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Die Erfindung betrifft ein Rotorlagesystem zur Bestimmung einer Lage eines Rotors relativ zu einem Stator einer elektrischen Maschine, wobei das Rotorlagesystem einen Sensor und eine mit dem Sensor in Wirkverbindung stehende Geberkontur aufweist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor und einem Rotorlagesystem zur Bestimmung der Lage des Rotors relativ zu dem Stator.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Rotor.
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Beim Betrieb einer elektrischen Maschine ist eine genaue Bestimmung der Lage des Rotors relativ zum Stator erforderlich. Hierfür werden im Stand der Technik so genannte Rotorlagesysteme verwendet. Rotorlagesysteme bestehen in der Regel aus einem statisch angeordneten Sensor und einem mit dem Sensor in Wirkverbindung stehenden dynamisch angeordneten Geber. Zur Bestimmung der Lage weist der Geber eine Geberkontur auf, welche vom Sensor erkannt bzw. ausgelesen werden kann. Entscheidend für die Genauigkeit des am Sensor ankommenden Lagesignals bzw. des durch den Sensor ermittelten Lagesignals ist die Fertigungsgenauigkeit des Gebers.
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Um eine hohe Fertigungsgenauigkeit des Gebers zu erreichen, ist dieser im Stand der Technik als separates Geberrad ausgebildet und wird mit hoher Genauigkeit hergestellt und anschließend mit dem Rotorträger verbunden bzw. gefügt.
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In der
DE 10 2004 033 082 A1 wird eine Wirbelstromsensoranordnung, insbesondere zur Weg- oder Winkelmessung, beschrieben. Die Wirbelstromsensoranordnung weist einen Sensor mit einer Spule zur Erzeugung von Wirbelströmen und einen leitfähigen Geber auf, wobei sich der Sensor und der Geber relativ zueinander bewegen können. Der Geber weist eine Spur auf, die vom Sensor abgetastet wird und die derartig ausgestaltet ist, dass bei Abtastung ein impulsförmiges Signal erzeugt wird. Der Geber ist in Form eines Geberrads an der Rotorwelle befestigt.
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Die
DE 10 2012 205 760 A1 betrifft eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor oder einen Generator. Die elektrische Maschine weist einen Rotor mit einem auf einer Rotorwelle angeordneten Rotor auf. Des Weiteren ist ein Rotorlagegeber mit einem Geberrad vorgesehen.
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In der
DE 20 2012 002 027 U1 wird eine rotierende elektrische Maschine beschrieben, wobei auf eine Wickelkopfabdeckung eine Sensorspur aufgebracht ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Rotorlagesystem zur Bestimmung einer Lage eines Rotors relativ zu einem Stator einer elektrischen Maschine in Bezug auf die Genauigkeit des zu ermittelnden Lagesignals weiter zu verbessern.
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Hierfür wird erfindungsgemäß ein Rotorlagesystem zur Bestimmung einer Lage eines Rotors relativ zu einem Stator einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, wobei das Rotorlagesystem einen Sensor und eine mit dem Sensor in Wirkverbindung stehende Geberkontur aufweist. Erfindungsgemäß ist die Geberkontur in eine Rotorwelle des Rotors integriert.
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Das Rotorlagesystem dient der Ermittlung eines Lagesignals, durch welches die Lage des Rotors relativ zum Stator jederzeit genau bestimmt werden kann. Hierfür ist der Sensor des Rotorlagesystems statisch und somit im Gegensatz zum Rotor selbst nicht beweglich angeordnet. Die in die Rotorwelle integrierte Geberkontur ist dynamisch angeordnet. Das bedeutet, die Geberkontur bewegt bzw. dreht sich mit dem Rotor relativ zum statisch angeordneten Sensor.
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Der Sensor und die Geberkontur stehen in einer Wirkverbindung zueinander. Hierunter ist keine direkte mechanische Verbindung zu verstehen. Vielmehr ist der Sensor beabstandet zur Geberkontur und beabstandet zum Rotor bzw. zur Rotorwelle angeordnet.
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Beispielsweise kann ein induktiver Sensor vorgesehen sein. Da die Rotorwelle aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, ist die in die Rotorwelle integrierte Geberkontur ebenfalls elektrisch leitfähig. Der Sensor, bzw. eine Spule im Sensor, kann mit einem hochfrequenten Strom beaufschlagt werden, wodurch in dessen näherer Umgebung ein hochfrequentes magnetisches Feld erzeugt wird, wobei durch die in die Rotorwelle integrierte Geberkontur Wirbelströme erzeugt werden. Die Wirbelströme erzeugen ihrerseits wiederum ein dem Magnetfeld des Sensors bzw. der Spule des Sensors entgegengesetztes magnetisches Feld. Je nach Abstand zwischen Sensor und der durch die Geberkontur gebildeten Fläche ist dieses Gegenfeld unterschiedlich groß. Daraus kann der Abstand zwischen Sensor und der durch die Geberkontur gebildeten Fläche bestimmt werden.
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Ferner ist es möglich einen optischen Sensor zu verwenden. Mittels eines optischen Messsignals, ist der Abstand zwischen Sensor und der durch die Geberkontur gebildeten Fläche messbar.
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Basierend auf dem ermittelten Abstand zwischen Sensor und der durch die Geberkontur gebildeten Fläche kann die genaue Lage des Rotors relativ zum Stator bestimmt werden.
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Dadurch, dass die Geberkontur in die Rotorwelle des Rotors integriert ist, kann eine besonders hohe Genauigkeit des Gesamtsystems bzw. des am Sensor generierten Lagesignals erreicht werden.
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Bei im Stand der Technik verwendeten und mit dem Rotorträger verbundenen Geberrädern wird die Genauigkeit des Gesamtsystems durch die Summe der Einzelteiltoleranzen des Rotorträgers, des Geberrades und des Verbindungseinflusses bestimmt. Sowohl die Geberkontur des Geberrads, die Verbindung des Geberrads mit dem Rotorträger und der Rotorträger selbst weisen Toleranzen auf, wodurch sich eine relativ lange Toleranzkette für das Gesamtsystem und somit eine höhere Ungenauigkeit ergibt.
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Das erfindungsgemäß vorgesehene Rotorlagesystem weist hingegen eine weitaus kürzere Toleranzkette auf. Ein Verbinden bzw. Fügen eines separaten Mittels mit der Geberkontur ist nicht notwendig. In die Rotorwelle wird die Geberkontur direkt integriert.
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Bevorzugterweise weist das Rotorlagesystem somit kein separates Geberrad auf. Ein Fügen eines separaten Geberrads mit der Rotorwelle ist somit vorteilhafterweise nicht mehr erforderlich.
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Die Geberkontur ist bevorzugterweise zumindest bereichsweise in die Rotorwelle eingeprägt und/oder auf die Rotorwelle aufgeprägt. Beispielsweise kann die Geberkontur mittels Stempeln, Stanzen, Schmieden, Lasern, Erodieren (elektroerosives Verfahren), Fräsen und/oder Feilen in die Rotorwelle eingeprägt und/oder auf die Rotorwelle aufgeprägt werden. Besonders bevorzugterweise wird die Geberkontur in einem ersten Schritt mittels Stempeln, Stanzen, Schmieden, Lasern oder Erodieren in die Rotorwelle eingeprägt und/oder auf die Rotorwelle aufgeprägt und dann mittels Fräsbearbeitung und/oder Schleifbearbeitung nachbearbeitet, um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erhalten.
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Grundsätzlich kann die Geberkontur jede geeignete Form und Ausprägung aufweisen. Bevorzugterweise weist die Geberkontur Vertiefungen in der Rotorwelle und/oder Erhebungen auf der Rotorwelle auf.
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Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die Geberkontur stirnseitig in die Rotorwelle integriert ist. Hierunter ist zu verstehen, dass die Geberkontur im Bereich eines stirnseitigen Endes der Rotorwelle in die Rotorwelle integriert ist. Ganz besonders bevorzugterweise ist die Geberkontur auf einer stirnseitigen Fläche der Rotorwelle in die Rotorwelle integriert.
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Auch ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die Geberkontur in Bezug auf eine Längsachse der Rotorwelle radial ausgerichtet ist beziehungsweise in eine radial zur Längsachse ausgerichteten Fläche integriert ist. Hierunter ist zu verstehen, dass sich die Geberkontur auf einer Fläche erstreckt bzw. auf einer Fläche angeordnet ist, welche in einem Winkel zur Längsachse der Rotorwelle ausgerichtet ist, wobei der Winkel größer als 0° beträgt. Besonders bevorzugterweise erstreckt sich die Geberkontur auf einer Fläche, welche im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Rotorwelle ausgerichtet ist.
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Die Rotorwelle weist bevorzugterweise einen in Bezug auf eine Längsachse der Rotorwelle radial von einer Umfangsseite der Rotorwelle abstehenden Vorsprung auf. Dabei ist die Geberkontur in den Vorsprung der Rotorwelle integriert. Der Vorsprung ist Teil der Rotorwelle bzw. einstückig mit der Rotorwelle ausgebildet.
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Beispielsweise kann der Vorsprung ringförmig auf der Umfangsseite der Rotorwelle angeordnet bzw. ringförmig um die Rotorwelle herum angeordnet sein. Unter der Umfangsseite ist die von der Rotorwelle umfänglich ausgebildete Seitenfläche beziehungsweise die Mantelfläche der Rotorwelle zu verstehen.
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Besonders bevorzugterweise ist der Vorsprung abschnittsweise und somit nur bereichsweise in Bezug auf die gesamte Länge der Rotorwelle angeordnet. Besonders bevorzugterweise weist die Rotorwelle entlang dessen Längsachse lediglich einen einzigen Vorsprung auf. Grundsätzlich kann der Vorsprung in jedem beliebigen Bereich der Rotorwelle angeordnet sein.
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Ganz besonders bevorzugterweise ist der Vorsprung aber im Bereich eines stirnseitigen Endes der Rotorwelle angeordnet.
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Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass der Vorsprung im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist. Der scheibenförmig radial von der Umfangsseite der Rotorwelle abstehende Vorsprung bildet zwei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete ringförmige Flächen aus. Die Geberkontur ist dabei bevorzugterweise in die erste ringförmige Fläche oder in die zweite ringförmige Fläche integriert.
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Der Vorsprung ist vorzugsweise in einem Abschnitt vollumfänglich um die Rotorwelle herum angeordnet. Die erste und zweite ringförmige Fläche sind vorzugsweise radial zur Längsachse ausgerichtet. Bevorzugterweise ist eine erste ringförmige Fläche nach außen und eine zweite ringförmige Fläche nach innen gerichtet. Hierunter ist zu verstehen, dass der Abstand zwischen der ersten ringförmigen Fläche und einem ersten stirnseitigen Ende der Rotorwelle kleiner als der Abstand zwischen der zweiten ringförmigen Fläche und dem zweiten stirnseitigen Ende der Rotorwelle ist. Der Vorsprung kann derart angeordnet sein, dass die erste ringförmige Fläche in Bezug auf das erste stirnseitige Ende versetzt, insbesondere nach innen versetzt, ausgerichtet bzw. angeordnet ist. Alternativerweise kann die Stirnfläche des ersten stirnseitigen Endes der Rotorwelle zumindest teilweise durch die erste ringförmige Fläche des Vorsprungs ausgebildet sein.
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In Bezug auf eine Längsachse der Rotorwelle kann die Geberkontur bevorzugterweise auch auf einer Fläche angeordnet sein, welche sich entlang und beabstandet bzw. parallel zur Längsachse erstreckt. Die Geberkontur kann in die Umfangsseite bzw. in die umfängliche Seitenfläche der Rotorwelle integriert sein. Beispielsweise kann die Geberkontur in die Umfangsseite eingeprägt und/oder auf die Umfangsseite aufgeprägt sein. Dabei ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die Geberkontur abschnittsweise, das heißt in einem Abschnitt entlang der Längsachse der Rotorwelle, angeordnet ist. Ganz bevorzugterweise ist die Geberkontur in diesem Abschnitt vollumfänglich auf der Umfangsseite um die Rotorwelle herum angeordnet. Beispielsweise kann die Geberkontur tangential, d.h. entlang des Umfangs der Rotorwelle angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß ist ferner eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem sich relativ zum Stator bewegenden Rotor vorgesehen, wobei die elektrische Maschine ein vorbeschriebenes Rotorlagesystem aufweist.
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Erfindungsgemäß ist ferner ein Rotor für eine elektrische Maschine vorgesehen, wobei eine mit einem Sensor in Wirkverbindung stehende Geberkontur in eine Rotorwelle des Rotors integriert ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen schematisch:
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1: eine abschnittsweise Darstellung einer Rotorwelle mit integrierter Geberkontur, und
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2: eine elektrische Maschine mit in einer Rotorwelle eines Rotors integrierter Geberkontur.
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1 zeigt eine abschnittsweise Darstellung einer Rotorwelle 13 mit integrierter Geberkontur 12. Der Sensor 11 des Rotorlagesystems 100 ist der besseren Übersicht halber in 1 nicht dargestellt.
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Im Bereich eines ersten stirnseitigen Endes 20 der Rotorwelle 13 ist vollumfänglich um die Rotorwelle 13 herum ein scheibenförmiger Vorsprung 17 angeordnet. Der scheibenförmige Vorsprung 17 ist radial zur Längsachse 15 der Rotorwelle 13 angeordnet und erstreckt sich radial von der Umfangsseite 16 der Rotorwelle 13. Der Vorsprung 17 ist Teil der Rotorwelle 13 und einstückig mit dieser ausgebildet. Der Vorsprung 17 ist somit kein separates mit einer Rotorwelle 13 verbundenes Bauteil.
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Durch den scheibenförmigen Vorsprung 17 werden zwei im Wesentlichen gegenüberliegende und parallel zueinander angeordnete ringförmige Flächen 18, 19, nämlich eine erste ringförmige Fläche 18 und eine zweite ringförmige Fläche 19, ausgebildet. Die erste ringförmige Fläche 18 ist zum ersten stirnseitigen Ende 20 der Rotorwelle 13 hin gerichtet und zeigt somit nach außen. Die zweite ringförmige Fläche 19 ist nach innen beziehungsweise zum zweiten stirnseitigen Ende 21 hin ausgerichtet. Auf der ersten ringförmigen Fläche 18 ist die Geberkontur in den Vorsprung 17 und somit in die Rotorwelle 13 integriert. Grundsätzlich kann die Geberkontur 12 jede geeignete Form und Ausgestaltung aufweisen. In dem in 1 gezeigten Beispiel sind in der ersten ringförmigen Fläche 18 des Vorsprungs 17 beabstandet zueinander angeordnete Vertiefungen vorgesehen, welche die Geberkontur 12 ausbilden.
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2 zeigt eine elektrische Maschine 200 mit einem Rotor 10. Der Stator der elektrischen Maschine 200 ist der besseren Übersicht halber in 2 nicht dargestellt. In einem Gehäuse 14 ist die Rotorwelle 13 mittels einer geeigneten Lagerung 22 gelagert. Die Rotorwelle 13 bzw. der Rotor 10 ist dabei um dessen Längsachse 15 drehbar.
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Statisch und somit nicht beweglich ist beabstandet zur Rotorwelle 13 ein Sensor 11 des Rotorlagesystems 100 vorgesehen. Der Sensor 11 steht in Wirkverbindung mit der in die Rotorwelle 13 integrierten Geberkontur 12. In dem in 2 gezeigten Beispiel ist die Geberkontur 12 wie auch in 1 in einen scheibenförmigen Vorsprung 17 integriert. Insbesondere ist die Geberkontur 12 dabei auf einer ersten ringförmigen Fläche 18 des Vorsprungs 17 vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Rotorlagesystem
- 200
- Elektrische Maschine
- 10
- Rotor
- 11
- Sensor
- 12
- Geberkontur
- 13
- Rotorwelle
- 14
- Gehäuse
- 15
- Längsachse der Rotorwelle
- 16
- Umfangsseite der Rotorwelle
- 17
- Vorsprung
- 18
- Erste ringförmige Fläche
- 19
- Zweite ringförmige Fläche
- 20
- Erstes stirnseitiges Ende der Rotorwelle
- 21
- Zweites stirnseitiges Ende der Rotorwelle
- 22
- Lagerung der Rotorwelle im Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004033082 A1 [0006]
- DE 102012205760 A1 [0007]
- DE 202012002027 U1 [0008]
