürstenloser Elektromotor 20 eingesetzt. Hierbei erfolgt Kommutierung des Elektromotors 20 nicht über Bürsten sondern eine elektrische Schaltung, insbesondere der zuvor erläuterten Erregereinrichtung gemäß 5, einer Endstufe 18. Die Wicklungen U, V und W befinden sich im Stator und sind direkt mit der Erregerschaltung der Endstufe 18 verbunden. Am Rotor 64 befinden sich Magneten oder Ferrite. Durch eine definierte Bestromung der Wicklungen wird ein Drehfeld erzeugt. Das Drehfeld führt zu einer Drehbewegung des Rotors 64.
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Der Elektromotor 20 treibt ein Getriebe 62 an. Das Getriebe 62 befindet sich in einem Getriebegehäuse 61. Das Getriebe 62 weist mindestens ein Getriebezahnrad 40 auf. Das Getriebezahnrad 40 dreht sich um die Getriebewelle 57. Das Getriebezahnrad 40 und die Getriebewelle 57 sind gegenüber dem Getriebegehäuse 61 über Lager gelagert. Insbesondere ist das Getriebezahnrad 40 mit der Getriebewelle 57 drehfest verbunden. Die Getriebewelle 57 ist durch Lager (nicht dargestellt) drehbar im Getriebegehäuse 61 gelagert.
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Weiter zeigt 6 eine Motorsteuerung 5. Die Motorsteuerung 5 umfasst eine elektrische Platine 27. An der elektrischen Platine 27 ist der Mikrokontroller 15 mit dem Absolutwertgeber 10 angebracht. Der Mikrokontroller 15 wird durch eine Lötverbindung mit der elektrischen Platine 27 verbunden. Der Mikrokontroller 15 umfasst Anschlusspins die mit Leiterbahnen auf der elektrischen Platine 27 über löten verbunden wird. Über die Leiterbahnen der elektrischen Platine 27 und die Anschlusspins des Mikrokontrollers 15 stellt der Mikrokontroller 15 eine elektrische Verbindung mit weiteren elektrischen Bauteilen auf der elektrischen Platine 27 her. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und gemäß dem Aufbau wie in 2 dargestellt, sind alle Komponenten in dem Mikrokontroller 15 zusammengefasst bzw. integriert. In diesem Fall verbindet die elektrische Platine 27 den Mikrokontroller 27 nur mit beispielsweise einem elektrischen Anschlussstecker. Es können jedoch abhängig von Anwendungsgebiet auch nur einige wenige Komponenten im Mikrokontroller 15 zusammengefasst oder integriert sein.
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Auf dem Getrieberad 40 ist ein Magnet 47 (7), insbesondere ein Gebermagnet 47 angeordnet. Das Getrieberad 40 dreht sich um die Welle 57. Der Absolutwertgeber 10 ermittelt somit den Winkel zwischen dem Absolutwertgeber 10 und dem Getrieberad 40. Befindet sich der Magnet 47 und der Absolutwertgeber 10 auf gleicher Höhe, entspricht das dem Winkel 0. Der Absolutwertgeber 10 ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß der 6 als Absolutwinkelsensor 10 ausgeführt. Es ist jedoch auch denkbar den Absolutwertgeber 10 bei einem Linearantrieb einzusetzen. In diesem Fall ermittelt der Absolutwertgeber den Abstand zwischen Absolutwertgeber 10 und definierten Punkt an einer der bewegten Einrichtungen oder einem durch den Linearmotor bewegten Teile.
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Ein magnetoresistiver Sensor funktioniert auf Basis des magnetoresistiven Effekts. Bei diesem Effekt ändert sich der elektrische Widerstand durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes. Der Absolutwertgeber 10 funktioniert unter anderem auf Basis eines der im Folgenden erläuterten magnetoresistiven Effekte.
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Der magnetoresistive Absolutwertgeber basiert auf dem AMR-Effekt (ansitrop magnetoresistiver Effekt). Der AMR Effekt beruht auf ansitroper, von der Raumrichtung abhängiger Streuung in ferromagnetischen Metallen. Hierzu umfasst der der Absolutwertgeber 10 ein Material mit einer eigenen Magnetisierung. Das Material ist Permolly, einer Legierung aus Nickel (81%) und Eisen (19%). Der elektrische Widerstand des Materials ist abhängig vom äußeren Magnetfeld. Der Einfluss auf den Widerstand durch das äußere Magnetfeld ist am größten wenn das Magnetfeld in der Stromrichtung oder gegen die Stromrichtung gerichtet ist. Am kleinsten ist der Einfluss auf den Widerstand durch das äußere Magnetfeld, wenn das äußere Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung in der Schichtebene gerichtet ist.
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Der magnetoresistive Absolutwertgeber basiert auf dem GMR-Effekt (Riesenmagnetowiderstand). Der Geber zur Erfassung des GMR-Effekts besteht aus Strukturen, die aus sich abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen dünnen Schichten mit einigen Nanometern Schichtdicke bestehen. Die Magnetisierung zweier magnetischer Schichten, getrennt durch eine nichtmagnetische Schicht, richten sich entgegengesetzt aus. Bereits kleine äußere magnetische Felder reichen aus, um diese antiferromagnetische Ordnung wieder in die ferromagnetische Ordnung umzuschalten. Damit bewirkt eine Änderung des äußeren Magnetfelds eine Änderung des elektrischen Widerstands. Der Effekt bewirkt, dass der elektrische Widerstand der Struktur von der gegenseitigen Orientierung der Magnetisierung der magnetischen Schichten abhängt. Er ist bei der Magnetisierung in entgegengesetzte Richtungen deutlich höher als bei Magnetisierung in die gleiche Richtung.
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Der magnetoresistive Absolutwertgeber basiert auf dem CMR-Effekt (Kolossale Magnetoresistive Effekt). Bei dem CMR Effekt ändert sich der elektrische Widerstand einiger Materialien, insbesondere gemischtvalenten Manganoxiden bei Anwesenheit eines magnetischen Feldes massiv. Der Effekt beruht darauf, dass bei diesen Materialien bei hinreichend großen Feldern durch Verschiebung der Bandstruktur der Leiter zum Isolator wird.
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Der magnetoresistive Absolutwertgeber basiert auf dem TMR-Effekt (magnetische Tunnelwiderstand). Der Absolutwertgeber weist zwei Ferromagnete auf, die durch einen dünnen Isolator getrennt sind. Ist der Isolator dünn genug, insbesondere einige Nanometer, so können Elektronen zwischen beiden Ferromagneten tunneln. Mithilfe eines äußeren Magnetfeldes kann die Richtung der Magnetisierung der beiden magnetischen Schichten unabhängig voneinander gesteuert werden. Wenn die Magnetisierungen gleich ausgerichtet sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen durch die Isolatorschicht hindurch tunneln, größer als bei gegensätzlicher (antiparalleler) Ausrichtung. Damit kann der elektrische Widerstand des Kontakts zwischen zwei unterschiedlichen Widerstandszuständen – binär also 0 und 1 – hin und her geschaltet werden.
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Magnetoresistive Absolutwertgeber 10 basierend auf dem GMR und TMR Effekt ermöglichen eine Verwendung des Absolutwertgebers 10 als 360° Absolutwinkelsensoren. Die Winkellage 0 definiert sich durch die relative Position des Absolutwertgebers 10 zu einem Magneten. Die Genauigkeit hängt von der Positioniergenauigkeit des Absolutwertgebers 10 zu dem Magnet und der Toleranz des Abstandes/Luftspalt zwischen Absolutwertgeber 10 und Magnet ab.
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7 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform. Ein Elektromotor 20 ist mit einem Zahnrad 41 kraftschlüssig verbunden. Der Elektromotor 20 treibt das Zahnrad 41 an. Das Zahnrad 41 treibt ein weiteres Zahnrad 40 an. Das weitere Zahnrad 40 dreht sich um die Welle 57. An dem weiteren Zahnrad 40 ist ein Magnet 47, insbesondere ein Gebermagnet angebracht. Der Magnet 47 erzeugt ein Magnetfeld. Der Magnet 47 ist in Richtung einer elektrischen Platine 27, bzw. eines Mikrokontroller 15 ausgerichtet. Der Magnet 47 befindet sich auf der der Motorsteuerung 5 zugeordneten Seite des Zahnrads 40. Der Magnet 47 ist im Zentrum des Zahnrads 41 angeordnet, insbesondere ist er an der Welle 57 des Zahnrads 41 angeordnet. Weiter befindet sich auf der dem Magneten 47 zugeordneten Seite der elektrischen Platine 27 ein Mikrokontroller 15. Der Mikrokontroller 15 umfasst den magnetoresistiven Sensor 10. Der magnetoresistiven Sensor 10 basiert auf dem AMR-, GMR-, CMR- oder dem TMR-Effekt. Das bedeutet, dass der magnetoresistive Sensor 10 abhängig von der Stärke und der Richtung des Magnetfelds seinen Widerstand verändert. Der Widerstand des magnetoresistiven Sensors 10 wird ausgewertet und anhand der Auswertung kann der Winkel zwischen dem Sensor 10 und dem Magneten 47 am Zahnrad 40 bestimmt werden. Die Bestimmung des Winkels zwischen Magnet 47 und Sensor 10 erfolgt absolut.
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8 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform mit einem Linearantrieb. Ein Elektromotor 20 ist kraftschlüssig mit einer Spindel 90 bzw. einer Schnecke 90 verbunden. Durch die Drehung der Spindel 90 wird eine Mutter bzw. ein Schlitten 91 linear bewegt. An der Mutter 91 ist eine Magnet 47, insbesondere ein Gebermagnet angebracht. Der Magnet 47 wird mit dem Schlitten 91 mit bewegt. Durch geeignete Lagerung des Schlittens 91 erfolgt die Bewegung des Schlittens 91 nur linear. Der Magnet 47 ist auf der einer elektrischen Platine 27 zugeordnete Seite des Schlittens 91 angeordnet. Weiter ist auf der dem Schlitten zugeordneten Seite der elektrischen Platine 27 ein Mikrokontroller 15 angeordnet. Der Mikrokontroller 15 umfasst den einen Sensor 10. Der Sensor 10 ermöglicht durch Auswertung des Widerstands eine Bestimmung des Abstands zwischen dem Sensor 10 und dem Magneten 47. Der Widerstand des Sensors 10 wird von dem Magneten 47 beeinflusst. Der Sensor 10 ist insbesondere ein magnetoresistive Sensor. Der Sensor 10 kann auch als magnetoresistive Absolutwertgeber 10 ausgeführt sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Magnet 47 an der Welle 65 des Elektromotors 20 angeordnet, bzw. an der Welle 65 befestigt. Der Magnet 47 ist so mit der Welle 65 verbunden, dass durch ihn die Welle 65 des Elektromotors 20 abgeschlossen wird, beziehungsweise der Magnet 47 ist an einem Ende, bzw. der Stirnfläche der Welle 65 angeordnet. 9 zeigt eine Anordnung des Magneten 47 an der Welle 65. Der Elektromotor 20 weist eine Welle 65 auf. Die Welle 65 tritt aus dem Gehäuse des Elektromotors 20 aus. Der Magnet 47 ist mit der Welle 65 kraft- und/oder formschlüssig verbunden, insbesondere geklebt, geschweißt, gepresst, gelötet. Weiter kann der Magnet 47 durch Magnetisierung eines Endes der Welle 65, bzw. der Stirnseite der Welle 65 erzeugt werden. Der Absolutwertgeber 10 des Mikrokontrollers 15 ist dem Magneten 47 zugeordnet.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt die Bestimmung der Winkellage des Elektromotors 20 über das Magnetfeld des Rotors 64. Hierzu ist der Absolutwertgeber 10 des Mikrokontrollers 15 dem Rotormagnetfeld zugeordnet. Der Absolutwertgeber 10 ermöglicht eine Bestimmung der Winkellage anhand des Magnetfelds des Rotors 64.
