DE102015014811A1

DE102015014811A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102015014811A1
Application number: DE102015014811.7A
Authority: DE
Inventors: Florian Bittner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-11-14
Filing date: 2015-11-14
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2035-11-15
Also published as: DE102015014811B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (20) für eine elektrische Maschine, wobei die elektrische Maschine einen Stator und einen Rotor (22) aufweist, wobei der Rotor (22) eine Nabe (24) und einen äußeren Ring (28) aus Elementen (30) zum Erzeugen eines Magnetfelds aufweist, wobei die Nabe (24) und der äußere Ring (28) über einen mittleren Ring (26) aus Speichen (34) miteinander verbunden sind, wobei die Nabe (24) des Rotors (22) auf einer Welle anzuordnen und der Rotor (22) relativ zu dem Stator zu drehen ist, wobei die Sensoranordnung (20) mindestens einen relativ zu dem Stator ortsfest anzuordnenden Sensor (40) und den mittleren Ring (26) des Rotors (22) mit den Speichen (34) aufweist, wobei der mindestens eine Sensor dazu ausgebildet ist, als Markierungen die Speichen (34) des mittleren Rings (26) zu erfassen und daraus eine Lage des Rotors (22) relativ zu dem Stator zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Ermitteln einer Lage eines Rotors relativ zu einem Stator.
Bei einer elektrischen Maschine dreht sich relativ zu einem fest stehenden Stator ein Rotor, wobei elektrische Energie in mechanische Energie oder umgekehrt umgewandelt wird. Zum Betreiben der elektrischen Maschine ist u. a. erforderlich, eine relative Position des Rotors zu dem Stator zu kennen, wozu eine Sensorvorrichtung einzusetzen ist.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Sensorvorrichtung umfasst ein Geberrad mit mehreren Ausnehmungen an einem Außenumfang des Geberrads sowie einen Sensor. Diese Sensorvorrichtung ist zum Ermitteln einer Position eines ersten drehbaren Bauteils ausgebildet, das sich relativ zu einem zweiten ortsfesten Bauteil dreht. Hierbei ist vorgesehen, dass das Geberrad an dem ersten drehbaren Bauteil anzuordnen ist. Der Sensor ist an dem zweiten Bauteil anzuordnen. Bei einer Drehung des ersten Bauteils relativ zu dem zweiten Bauteil werden die Ausnehmungen des Geberrads von dem Sensor erfasst.
Ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Elektromotors ist in der Druckschrift DE 10 2013 213 948 A1 beschrieben. Dabei umfasst der Elektromotor einen Stator, an dem ein Sensor angeordnet ist. Außerdem ist an dem Rotor ein aus mehreren Magneten gebildeter Maßkörper angeordnet, wobei diese Magnete von dem Sensor erfasst werden.
Weiterhin ist aus der Druckschrift DE 10 2005 060 330 A1 ein Sensorkonzept für einen Fahrmotor und aus der Druckschrift DE 10 2007 014 452 A1 eine Anordnung zur Drehzahlsensierung an einem Antriebaggregat bekannt. Aus beiden Druckschriften geht hervor, eine Bewegung eines drehbaren Bauteils über einen Drehzahlsensor zu erfassen.
Vor diesem Hintergrund werden eine Sensoranordnung, eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Ausgestaltungen der Sensoranordnung, der elektrischen Maschine und des Verfahrens gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist für eine elektrische Maschine vorgesehen, die einen Stator und einen Rotor aufweist. Der Rotor weist eine Nabe und einen äußeren Ring aus Elementen zum Erzeugen eines Magnetfelds auf, wobei die Nabe und der äußere Ring über einen mittleren Ring, der Speichen umfasst, miteinander verbunden sind, wobei die Nabe des Rotors auf einer Welle anzuordnen und der Rotor relativ zu dem Stator zu drehen ist. Die Sensoranordnung weist mindestens einen relativ zu dem Stator ortsfest anzuordnenden bzw. angeordneten Sensor sowie den Speichen aufweisenden mittleren Ring des Rotors auf, wobei der mindestens eine Sensor dazu ausgebildet ist, als Markierungen die Speichen des mittleren Rings als Teil des Rotors zu erfassen und daraus eine Lage bzw. Position des Rotors relativ zu dem Stator zu ermitteln.
Demnach ist bei der vorgestellten Sensoranordnung ein ansonsten zusätzlich bereitzustellendes Geberrad als der mittlere Ring des Rotors in den Rotor integriert.
Der Sensor ist hier in geringem Abstand neben dem mittleren Ring des Rotors und somit neben den Speichen und den Ausnehmungen angeordnet.
In Ausgestaltung sind zwei unmittelbar benachbarte Speichen durch jeweils eine Ausnehmung voneinander beabstandet, wobei sämtliche Speichen dieselbe speichenspezifische Breite und sämtliche Ausnehmungen dieselbe ausnehmungsspezifische Breite aufweisen.
Weiterhin ist möglich, dass die Speichen elektrisch leitfähiges Material aufweisen.
Außerdem ist jede Speiche als Rotorblech bzw. Blech des Rotors ausgebildet.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist als Komponenten einen Stator und einen Rotor mit einem mittleren Ring aus Speichen sowie eine Ausführungsform der vorgestellten Sensoranordnung auf.
Die Elemente zum Erzeugen des Magnetfelds bzw. Magnetelemente des äußeren Rings sind als Permanentmagnete, Elektromagnete oder Elemente aus Metall, bspw. Kupfer oder Aluminium, ausgebildet, wobei derartige Elemente aus Metall untereinander elektrisch leitend verbunden sind.
Die elektrische Maschine ist als permanent erregte Synchronmaschine (PSM), Asynchronmaschine (ASM), Reluktanzmaschine (RM) oder fremd erregte bzw. elektrisch erregte Synchronmaschine (FSM) ausgebildet.
Dabei weist eine der beiden genannten Komponenten, hier der Rotor, einen äußeren Ring aus ersten Elementen zum Erzeugen eines Magnetfelds bzw. erste Magnetelemente, üblicherweise permanente Magnete bzw. Permanentmagnete, auf. Die andere Komponente, d. h. der Stator, weist einen Ring aus zweiten Elementen zum Erzeugen eines Magnetfelds, bspw. aus Elektromagneten, auf. Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine wirken elektromagnetische Felder, in der Regel Magnetfelder, der ersten Elemente zum Erzeugen eines Magnetfelds mit elektromagnetischen Feldern der zweiten Elemente zum Erzeugen eines Magnetfelds zusammen. Falls die elektrische Maschine als Motor betrieben wird, wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt. Bei einem Betrieb als Generator wird von der elektrischen Maschine mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Ermitteln einer Lage eines Rotors relativ zu einem Stator, die beide als Komponenten einer elektrischen Maschine ausgebildet sind, vorgesehen. Dabei weist der Rotor eine Nabe und einen äußeren Ring aus Elementen zum Erzeugen eines Magnetfelds bzw. aus Magnetelementen auf, wobei die Nabe und der äußere Ring über einen mittleren Ring miteinander verbunden sind, wobei der mittlere Ring Speichen umfasst, wobei die Nabe des Rotors auf einer Welle angeordnet und der Rotor relativ zu dem Stator gedreht wird. Bei dem Verfahren werden mit mindestens einem Sensor, der relativ zu dem Stator ortsfest angeordnet ist, als Markierungen die Speichen des mittleren Rings erfasst und daraus eine Lage des Rotors relativ zu dem Stator ermittelt.
Zu einer Umsetzung des Verfahrens wird mindestens ein optischer Sensor als Teil der Sensoranordnung verwendet, mit dem die Speichen optisch erfasst werden.
Alternativ oder ergänzend wird mindestens ein elektromagnetischer Sensor als Teil der Sensoranordnung verwendet, mit dem die Speichen über elektromagnetische Felder erfasst werden.
Somit ist das Geberrad über den die Speichen aufweisenden mittleren Ring als Komponente des Rotors in den Rotor integriert, wobei eine Kontur des Geberrads, die aus dem mittleren Ring aus Speichen und Ausnehmungen gebildet ist, in ein Rotorblech des Rotors der elektrischen Maschine integriert ist. Dabei weisen die Speichen und die Ausnehmungen eine für den mindestens einen Sensor erfassbare und/oder erkennbare Kontur auf. Der mindestens eine Sensor ist ortsfest zu dem Stator angeordnet, wobei die Speichen und die Ausnehmungen des mittleren Rings von dem mindestens einen Sensor optisch und/oder elektromagnetisch, bspw. durch Messen eines Wirbelstroms der Speichen, erfasst werden. Hierzu ist in Ausgestaltung vorgesehen, dass die Speichen zumindest teilweise aus Metall und/oder elektrisch leitfähig sind.
Die Sensoranordnung und das Verfahren werden für den Betrieb und die Regelung der elektrischen Maschine eingesetzt, wobei mit dem mindestens einen Sensor die Lage bzw. Position des Rotors relativ zu dem Stator erfasst wird.
Durch Integration des Geberrads als mittlerer Ring mit den Speichen in den Rotor zum Bereitstellen der Sensoranordnung ist eine Anzahl von erforderlichen Teilen zu reduzieren sowie ein benötigter Bauraum zu minimieren.
Beim Herstellen des Rotors werden die Speichen mit einer für den mindestens einen Sensor erforderlichen Genauigkeit hergestellt. Je nach Fertigungs- und Paketierungsverfahren ist eventuell eine nachträgliche Bearbeitung eines von dem mindestens einen Sensor zu erfassenden Bereichs des Rotors vorgesehen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
2 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
Die in 1 schematisch dargestellte erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 20 ist für eine elektrische Maschine, hier eine permanent erregte Synchronmaschine, vorgesehen, die einen Rotor 22 aufweist, der relativ zu einem nicht weiter dargestellten Stator der elektrischen Maschine drehbar ist. Dieser Rotor 22 umfasst zentral eine Nabe 24, die von einem mittleren Ring 26 koaxial umschlossen ist. Dieser mittlere Ring 26 ist weiterhin mit einem äußeren Ring 28 aus Blech umschlossen, der mehrere Elemente 30 zum Erzeugen eines Magnetfelds, hier permanente Magnetelemente, aufweist. Außerdem umfasst der mittlere Ring 26, der hier als verbindende Komponente des Rotors 22 zwischen dessen Nabe 24 und dem äußeren Ring 28 ausgebildet ist, mehrere Speichen 34 sowie mehrere Ausnehmungen 36, wobei sich zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Speichen 34 eine Ausnehmung 36 befindet. Bei der elektrischen Maschine bzw. Elektromaschine ist die Nabe 24 des Rotors 22 auf der Welle der elektrischen Maschine aufzusetzen. Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine wird der Rotor 22 relativ zu dem Stator gedreht.
Als weitere Komponente der Sensoranordnung 20 ist hier ein Sensor 40 vorgesehen, der neben dem mittleren Ring 26 angeordnet und dazu ausgebildet ist, ein Signal zu dem mittleren Ring 26 des Rotors 22 zu senden, wobei das Signal von den Speichen 34 wieder zu dem Sensor 40 reflektiert wird. Dabei ist der Sensor 40 in radialer Richtung neben den Speichen 34 und den Ausnehmungen 36 angeordnet und weist zu den Speichen 34 sowie den Ausnehmungen 36 des mittleren Rings 26 einen Abstand von wenigen Millimetern, bspw. von 1 bis 3 mm, auf. Dagegen wird das von dem Sensor 40 ausgesendete Signal von den Ausnehmungen 36 zwischen den Speichen 34 nicht reflektiert. Je nach Ausführungsform ist der Sensor 40 als optischer Sensor ausgebildet, der ein optisches Signal bereitstellt, das von den Speichen 34 reflektiert wird. Alternativ ist der Sensor 40 als elektromagnetischer Sensor ausgebildet. In diesem Fall ist vorgesehen, dass die Speichen 34 elektrisch leitfähig sind. Bei Betrieb der elektrischen Maschine wird von dem Sensor 40 ein elektromagnetisches Signal in Richtung des mittleren Rings 26 gesendet und ein von den Speichen 34 reflektiertes elektromagnetisches Signal empfangen. Somit wird eine Funktion eines ansonsten zusätzlichen Geberrads von dem Speichen 34 aufweisenden mittleren Ring 26 des Rotors 22 übernommen.
Die in 2 schematisch dargestellte zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 50 ist für eine weitere elektrische Maschine mit einem Rotor 52 und einem nicht weiter dargestellten Stator vorgesehen, der auf einer Welle der elektrischen Maschine relativ zu dem Stator drehbar ist. Dieser Rotor 52 umfasst eine zentrale Nabe 54, die auf der Welle anzuordnen und von einem mittleren Ring 56 koaxial umschlossen ist. Dabei ist der mittlere Ring 56 von einem äußeren Ring 58 aus Blech umschlossen, der mehrere Elemente 60 zum Erzeugen eines Magnetfelds aufweist. Diese Elemente 60 zum Erzeugen des Magnetfelds sind aus einem Metall, bspw. Kupfer oder Aluminium, und miteinander elektrisch verbunden. Somit ist dieser Rotor 52 für eine als Asynchronmaschine ausgebildete elektrische Maschine vorgesehen. Außerdem umfasst der mittlere Ring 56, der hier als verbindende Komponente des Rotors 52 zwischen dessen Nabe 54 und dem äußeren Ring 58 ausgebildet ist, mehrere Speichen 64 sowie mehrere Ausnehmungen 66, wobei sich zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Speichen 64 eine Ausnehmung 66 befindet. Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine wird der Rotor 22 relativ zu dem Stator gedreht.
Als weitere Komponente der Sensoranordnung 50 ist hier ein Sensor 70 vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, ein Signal zu dem mittleren Ring 56 des Rotors 52 zu senden, wobei das Signal von den Speichen 64 wieder zu dem Sensor 70 reflektiert wird. Dagegen wird das von dem Sensor 70 ausgesendete Signal von den Ausnehmungen 66 zwischen den Speichen 64 nicht reflektiert. Je nach Ausführungsform ist der Sensor 70 als optischer Sensor ausgebildet, der ein optisches Signal bereitstellt, das von den Speichen 64 reflektiert wird. Alternativ ist der Sensor 70 als elektromagnetischer Sensor ausgebildet. In diesem Fall ist vorgesehen, dass die Speichen 64 elektrisch leitfähig sind. Bei Betrieb der elektrischen Maschine wird von dem Sensor 70 ein elektromagnetisches Signal in Richtung des mittleren Rings gesendet und ein von den Speichen 64 reflektiertes elektromagnetisches Signal empfangen. Somit wird eine Funktion eines ansonsten zusätzlichen Geberrads von dem Speichen 64 aufweisenden mittleren Ring 56 des Rotors 52 übernommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013213948 A1 [0004]
DE 102005060330 A1 [0005]
DE 102007014452 A1 [0005]

Claims

Sensoranordnung für eine elektrische Maschine, wobei die elektrische Maschine einen Stator und einen Rotor (22, 52) aufweist, wobei der Rotor (22, 52) eine Nabe (24, 54) und einen äußeren Ring (28, 58) aus Elementen (30, 60) zum Erzeugen eines Magnetfelds aufweist, wobei die Nabe (24, 54) und der äußere Ring (28, 58) über einen mittleren Ring (26, 56) aus Speichen (34, 64) miteinander verbunden sind, wobei die Nabe (24, 54) des Rotors (22, 52) auf einer Welle anzuordnen und der Rotor (22, 52) relativ zu dem Stator zu drehen ist, wobei die Sensoranordnung (20, 50) mindestens einen relativ zu dem Stator ortsfest anzuordnenden Sensor (40, 70) und den mittleren Ring (26, 56) des Rotors (22, 52) mit den Speichen (34, 64) aufweist, wobei der mindestens eine Sensor (40, 70) dazu ausgebildet ist, als Markierungen die Speichen (34, 64) des mittleren Rings (26, 56) zu erfassen und daraus eine Lage des Rotors (22, 52) relativ zu dem Stator zu ermitteln.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, bei dem zwei unmittelbar benachbarte Speichen (34, 64) durch jeweils eine Ausnehmung (36, 66) voneinander beabstandet sind, wobei sämtliche Speichen (34, 64) dieselbe speichenspezifische Breite und sämtliche Ausnehmungen (36, 66) dieselbe ausnehmungsspezifische Breite aufweisen.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Speichen (34, 64) elektrisch leitfähiges Material aufweisen.
Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der jede Speiche (34, 64) als Rotorblech ausgebildet ist.
Elektrische Maschine, die einen Stator und einen Rotor (22, 52) sowie eine Sensoranordnung (20, 50) nach einem der voranstehenden Ansprüche aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, die als permanent erregte Synchronmaschine, Asynchronmaschine, Reluktanzmaschine oder fremd erregte Synchronmaschine ausgebildet ist.
Verfahren zum Ermitteln einer Lage eines Rotors (22, 52) relativ zu einem Stator, die beide als Komponenten einer elektrischen Maschine ausgebildet sind, wobei der Rotor (22, 52) eine Nabe (24, 54) und einen äußeren Ring (28, 58) aus Elementen (30, 60) zum Erzeugen eines Magnetfelds aufweist, wobei die Nabe (24, 54) und der äußere Ring (28, 58) über einen mittleren Ring (26, 56) miteinander verbunden sind, wobei der mittlere Ring (26, 56) Speichen (34, 64) umfasst, wobei die Nabe (24, 54) des Rotors (22, 52) auf einer Welle angeordnet und der Rotor (22, 52) relativ zu dem Stator gedreht wird, wobei mit mindestens einem Sensor (40, 70), der relativ zu dem Stator ortsfest angeordnet ist, als Markierungen die Speichen (34, 64) des mittleren Rings (26, 56) erfasst werden und daraus eine Lage des Rotors (22, 52) relativ zu dem Stator ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem mindestens ein optischer Sensor (40, 70) verwendet wird, mit dem die Speichen (34, 64) optisch erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem mindestens ein elektromagnetischer Sensor (40) verwendet wird, mit dem die Speichen (34, 64) über elektromagnetische Felder erfasst werden.