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Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotorlageerkennungseinrichtung für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Servomotor für ein Lenksystem in einem Fahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In der
DE 103 14 696 A1 wird eine Rotorlageerkennungseinrichtung für eine elektrische Maschine beschrieben, bei der an der Stirnseite der Rotorwelle ein Magnet sitzt und radial umgreifend drei gehäusefest angeordnete Sensoren vorhanden sind. Die Sensoren sind als Hall-Sensoren oder als magnetische Widerstandssensoren ausgeführt und in einem 120°-Winkelabstand zueinander mit radialem Abstand zur Rotorwelle angeordnet. Die Sensoren detektieren das Magnetfeld des Magneten, woraus sich die aktuelle Rotorlage der Rotorwelle ermitteln lässt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute, kompakte Rotorlageerkennungseinrichtung für eine elektrische Maschine anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die erfindungsgemäße Rotorlageerkennungseinrichtung kann in elektrischen Maschinen zur Erkennung der aktuellen Rotorlage eingesetzt werden. Die Kenntnis der Rotorlage ist in verschiedenen elektrischen Maschinen für deren Ansteuerung essenziell. Die Rotorlageerkennungseinrichtung wird vorzugsweise in Synchronmaschinen eingesetzt, beispielsweise in permanenterregten Synchronmotoren mit elektronischer Kommutierung, die Permanentmagnete auf der Rotorwelle aufweisen. Die elektrische Maschine, die mit der Rotorlageerkennungseinrichtung ausgestattet ist, wird zum Beispiel als elektrischer Servomotor für ein Lenksystem in einem Fahrzeug verwendet.
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Die Rotorlageerkennungseinrichtung umfasst mindestens zwei magnetfeldempfindliche und gehäusefest angeordnete Sensoren sowie einen an der Rotorwelle der elektrischen Maschine angeordneten Magneten. Ein erster Sensor ist der Stirnseite der Rotorwelle axial vorgelagert und gehäusefest angeordnet, er befindet sich axial auf Abstand zur Stirnseite der Rotorwelle sowie zu dem auf er Rotorwelle angeordneten Magneten. Dieser erste Sensor ist in der Lage, die Rotorwellenbewegung, insbesondere einen Umlauf der Rotorwelle anhand des sich drehenden Magnetfeldes des rotorseitigen Magneten zu detektieren.
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Die Rotorlageerkennungseinrichtung umfasst des Weiteren zumindest einen zweiten Sensor, der axial in Höhe der Rotorwelle angeordnet ist, jedoch mit radialem Abstand zur Rotorwelle. Der zweite Sensor weist einen axialen Abstand zum ersten, der Stirnseite der Rotorwelle vorgelagerten Sensor auf. Auch der zweite Sensor ist als ein magnetfeldempfindlicher Sensor ausgeführt, der in der Lage ist, Magnetfeldänderungen beim Umlaufen der Rotorwelle zu detektieren und hieraus auf die aktuelle Rotorwellenlage zu schließen. Mithilfe des zweiten Sensors ist es insbesondere möglich, die Informationen des ersten, der Rotorwelle axial vorgelagerten Sensors zu plausibilisieren. Dementsprechend werden die Sensorsignale des zweiten Sensors genutzt, um die Sensorsignale des ersten Sensors zu bestätigen. Im Falle einer unzulässig hohen Abweichung zwischen den Sensorsignalen kann ein Fehlersignal erzeugt werden.
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Dem zweiten, radial zur Rotorwelle beabstandet angeordneten Sensor ist ein Sensorabschnitt auf der Rotorwelle zugeordnet, der einen nicht-runden Querschnitt aufweist. Dieser von der Rotationssymmetrie abweichende Querschnitt im Bereich des Sensorabschnittes der Rotorwelle beeinflusst das von einem Magneten ausgehende Magnetfeld und ermöglicht die Rotorlagedetektierung über den zweiten, ebenfalls magnetfeldempfindlichen Sensor. Die Rotorwelle besteht aus einem weichmagnetischen Material und lenkt Magnetfeldlinien um, die aufgrund der Abweichung des Sensorabschnittes von der Rotationssymmetrie eine entsprechende Ablenkung erfahren, welche vom zweiten Sensor zur Rotorlageerkennung detektiert werden kann.
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Diese Ausführung hat den Vorteil, dass Rotorlageerkennungseinrichtungen, welche einen Magneten an der Rotorwelle und einen magnetfeldempfindlichen Sensor vor der Stirnseite der Rotorwelle aufweisen, in einfacher Weise mit einer Plausibilisierungseinheit versehen werden können, indem lediglich ein zweiter, magnetfeldempfindlicher Sensor mit radialem Abstand zur Rotorwelle angeordnet wird und die Rotorwelle im Sensorabschnitt mit einem nicht-runden Querschnitt versehen wird. Die Magnetfeldlinien, die von dem zweiten, radial beabstandeten Sensor erfasst werden und von dem nicht-runden Querschnitt des Sensorabschnittes der Rotorwelle beeinflusst werden, stammen hierbei nicht zwingend von dem Magneten ab, der dem ersten Sensor zugeordnet ist. Vorteilhafterweise ist ein zweiter Magnet vorgesehen, der dem zweiten Sensor zugeordnet ist. Der erste Magnet und der erste der Rotorwelle stirnseitig vorgelagerte Sensor können eine in sich geschlossene Baueinheit innerhalb der Rotorlageerkennungseinrichtung bilden, von der der zweite Sensor unabhängig ausgeführt ist.
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Der zweite Magnet, welcher dem zweiten Sensor zugeordnet ist, befindet sich entweder auf der Rotorwelle oder außerhalb der Rotorwelle an einem gehäusefest angeordneten Bauteil. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung sind der zweite Magnet und der zweite Sensor zu einer gemeinsamen Baueinheit zusammengefasst, beispielsweise kann der zweite Sensor als ein vorgespannter Hall-Sensor mit integriertem Magneten ausgeführt sein. Das Magnetfeld des zweiten, gehäuseseitig angeordneten Magneten wird von dem nicht-runden Querschnitt im Bereich des Sensorabschnittes der Rotorwelle beeinflusst, wobei die Abweichung des Magnetfeldes, die auf den nicht-runden Querschnitt zurückgeht, von dem zweiten Sensor detektiert wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung umfasst die Rotorlageerkennungseinrichtung einen dritten Sensor, der in Umfangsrichtung versetzt zum zweiten Sensor angeordnet ist. Der dritte Sensor arbeitet in entsprechender Weise wie der zweite Sensor und kann ein Magnetfeld, das von dem nicht-runden Querschnitt des Sensorabschnittes der Rotorwelle beeinflusst ist, detektieren. Der Aufbau des dritten Sensors entspricht vorteilhafterweise demjenigen des zweiten Sensors, es kann zweckmäßig sein, dass sowohl der zweite Sensor als der dritte Sensor, die jeweils radial auf Abstand zu dem Sensorabschnitt mit dem nicht-runden Querschnitt liegen, als vorgespannte Hall-Sensoren mit integrierten Magneten ausgeführt sind. Sowohl dem zweiten Sensor als auch dem dritten Sensor kann auf dem Sensorabschnitt der Rotorwelle jeweils eine nicht-runde Querschnittsgestalt zugeordnet sein, wobei auch Ausführungen möglich sind, in denen dem zweiten und dem dritten Sensor eine gemeinsame nicht-runde Querschnittsgestalt zugeordnet ist.
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Die von der Rotationssymmetrie abweichende Querschnittsgestalt des Sensorabschnittes der Rotorwelle ist vorzugsweise einteilig oder ggf. separat, jedoch verbunden mit der Rotorwelle ausgebildet und insbesondere als radiale Erhöhung oder radiale Vertiefung ausgeführt. Es kann zweckmäßig sein, zum Beispiel als radiale Vertiefung eine Einkerbung in der Mantelfläche des Sensorabschnittes der Rotorwelle anzuordnen. In Betracht kommen aber auch nockenförmige Erhöhungen oder in anderer Weise ausgeführte Vertiefungen. Die Erhöhung oder Vertiefung erstreckt sich vorteilhafterweise in Achsrichtung – bezogen auf die Längsachse der Rotorwelle – nur maximal über den Sensorabschnitt der Rotorwelle, der zumindest annähernd in Achsrichtung gesehen gleich lang ist wie die Erstreckung des zugeordneten, radial beabstandeten Sensors.
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Vorteilhafterweise ist dem radialen Sensor genau eine radiale Erhöhung bzw. Vertiefung zugeordnet. Im Fall von zwei radial beabstandeten und zueinander in Umfangsrichtung auseinander liegenden Sensoren ist es zweckmäßig, dass über den Umfang verteilt pro Sensor genau eine radiale Erhöhung oder Vertiefung in den Sensorabschnitt eingebracht ist.
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Zwei radial beabstandete Sensoren vorzusehen, die mit dem Sensorabschnitt mit nicht-rundem Querschnitt zusammenwirken, hat den Vorteil, dass zusätzlich zu einer Plausibilisierung der Sensorinformationen des der Stirnseite der Rotorwelle axial vorgelagerten Sensors auch die Drehrichtung und die Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle bestimmt werden können.
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Der dem ersten Sensor zugeordnete Magnet ist, gemäß weiterer vorteilhafter Ausführung, unmittelbar an der Stirnseite der Rotorwelle angeordnet. Der der Stirnseite der Rotorwelle vorgelagerte erste Sensor empfängt die Magnetfeldlinien des stirnseitig angeordneten Magneten und kann hieraus die Rotorlage bestimmen. Der erste Sensor kann in eine Steuereinheit integriert sein, beispielsweise auf einer elektronischen Leiterplatte eines Steuergerätes angeordnet sein. In der Steuereinheit erfolgt die Auswertung der Sensorinformationen des ersten Sensors.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug, mit einem elektrischen Servomotor,
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2 der elektrische Servomotor in Seitenansicht mit einem axial vorgelagerten Sensor und zwei radial zur Rotorwelle angeordneten Sensoren zur Rotorlageerkennung,
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3 eine stirnseitige Ansicht der Rotorwelle mit einem an der Stirnseite angeordneten Magneten und den beiden radial auf Abstand liegenden Sensoren.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das Lenksystem 1 gemäß 1, das in einem Fahrzeug eingebaut ist, umfasst ein Lenkrad 2, eine Lenkspindel bzw. -welle 3, ein Lenkgehäuse 4 mit einem darin aufgenommenen Lenkgetriebe und ein Lenkgestänge mit einer Lenkzahnstange 5, über die eine Lenkbewegung auf die lenkbaren Räder 6 des Fahrzeugs übertragen wird. Über das Lenkrad 2, mit dem die Lenkwelle 3 fest verbunden ist, gibt der Fahrer einen Lenkwinkel δL, der im Lenkgetriebe im Lenkgehäuse 4 auf die Lenkzahnstange 5 übertragen wird, woraufhin sich an den Rädern 6 ein Radlenkwinkel δV einstellt.
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Zur Unterstützung des vom Fahrer aufgebrachten Handmoments weist das Lenksystem 1 einen elektrischen Servomotor 7 auf, über den ein Servomoment in das Lenkgetriebe im Lenkgehäuse eingespeist werden kann. Der Servomotor 7 wird über Stellsignale eines Steuergerätes angesteuert.
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In den 2 und 3 ist der Servomotor 7 in einer beispielhaften Ausführung mit einer Rotorlageerkennungseinrichtung 8 dargestellt, über die die Rotorlage der Rotorwelle 9 des Servomotors 7 erfasst werden kann. Der elektrische Servomotor 7 ist beispielsweise als ein elektronisch kommutierter, bürstenloser Synchronmotor ausgeführt, dessen Rotorwelle 9 Träger von Permanentmagneten ist, deren Magnetfeld mit einem elektromagnetischen Wechselfeld von statorseitigen Spulen interagiert.
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Die Rotorlageerkennungseinrichtung 8 befindet sich benachbart zur Stirnseite der Rotorwelle 9 und umfasst einen an der Stirnseite der Rotorwelle 9 angeordneten Magneten 10, einen ersten Sensor 11, der dem Magneten 10 zugeordnet ist, sowie zwei axial in Höhe der Rotorwelle 9 und radial mit Abstand zur Rotorwelle 9 angeordnete Sensoren 13 und 14. Der axial der Stirnseite der Rotorwelle 9 sowie dem Magneten 10 vorgelagerte, gehäusefest angeordnete erste Sensor 11 ist auf einer Steuereinheit 12 angeordnet, in der auch die Auswertung der vom Sensor 11 gelieferten Signale erfolgt. Bei dem Sensor 11 handelt es sich um einen magnetfeldempfindlichen Sensor, mit dem Änderungen des mit der Rotorwelle 9 umlaufenden Magnetfeldes des Magneten 10 erfasst werden können, um die aktuelle Rotorlage der Rotorwelle 9 zu bestimmen. Bei dem ersten Sensor 11 handelt es sich beispielsweise um einen magnetoresistiven TMR-Sensor oder um einen Hall-Sensor. Die beiden weiteren Sensoren 13 und 14 sind ebenfalls magnetfeldempfindlich ausgebildet und beispielhaft als vorgespannte Hall-Sensoren mit integrierten Magneten 13a bzw. 14a ausgeführt. Die Sensoren 13 und 14 registrieren eine Änderung des von ihren eigenen Magneten 13a bzw. 14a erzeugten Magnetfelds bei einem Umlauf der Rotorwelle 9.
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Die Rotorwelle 9 weist in ihrem aus dem Motorgehäuse herausragenden Abschnitt einen Sensorabschnitt 15 auf, der den Sensoren 13 und 14 zugeordnet ist und in den eine Vertiefung 16 in Form einer Einkerbung eingebracht ist. Die Sensoren 13 und 14 befinden sich axial auf der Höhe des Sensorabschnittes 15, der zugleich axial zur Stirnseite der Rotorwelle 9 beabstandet ist. Die beiden Sensoren 13 und 14 sind radial mit Abstand zur Rotorwelle 9 angeordnet und in Umfangsrichtung verteilt platziert, beispielsweise in einem Abstand von 120° oder gegebenenfalls mit einem hiervon abweichenden Winkel, beispielsweise 90°.
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Beim Umlaufen der Rotorwelle 9 wird das Magnetfeld der Magneten 13a und 14a in der Einkerbung 16 beeinflusst, was vom zugehörigen Sensor 13 bzw. 14 registriert werden kann. Somit kann jeder vollständige Umlauf der Rotorwelle 9 von jedem Sensor 13 und 14 festgestellt werden. Hiermit ist es zum einen möglich, die Sensorinformationen des ersten Sensors 11, der der Stirnseite der Rotorwelle vorgelagert ist, zu plausibilisieren. Zum andern können die Drehrichtung und die Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle 9 bestimmt werden.
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Die Einkerbung 16 erstreckt sich vorteilhafterweise in Achsrichtung nur über die axiale Länge des Sensorabschnittes 15 auf der Rotorwelle 9. In Radialrichtung ist die Einkerbung 16 so tief ausgeführt, dass die Magnetfeldlinien der Magnete 13a und 14a in der aus weichmagnetischem Material gefertigten Rotorwelle 9 messbar beeinflusst werden.
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Sämtliche Sensoren 11, 13 und 14 sind ortsfest angeordnet, beispielsweise an einem Gehäusebauteil, das gegebenenfalls fest mit dem Motorgehäuse des Servomotors verbunden ist. Die Sensorinformationen der Sensoren 11, 13 und 14 werden in einem Regel- bzw. Steuergerät ausgewertet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Lenkrad
- 3
- Lenkwelle
- 4
- Lenkgehäuse
- 5
- Lenkzahnstange
- 6
- Vorderrad
- 7
- elektrischer Servomotor
- 8
- Rotorlageerkennungseinrichtung
- 9
- Rotorwelle
- 10
- Magnet
- 11
- erster Sensor
- 12
- Steuereinheit
- 13
- zweiter Sensor
- 13a
- Magnet
- 14
- dritter Sensor
- 14a
- Magnet
- 15
- Sensorabschnitt
- 16
- Vertiefung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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