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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Drehmoments einer elektrischen Maschine sowie einen Antriebsstrang für ein Fahrzeug.
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Mit der Zunahme von Elektromotoren in elektrischen Fahrzeugen und Hybridfahrzeugen, nimmt das Interesse und die Notwendigkeit an Sensorinformationen über den Elektromotor beziehungsweise die Elektromaschine und den weiteren Antriebsstrang zu.
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Elektrische Maschinen (elektromechanische Wandler), beispielsweise elektrische Antriebsmotoren für Kraftfahrzeuge, Starter, Generatoren oder Starter-Generatoren, wandeln elektrische Energie in mechanische Energie (Motoren) beziehungsweise mechanische Energie in elektrische Energie (Generatoren) um. Diese elektromechanische Umwandlung beruht auf elektro-magnetischer Induktion. Derartige elektrische Maschinen umfassen einen feststehenden Stator (Ständer), der nach einer häufigen Bauart einen Statorkern (Blechpaket) mit entsprechenden Drahtwicklungen und darauf angeordnet ein oder mehrere Schaltringe umfasst, sowie eine bewegliche Komponente, die bei dem häufigsten Bautyp als Rotor (Läufer) ausgebildet ist, welcher drehbar in oder um dem ringförmig ausgebildeten Stator gelagert ist und eine Vielzahl an Permanentmagneten aufweist. Dabei wird aufgrund des bewegten Magnetfeldes des Rotors ein Stromfluss in der Statorwicklung erzeugt (Generator) beziehungsweise aufgrund des durch den Stator erzeugten Magnetfeldes die mechanische Bewegung/Rotation des Rotors bewirkt (Motor). Umgekehrte Bautypen, bei denen der Rotor eine Wicklung und der Stator Magnete umfasst, sind ebenfalls bekannt.
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Bislang werden zur Messung des Drehmoments im Fahrzeug Drehmomentmesswellen an der Gelenkwelle oder Abtriebswellen des Antriebs eingesetzt. Die Drehmomentmessung basiert auf den Messstreifen, die auf der rotierenden Welle angeordnet sind. Das Drehmomentsignal wird dann über einen Schleifkontakt oder per Funk übertragen. Der aufwendige und kostspielige Einbau der speziellen Drehmomentmesswelle kann nur in Prototypen umgesetzt werden.
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In Serienfahrzeugen wird das Drehmoment von der Leistungselektronik geschätzt, wie beispielsweise in
EP 0 831 580 A2 offenbart. Hierfür wird ein Maschinenmodell verwendet, welches in einem Prüfstand bedatet wird. Die Eingangsgrößen des Maschinenmodells sind die drei Phasenströme sowie die Position beziehungsweise die Drehzahl des Rotors. Bei diesem Ansatz bleibt unberücksichtigt, ob die Last beziehungsweise das Drehmoment real anliegt.
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Gemäß einer weiteren Möglichkeit zur Ermittlung des Drehmoments wird auf die Leistungsbilanz zurückgegriffen, wonach die elektrische Leistung gleich der mechanischen plus einer Verlustleistung ist. Zumindest die Verlustleistung wird wiederum aus einem bedateten Modell gewonnen, was eine Unzuverlässigkeit in diese Berechnung bringt.
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DE 43 11 597 A1 offenbart ein Sensorprinzip zur Rotorlagebestimmung. Ergänzt wird dies um den indirekten Ansatz der dynamischen Massenträgheitsbestimmung und die indirekte Berechnung des Drehmoments. Dieser Ansatz mag möglich sein, ist jedoch sehr ungenau. Insbesondere bei kleinen Drehzahlen, Nulldurchgängen und schnellen Winkelgeschwindigkeitsgradienten ist von einer hohen Ungenauigkeit auszugehen.
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DE 10 2006 007 435 A1 befasst sich mit der Bestimmung der Induktivität der Phasenwicklung einer elektrischen Maschine.
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DE 10 2011 005 566 A1 offenbart ein Verfahren zum Kalibrieren eines Stellgebersystems, bei dem ein Stellantrieb angesteuert wird, der mittels eines erzeugten Motormagnetfeldes die Rotorlage bestimmt.
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DE 10 2010 019 151 A1 beschreibt den Betrieb eines Hybrid- oder Elektrofahrzeuges. Hier wird die Rotorlage mittels eines Lagesensors bestimmt und das Drehmoment über die Phasenströme indirekt geschätzt beziehungsweise über ein Modell berechnet, was wiederum über die indirekte Erfassung und die Modellierung zu ungenauen Ergebnissen führt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Bestimmung oder Erfassung des Drehmoments der elektrischen Maschine zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1, einer Vorrichtung nach Anspruch 5 beziehungsweise einem Antriebsstrang nach Anspruch 8.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Drehmoments einer elektrischen Maschine mit einer Rotorwelle und einem Rotorlagesensor, umfasst die folgenden Schritte:
- – Auswerten der Spannungsamplitude eines Rotorlagesignals des Rotorlagesensors; und
- – Bestimmen des Drehmoments basierend auf einer proportionalen Beziehung zu der Spannungsamplitude.
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Gemäß der Erfindung erfolgt eine direkte Messung über die auf die Rotorwelle aufgeprägte Kraft und die daraus resultierende Verschiebung der Rotorwelle in Bezug auf den Rotorlagesensor. Diese Verschiebung ist proportional zu dem Drehmoment. Gemessen wird dabei die Spannungsamplitude der Rotorlagesensorik, die proportional zu der Verschiebung ist. Das Verfahren erlaubt eine direkte Messung des Drehmoments unter Verwendung des bereits vorhandenen Rotorlagesensors. Weitere kostspielige Zusatzmesstechnik wird nicht benötigt. So kann auf einfache Art und Weise das Drehmoment einer elektrischen Maschine genau und zuverlässig bestimmt beziehungsweise gemessen werden. Die Verschiebung der Rotorwelle ist möglich durch vorhandene Lagerluft beziehungsweise Lagerspiel und/oder zumindest teilweise flexible beziehungsweise bewegliche Wellenverbindungen oder -anordnungen.
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Eine durch das Drehmoment hervorgerufene Luftspaltänderung im Rotorlagesensor kann erfasst werden, wobei die Spannungsamplitude proportional zu der Luftspaltänderung ist. Durch den Rotorlagesensor kann die Luftspaltänderung erfasst werden, was sich in einer Änderung der Spannungsamplitude des Rotorlagesignals des Rotorlagesensors niederschlägt. So kann, je nach verwendeten Rotorlagesensor, die Amplitude bei abnehmenden Luftspalt, dass heißt zunehmenden Drehmoment ansteigen. Als Sensoren kommen beispielsweise Drehgeber, auch Resolver oder Inkrementalgeber genannt, die im GMR(giant magneto resistance)-Sensoren, Sensoren auf Wirbelstrombasis oder Hallsensoren zum Einsatz.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass eine durch eine Schrägverzahnung eingeprägte Axialkraft auf einen axialen Luftspalt des Rotorlagesensors wirkt. Die axiale Messrichtung hat den Vorteil einer hohen Messempfindlichkeit.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der Rotorwelle eine Wellenfeder vorgesehen ist und dass für das Bestimmen des Drehmoments die Federkraft der Wellenfeder berücksichtigt wird. Die Wellenfeder erlaubt eine akustische Dämpfung und zudem eine Rückstellung beziehungsweise definierte Positionierung eines auf der Welle befindlichen Bestandteiles der Sensorik, wie beispielsweise einem Geberelement.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Drehmoments einer elektrischen Maschine mit einer Rotorwelle und einem Rotorlagesensor, wobei ein Steuergerät mit dem Rotorlagesensor verbunden ist, umfasst, dass das Steuergerät eingerichtet ist, die Spannungsamplitude eines Rotorlagesignals des Rotorlagesensors auszuwerten und das Drehmoment basierend auf einer proportionalen Beziehung zu der Spannungsamplitude zu bestimmen. Es gelten die oben beschriebenen Vorteile und Modifikationen.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Kraftfluss der Rotorwelle eine Schrägverzahnung vorgesehen ist und dass der Rotorlagesensor einen axialen Luftspalt aufweist. Die Schrägverzahnung kann auf oder an der Rotorwelle angeordnet sein, oder in einem mit der Rotorwelle in Verbindung stehenden Getriebe. Da die Schrägverzahnung und auch, wie oben erwähnt, der Rotorlagesensor bereits vorhandene Bestandteile sind, kann die Erfindung auf einfache Art und Weise implementiert werden. Mittels eines neuen Steuergerätes oder einer Softwareaktualisierung kann die Funktionalität der Erfindung sogar in bestehende Fahrzeuge nachgerüstet werden.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der Rotorwelle eine Wellenfeder vorgesehen ist und dass das Steuergerät eingerichtet ist, die Federkraft der Wellenfeder für das Bestimmen des Drehmoments zu berücksichtigen. Die Änderung des Luftspaltes, das heißt die Lageänderung der Welle zu dem Rotorlagesensor erfolgt entgegen oder mit der in axialer Richtung wirkenden Federkraft der Wellenfeder. So kann zum Beispiel über die bekannte Federkraft und die messbare Wegänderung die Kraft ausgerechnet werden, dass dann wiederum das Drehmoment berechnet werden kann.
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Der erfindungsgemäße Antriebsstrang für ein Fahrzeug aufweisend eine elektrische Maschine, eine Rotorwelle und einen Rotorlagesensor, umfasst eine oben genannte Vorrichtung zur Bestimmung des Drehmoments der elektrischen Maschine. Es gelten die oben beschriebenen Vorteile und Modifikationen.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs mit einem Elektromotor;
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2 eine Explosionsdarstellung eines Teils eines Getriebes des Antriebsstrangs;
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3 eine dreidimensionale Darstellung eines Rotorlagesensors des Antriebsstrangs;
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4 eine schematische Darstellung des Rotorlagesensors an einer Rotorwelle; und
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5 ein Diagramm mit Signalverläufen des berechneten Drehmoments und der gemessenen Amplitude eines Rotorlagesignals des Rotorlagesensors.
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In 1 ist ein Antriebsstrang 1 beziehungsweise ein Teil davon, wie er in elektrischen Fahrzeugen oder in Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommt, dargestellt. Eine elektrische Maschine 2 dient zum Antrieb des Fahrzeuges. In einem Hybridfahrzeug ist der elektrischen Maschine 2 beziehungsweise dem Elektromotor ein weiterer, üblicherweise ein Verbrennungsmotor zur Seite gestellt. Ein derartiger Verbrennungsmotor ist aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht dargestellt. Der dargestellte Antriebsstrang 1 eignet sich für alle Arten von Hybridfahrzeugen, wie beispielsweise Plug-in-Hybride, Vollhybride oder Mildhybride.
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Die elektrische Maschine 2 treibt eine Rotorwelle 3 an. Auf oder an der Rotorwelle 3 ist ein Rotorlagesensor 4 angeordnet, der die Lage des Rotors gegenüber dem Stator der elektrischen Maschine 2 erfasst. Die Rotorwelle 3 ist mit einer Getriebeantriebswelle 5 eines Getriebes 6 verbunden, beispielsweise über eine Steckverzahnung. Die beiden Wellen 3 und 5 sind formschlüssig miteinander verbunden, so dass sie auch als eine Einheit betrachtet werden können beziehungsweise der Rotorlagesensor 4 auch an der Getriebeantriebswelle 5 angeordnet sein kann.
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Das Getriebe 6 hat ferner eine Getriebeabtriebswelle 7, welche mit Rädern des Fahrzeuges in Verbindung steht, um diese anzutreiben. In einem Hybridfahrzeug kann vorgesehen sein, dass das Getriebe 6 eine weitere Getriebeantriebswelle für den Verbrennungsmotor aufweist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine 2 ein Rad des Fahrzeuges antreibt, so dass mehrere elektrische Maschinen 2 für ein Fahrzeug vorgesehen sind.
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Ein Steuergerät 8 oder eine andere Steuer- oder Recheneinheit des Kraftfahrzeuges ist mit dem Rotorlagesensor 4 verbunden, so dass ein Rotorlagesignal, welches die Lage des Rotors gegenüber dem Stator der elektrischen Maschine 2 angibt, von dem Rotorlagesensor 4 zu dem Steuergerät 8 übertragen werden kann. Diese Verbindung kann eine direkte Verbindung sein, Bestandteil eines Bussystems sein oder indirekt über eine oder weitere zusätzliche Einheiten erfolgen. Das Steuergerät 8 ist darüber hinaus mit der elektrischen Maschine 2 verbunden um weitere Informationen des Antriebstranges 1 zu erhalten. Weitere Verbindungen zu anderen Komponenten des Antriebsstranges 1 beziehungsweise des Kraftfahrzeuges sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Das Steuergerät 8 wertet die Amplitude, vorzugsweise die Spannungsamplitude des Rotorlagesignals, aus. Insbesondere wird die Höhe oder die Größe der Spannungsamplitude überwacht und ausgewertet, da diese proportional zu dem mechanischen Drehmoment der elektrischen Maschine 2 ist. So ändert sich ein Luftspalt des Rotorlagesensors 4 linear zu dem Drehmoment. Mit der Größe des Luftspaltes ändert sich wiederum die Amplitude des Rotorlagesignals derart, dass bei einem kleineren Luftspalt die Spannungsamplitude ansteigt. Dies wird dazu genutzt, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, den Rotorlagesensor 4 zur Bestimmung des Drehmomentes der elektrischen Maschine 2 zu verwenden. In dem Steuergerät 8 kann zudem die klassische Rotorlagenregelung stattfinden. Gemäß der Erfindung wird die bislang nicht verwendete Amplitudeninformation des Rotorlagensignals benutzt, um das Drehmoment der elektrischen Maschine 2 rückwirkungsfrei zu messen.
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Eine Vorrichtung 9 zur Bestimmung des Drehmomentes der elektrischen Maschine 2 umfasst zumindest das Steuergerät 8 beziehungsweise eine Teileinheit oder Softwareroutine eines Steuergerätes oder einer Recheneinheit. Die Vorrichtung 9 kann zusätzlich den Rotorlagesensor 4, die Rotorwelle 3 und/oder die elektrischen Maschine 2 umfassen.
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In 2 ist eine Explosionsdarstellung des Getriebes 6 dargestellt. In der vereinfachten Darstellung sind nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Die Getriebeantriebswelle 5 des Getriebes 6 weist beispielsweise eine Steckverzahnung 10 zur Verbindung mit der Rotorwelle 3 auf. An dem anderen Ende der Getriebeantriebswelle 5, in axialer Richtung x betrachtet, kann ein nicht dargestellter Motor angeschlossen werden. Die Getriebeantriebswelle 5 weist ferner eine um die axiale Achse rotierende Schrägverzahnung 11 zum Getriebeabtrieb auf.
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Die Rotorwelle 3 ist beispielsweise mit zwei Lagern 18 gelagert, die aus Gründen der Übersichtlichkeit schematisch dargestellt sind. Eine Wellenfeder 19 oder ein Wellenfederring ist hier zwischen einem Lager 18 und dem Getriebe 6 an der Rotorwelle 3 vorgesehen, um axial auf dem Lager 18 abstützend die axiale Bewegung der Rotorwelle 3 zu dämpfen. Die Wellenfeder 19 kann auch an einem anderen Lager 18 oder einem weiteren Bauteil abgestützt sein.
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Bei rotierender Welle 5 prägt die Schrägverzahnung 11 eine Axialkraft in axialer Richtung x auf die Getriebeantriebswelle 5 und damit die Rotorwelle 3 ein. Diese Axialkraft wirkt auf einen axialen Luftspalt des Rotorlagesensors 4, woraufhin sich die Spannungsamplitude des Rotorlagesignals ändert. Die Einprägung der Axialkraft kann durch eine starre oder teilweise flexible Verbindung hervorgerufen werden. Im Fall einer Steckverzahnung kann eine Axialkraft durch Verkanten der Steckverzahnung 10 übertragen werden. Die Axialkraft wirkt je nach Richtung gegen oder in Richtung der Federkraft der Wellenfeder 19. Die Wellenfeder 19 dämpft die Bewegung des Rotorlagesensors 4 beziehungsweise sorgt für eine definierte und berechenbare Bewegung. Aus der bekannten Federkraft und der gemessenen Wegänderung können dann eine Kraft und daraus das Drehmoment berechnet werden.
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Der Rotorlagesensor 4 kann alternativ einen Luftspalt in radialer Richtung aufweisen, der durch Torsionsmomente und/oder Biegemomente verändert wird, wodurch wiederum Rückschlüsse auf das Drehmoment der elektrischen Maschine 2 gezogen werden können.
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In 3 ist schematisch der Rotorlagesensor 4 mit einem Geberrad 12, welches auf der Rotorwelle 3 befestigt ist, dargestellt. Das Geberrad 12 hat in diesem Beispiel fünf symmetrische sinusförmige Konturen. Der Rotorlagesensor 4 umfasst ferner ein Sensorelement 13, welches die Bewegung insbesondere die sinusförmige Abfolge der Konturen des Geberrades 12 erfasst. Das Sensorelement 13 kann bereits eine integrierte Auswerteeinheit aufweisen und ist mit einem elektrischen Anschluss 14 zur Verbindung mit dem Steuergerät 8 verbunden. Über den elektrischen Anschluss 14 können entweder Rohdaten des Sensorelementes 13 und/oder bereits verarbeitete Daten an das Steuergerät 8 übertragen werden.
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Gemäß in 4 ist der Rotorlagesensor 4 an der Rotorwelle 3 montiert. Dazu ist das Geberrad 12 fest mit der Rotorwelle 3 verbunden, so dass dieses mit der Rotorwelle 3 rotiert. Das Geberrad 12 greift in das Sensorelement 13 ein beziehungsweise läuft an diesem vorbei. Zwischen dem Geberrad 12 und dem Sensorelement 13 befindet sich ein axialer Luftspalt 15. Das mechanische Drehmoment führt aufgrund der Schrägverzahnung 11 des Getriebes 6 zu einer Bewegung der Rotorwelle 3 in axialer Richtung x und damit zu einer minimalen Luftspaltänderung zwischen dem Geberrad 12 und dem Sensorelement 13. Die Änderung liegt im Bereich bis zu etwa 100 µm. Diese Änderung des Luftspaltes 15 führt zur Änderung der Spannungsamplituden des Rotorlagesignals. Somit sind die Spannungsamplituden des Rotorlagesignals proportional zum mechanischen Drehmoment.
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In 5 sind Messergebnisse dargestellt, welche den Zusammenhang zwischen der Amplitude des Rotorlagesignals und dem Drehmoment der elektrischen Maschine 2 bestätigen. In dem Diagramm von 5 ist eine beispielhafte Messung dargestellt.
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Die Kurve 16 zeigt das Drehmoment, welches mittels des Maschinenmodells über die Phasenströme berechnet wurde. Startend von einem Drehmoment von 0 Nm erreicht das Drehmoment einen Maximalbetrag MMAX, um danach abzufallen und anschließend in den Generatorbetrieb überzugehen. Bei dem Übergang in den Generatorbetrieb findet ein Nulldurchgang statt.
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Kurve 17 zeigt die Amplitude des Rotorlagesignals, genauer gesagt dessen Spannungsamplitude. Die Spannungsamplitude startet bei einem Wert U1, um dann auf einen Maximalbetrag U2 anzusteigen. Danach sinkt der Kurvenverlauf ab. Es ist zu sehen, dass die Kurve 17 der Amplitude des Rotorlagesignals der Kurve 16 des errechnetes Drehmomentes folgt. Somit ist die Proportionalität der Spannungsamplitude zu dem Drehmoment gezeigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsstrang
- 2
- Elektrische Maschine
- 3
- Rotorwelle
- 4
- Rotorlagesensor
- 5
- Getriebeantriebswelle
- 6
- Getriebe
- 7
- Getriebeabtriebswelle
- 8
- Steuergerät
- 9
- Vorrichtung
- 10
- Steckverzahnung
- 11
- Schrägverzahnung
- 12
- Geberrad
- 13
- Sensorelement
- 14
- elektrischer Anschluss
- 15
- Luftspalt
- 16
- Kurve errechnetes Drehmoment
- 17
- Amplitude Rotorlagesignal
- 18
- Lager
- 19
- Wellenfeder
- x
- axiale Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0831580 A2 [0005]
- DE 4311597 A1 [0007]
- DE 102006007435 A1 [0008]
- DE 102011005566 A1 [0009]
- DE 102010019151 A1 [0010]
