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Stand der Technik
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Es ist bereits eine Drehvorrichtung bekannt, welche ein Statorelement, ein Rotorelement und eine Lagebestimmungseinheit aufweist, welche zur Bestimmung einer Drehlage zwischen dem Statorelement und dem Rotorelement vorgesehen und als ein sogenannter Resolver ausgebildet ist. Der Resolver weist zwei erste Induktivitäten, welche zueinander versetzt und um 90° verdreht an dem Stator angeordnet sind, und eine zweite an dem Rotor angeordnete Induktivität auf. Die Drehlagebestimmung erfolgt bei dem Resolver dadurch, dass an den ersten Induktivitäten zwei zueinander um π/2 phasenverschobene Wechselspannungen angelegt werden und diese ersten Induktivitäten mit der zweiten Induktivität induktiv koppeln. Die Drehlage ist abhängig von einer Phasenverschiebung der Wechselspannungen an den ersten Induktivitäten relativ zu einer an der zweiten Induktivität gemessenen Wechselspannung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht dabei aus von einer Drehvorrichtung mit zumindest einem Statorelement, zumindest einem Rotorelement und einer Lagebestimmungseinheit, welche zumindest eine, insbesondere genau eine, an dem Statorelement angeordnete erste Induktivität und wenigstens eine, insbesondere genau eine, an dem Rotorelement angeordnete, mit der ersten Induktivität zumindest zeitweise induktiv gekoppelte zweite Induktivität umfasst und welche dazu vorgesehen ist, zumindest die erste Induktivität zu einer relativen Drehlagebestimmung zwischen dem Statorelement und dem Rotorelement mit wenigstens einem Eingangssignal, insbesondere einer Wechselspannung und/oder einem Wechselstrom, zu beaufschlagen.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Lagebestimmungseinheit dazu vorgesehen ist, zur Drehlagebestimmung zumindest ein Ausgangssignal, insbesondere ein elektrisches Ausgangssignal, vorteilhaft einen zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals, vorzugsweise eine Wechselspannung, einen Wechselstrom, bevorzugt eine Amplitude der Wechselspannung und/oder des Wechselstroms und insbesondere eine Phasenverschiebung, insbesondere zwischen Wechselstrom und Wechselspannung, an der ersten Induktivität, vorzugsweise nur an der ersten Induktivität, vorteilhaft nur an weiteren ersten Induktivitäten, zu messen.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Lagebestimmungseinheit wenigstens ein Schaltelement aufweist, welches an dem Rotorelement angeordnet und mit der zweiten Induktivität elektrisch verbunden ist.
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Unter einer „Drehvorrichtung” soll hier insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche zumindest ein erstes und wenigstens ein zweites, sich relativ zum ersten Element drehbares Element aufweist. Die Drehvorrichtung ist vorzugsweise zumindest teilweise Teil eines Motors, besonders bevorzugt eines Elektromotors, und kann insbesondere zumindest teilweise auch Teil einer Ansteuerungseinheit des Motors, besonders bevorzugt des Elektromotors, sein. Unter „vorgesehen” soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Unter dem Begriff „Rotorelement” soll insbesondere ein drehbar gelagertes Element, insbesondere eines Motors, vorzugsweise eines Elektromotors, verstanden werden. Unter dem Begriff „Statorelement” soll insbesondere ein unbewegliches Element, vorzugsweise ein Lager, insbesondere eines Motors, vorzugsweise eines Elektromotors, verstanden werden. insbesondere kann die Drehvorrichtung mehrere Rotorelemente und/oder Statorelemente aufweisen.
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Unter einer „Induktivität” soll hier insbesondere ein elektrisches Bauteil verstanden werden, welches zumindest einen elektrischen Leiter aufweist, welcher insbesondere wenigstens eine Windung aufweist, welcher insbesondere zu einer induktiven Koppelung vorgesehen ist und welcher insbesondere in zumindest einem Betriebszustand dazu vorgesehen ist, von vorzugsweise hochfrequentem Wechselstrom durchflossen zu werden. Die Induktivität kann insbesondere als eine Spule, vorzugsweise in Form eines Zylinders und/oder einer Kreisscheibe, ausgebildet sein. Die Induktivität kann insbesondere ferner als eine einstellbare Induktivität ausgebildet sein. Die Lagebestimmungseinheit weist insbesondere zumindest eine Transformatoreinheit auf, welche zumindest einen Transformator umfasst. Zumindest die erste und zumindest die zweite Induktivität sind insbesondere dazu vorgesehen, zumindest zeitweise, vorzugsweise abhängig von einer relativen Drehlage und besonders bevorzugt abhängig von einer induktiven Kopplung, den Transformator auszubilden. Die erste Induktivität bildet insbesondere zumindest eine Primärinduktivität des Transformators. Die zweite Induktivität bildet insbesondere zumindest eine Sekundinduktivität des Transformators. Insbesondere weist die Lagebestimmungseinheit zumindest einen ersten Schaltkreis auf, welcher mit der ersten Induktivität elektrisch verbunden ist und welcher insbesondere zumindest teilweise einen Primärschaltkreis der Transformatoreinheit ausbildet. Die erste Induktivität ist insbesondere eine Primärspule. Unter einem „Primärschaltkreis” und/oder einer „Primärinduktivität” soll insbesondere ein Schaltkreis und/oder eine Induktivität verstanden werden, welcher und/oder welche mit einer elektrischen Energieversorgung elektrisch leitend verbunden ist. Insbesondere weist die Lagebestimmungseinheit zumindest einen zweiten Schaltkreis auf, welcher mit der zweiten Induktivität elektrisch verbunden ist und welcher insbesondere einen Sekundärschaltkreis der Transformatoreinheit ausbildet. Die zweite Induktivität ist insbesondere eine Sekundärinduktivität. Unter einem „Sekundärschaltkreis” und/oder einer „Sekundärinduktivität” soll insbesondere ein Schaltkreis und/oder eine Induktivität verstanden werden, welcher und/oder welche dazu vorgesehen ist, über einen Primärschaltkreis und/oder eine Primärinduktivität induktiv gekoppelt mit Energie versorgt zu werden, und welcher und/oder welche insbesondere nicht mit einer elektrischen Energieversorgung elektrisch leitend verbunden ist. Der Primärschaltkreis ist insbesondere zumindest teilweise, vorzugsweise zu wenigstens einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig an dem Statorelement angeordnet. Unter dem Ausdruck „zu wenigstens einem Großteil” sollen dabei insbesondere mehr als 50%, vorteilhaft mehr als 65%, vorzugsweise mehr als 75%, besonders bevorzugt mehr als 85% und besonders vorteilhaft mehr als 95% der Elemente und/oder Bauteile eines Schaltkreises verstanden werden. Der Sekundärschaltkreis ist insbesondere zumindest teilweise, vorzugsweise zu wenigstens einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig an dem Rotorelement angeordnet. Die erste Induktivität und die zweite Induktivität und/oder der Primärschaltkreis und der Sekundärschalkreis sind insbesondere voneinander elektrisch isoliert und insbesondere nicht elektrisch leitend miteinander verbunden.
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Unter einer „elektrisch leitenden Verbindung” soll insbesondere eine elektrische Verbindung zwischen zwei Punkten und/oder Kontakten verstanden werden, welche eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 10–3 S/m, vorzugsweise von mindestens 10 S/m, bevorzugt von mindestens 103 S/m und besonders bevorzugt von mindestens 106 S/m bei 20°C aufweist. Unter „elektrisch isoliert” soll insbesondere eine Verbindung verstanden werden welche eine elektrische Leitfähigkeit von maximal 10–4 S/m, vorzugsweise von maximal 10–6 S/m, bevorzugt von maximal 10–8 S/m und besonders bevorzugt von maximal 10–10 S/m bei 20° aufweist.
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Die Drehvorrichtung weist vorzugsweise eine Steuereinheit auf. Unter einer „Steuereinheit” soll insbesondere eine elektronische Einheit verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, zumindest die Lagebestimmungseinheit, eine Versorgungseinheit, eine Messeinheit und insbesondere das Statorelement und/oder das Rotorelement zu steuern und/oder zu regeln. Vorzugsweise umfasst die Steuereinheit eine Recheneinheit und insbesondere zusätzlich zur Recheneinheit eine Speichereinheit mit einem darin gespeicherten Steuer- und/oder Regelprogramm, das dazu vorgesehen ist, von der Recheneinheit ausgeführt zu werden. Die Drehvorrichtung weist insbesondere eine Versorgungseinheit auf, welche insbesondere dazu vorgesehen ist, zumindest ein weiteres Bauteil der Drehvorrichtung, vorzugsweise die Lagebestimmungseinheit und bevorzugt alle von der Versorgungseinheit verschiedenen Bauteile der Drehvorrichtung mit Energie zu versorgen, und mittels welcher die Lagebestimmungseinheit zumindest die erste, vorzugsweise nur die erste, Induktivität in zumindest einem Betriebszustand mit dem Eingangssignal beaufschlagt. Vorzugsweise ist das Eingangssignal zumindest teilweise verschieden von einem Ansteuerungssignal eines Elektromotors ausgebildet. Darunter, dass ein Eingangssignal zumindest teilweise von einem Ansteuersignals verschieden ist, soll insbesondere verstanden werden, dass eine Frequenz des Eingangssignal wenigstens 2 mal, vorzugsweise wenigstens 5 mal, bevorzug wenigstens 10 mal und besonders bevorzugt wenigstens 25-mal so groß wie eine Frequenz des Ansteuersignals ist. Insbesondere ist eine Amplitude des Eingangssignals wenigstens 2 mal, vorzugsweise wenigstens 5 mal, bevorzug wenigstens 10 mal und besonders bevorzugt wenigstens 25 mal kleiner als eine Amplitude des Ansteuersignals. Das Eingangssignal kann insbesondere auf das Ansteuersignal moduliert sein. Die Versorgungseinheit ist insbesondere zumindest mit der ersten Induktivität elektrisch leitend verbunden. Die Versorgungseinheit ist dabei insbesondere dazu vorgesehen, die erste Induktivität mit einem Eingangssignal, insbesondere eine elektrische Spannung und/oder einen elektrischen Strom, vorzugsweise eine elektrische Wechselspannung und/oder ein elektrischen Wechselstrom zur Verfügung zu stellen und/oder zu beaufschlagen.
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Die Lagebestimmungseinheit weist insbesondere eine Messeinheit auf, welche zumindest zur Bestimmung des Ausgangssignals vorgesehen ist. Insbesondere dann, wenn die Lagenbestimmungseinheit insbesondere mittels der Versorgungseinheit die erste Induktivität mit einem von der Steuereinheit vorgegebenen Eingangssignal beaufschlägt, ist vorteilhaft die Messung des Ausgangssignals ausreichend zur Drehlagebestimmung. Die Messeinheit ist insbesondere elektrisch leitend zumindest mit der ersten, insbesondere nur mit der ersten, Induktivität verbunden. Die Messeinheit weist insbesondere zumindest ein Spannungsmesselement und/oder zumindest ein Strommesselement auf. Die Messeinheit, insbesondere das Spannungsmesselement, kann insbesondere zumindest teilweise parallel zu der ersten Induktivität geschaltet sein. Die Messeinheit, insbesondere das Strommesselement, kann insbesondere zumindest teilweise in Reihe zu der ersten Induktivität geschaltet sein. Die Messeinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, das Ausgangssignal und/oder das Eingangssignal, insbesondere ein elektrisches Ausgangssignal und/oder Eingangssignal, vorteilhaft einen Signalverlauf des Eingangssignals und/oder des Ausgangssignals, vorzugsweise eine Wechselspannung, einen Wechselstrom, eine Amplitude der Wechselspannung und/oder des Wechselstroms und insbesondere eine Phasenverschiebung zwischen Eingangssignal und/oder Ausgangssignal und insbesondere zwischen Wechselstrom und Wechselspannung zu messen.
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Das Schaltelement ist vorzugsweise als eine Diode, bevorzugt als eine Halbleiterdiode und besonders bevorzugt als eine Schalterdiode ausgebildet. Das Schaltelement ist vorzugsweise direkt elektrisch mit der zweiten Induktivität verbunden. Das Schaltelement ist vorteilhaft dazu vorgesehen, ein Zwischensignal, insbesondere ein elektrisches Zwischensignal, welches insbesondere von dem Eingangssignal abhängig und vorteilhaft von der ersten Induktivität in die zweite Induktivität induziert ist und von welchem insbesondere das Ausgangssignal abhängig ist, welches insbesondere von dem Zwischensignal, insbesondere von der zweiten Induktivität in die erste Induktivität, rückinduziert ist, zu schalten. Das Schaltelement ist weiter vorteilhaft dazu vorgesehen, das Zwischensignal abhängig von einer Drehlage des Rotorelements, der zweiten Induktivität und/oder des Schaltelements zu schalten und insbesondere das Ausgangssignal zu variieren. Insbesondere unterscheidet sich das Ausgangssignal, welches zumindest teilweise von dem Schaltelement variiert ist, von dem Eingangssignal, durch eine Asymmetrie. Eine erste Halbwelle des Ausgangssignals ist insbesondere von einer auf die erste Halbwelle direkt folgende zweite Halbwelle verschieden und weist vorzugsweise eine betragsmäßig größere und/oder kleinere Amplitude auf als die erste Halbwelle. Das Ausgangssignal unterscheidet sich insbesondere abhängig von einer Drehlage des Rotorelements, der zweiten Induktivität und/oder des Schaltelements durch die Asymmetrie. Abhängig von einer Drehlage weist das Ausgangssignal im Winkelbereich zwischen 270° und 90° eine Phasenverschiebung von π zu einem Ausgangssignal einer Drehlage zwischen 90° und 270° auf.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Vorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer Effizienz, insbesondere einer Kosteneffizienz, einer Bauteileffizienz und/oder einer Messeffizienz, bereitgestellt werden. Insbesondere kann eine Bauteileffizienz dadurch gesteigert werden, dass das Ausgangssignal an der ersten Induktivität gemessen werden kann und zusätzliche Messeinheiten an der zweiten Induktivität vermieden werden können. Auch kann eine Konstruktion vereinfacht werden, da sich bewegende Bauteile vermieden werden können. Ferner kann eine Lagebestimmungseinheit, welche sonst nur zu einer Drehlagebestimmung über einen Winkelbereich von 180° vorgesehen ist, bauteileffizient zu einer Drehlagebestimmung über einen Winkelbereich von 360° erweitert werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Lagebestimmungseinheit wenigstens einen, insbesondere genau einen, Verbraucher aufweist, welcher mit der zweiten Induktivität elektrisch leitend verbunden und dazu vorgesehen ist, bei einer zumindest zeitweisen induktiven Kopplung der Induktivitäten eine elektrische Leistung aufzunehmen. Insbesondere ist der Verbraucher zumindest von den Induktivitäten verschieden ausgebildet. Hierdurch kann bauteileffizient durch Messung an der ersten Induktivität bei einer induktiven Kopplung eine abfallende Leistung, welche zum Betrieb des Verbrauchers notwendig ist, bestimmt werden. Vorteilhaft kann durch eine geeignete Wahl des Widerstands und damit der an dem Widerstand abfallenden Leistung eine Messgenauigkeit verbessert werden.
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Es wird ferner vorgeschlagen, dass die zweite Induktivität zumindest teilweise in einem Nahbereich einer Drehachse des Rotorelements angeordnet ist. Unter einem „Nahbereich” soll insbesondere ein räumlicher Bereich verstanden werden, welcher aus Punkten gebildet ist, die weniger als 20%, vorzugsweise weniger als 10% und bevorzugt weniger als 5% einer Haupterstreckung des Statorelements von einem Referenzpunkt und/oder einem Referenzbauteil, insbesondere der Drehachse des Rotorelements, entfernt sind und/oder die jeweils einen Abstand von höchstens 10 mm, vorzugsweise von höchstens 5 mm und besonders bevorzugt von höchstens 1 mm von dem Referenzpunkt und/oder dem Referenzbauteil, insbesondere der Drehachse des Rotorelements, aufweisen. Unter einer ”Haupterstreckung” eines Objekts soll insbesondere eine Länge einer längsten Kante eines kleinsten gedachten geometrischen Quaders verstanden werden, welcher das Objekt gerade noch vollständig umschließt. Insbesondere ist die zweite Induktivität so angeordnet, dass diese bei einer Rotation des Rotorelements um die Drehachse wenigstens eine zweizählige Rotationssymmetrie aufweist. Vorzugsweise ist die zweite Induktivität so angeordnet, dass die Drehachse des Rotorelements durch einen geometrischen Mittelpunkt und/oder einen Schwerpunkt der Induktivität verläuft. Hierdurch kann eine kosteneffiziente Drehlagebestimmung über einen Winkelbereich von 180° erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zweite Induktivität zumindest teilweise in einem von einer Drehachse des Rotorelements wesentlich beabstandeten Bereich angeordnet ist. Die zweite Induktivität ist insbesondere außerhalb eines Nahbereichs der Drehachse des Rotorelements angeordnet. Insbesondere ist die zweite Induktivität so angeordnet, dass die Drehachse des Rotorelements nicht durch einen geometrischen Mittelpunkt und/oder ein Schwerpunkt der zweiten Induktivität und insbesondere die zweite Induktivität selbst verläuft. Hierdurch kann eine kosteneffiziente Bestimmung einer Drehlage über einen Winkelbereich von 360° erreicht werden.
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Es wird weiter vorgeschlagen, dass die Lagebestimmungseinheit dazu vorgesehen ist, die Drehlage abhängig von zumindest einem Signalverlauf und/oder zumindest einer Amplitude des Ausgangssignals und/oder abhängig von zumindest einer Phasenverschiebung des Ausgangssignals relativ zum Eingangssignal, insbesondere einer Amplitude des Eingangssignals, zu bestimmen. Die Steuereinheit der Drehvorrichtung ist insbesondere dazu vorgesehen, die Drehlage insbesondere auf Basis der Messung der Messeinheit zu bestimmen. Insbesondere nutzt die Steuereinheit die gewonnene Information der Drehlage, um das Statorelement und/oder das Rotorelement für einen Betrieb in zumindest einem Betriebszustand optimiert anzusteuern. Die Drehlage ist insbesondere proportional zu der Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung des Eingangssignals und dem Wechselstrom des Ausgangssignals und insbesondere zu einem Amplitudenverhältnis der Wechselspannung und des Wechselstroms. Hierdurch kann die Drehlagebestimmung zu einer effizienten Ansteuerung des Rotorelements und/oder des Statorelements und insbesondere des Elektromotors genutzt werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Lagebestimmungseinheit wenigstens einen Filter aufweist, welcher mit der zweiten Induktivität elektrisch leitend verbunden ist. Der Filter ist insbesondere ein Hardwarefilter und weist insbesondere zumindest einen Bandpass, Tiefpass und/oder Hochpass auf. Insbesondere ist der Filter auf die Frequenz des Eingangssignals abgestimmt und ist vorteilhaft dazu vorgesehen, von Störfeldern, insbesondere Störfeldern eines Elektromotors eingekoppelte Signalanteile zu verringern. Vorzugsweise ist der Frequenzfilter ein variabler Filter, dessen Grenzfrequenzen und/oder Frequenzbandbreite an das Eingangssignal angepasst werden können. Insbesondere kann der Filter mehrere vorteilhaft parallel geschaltete Filterelemente mit verschiedenen Grenzfrequenzen und/oder Frequenzbandbreiten aufweisen, welche insbesondere dazu vorgesehen sind, einen Betrieb mittels verschiedener erster Induktivitäten, welche insbesondere mit Eingangssignalen unterschiedlicher Frequenz und/oder Frequenzbandbreiten beaufschlagt sind, zu ermöglichen. Hierdurch können Einflüsse von Störfeldern vermindert und damit eine Effizienz der Drehlagebestimmung verbessert werden. Ferner kann eine gezielte Trennung zwischen einem Steuersignal eines Elektromotors und dem Eingangs- und/oder Ausgangssignal der Lagebestimmungseinheit erreicht werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zumindest eine der Induktivitäten als eine Antriebspule eines Elektromotors ausgebildet ist. Vorzugsweise ist/sind die erste Induktivität, besonders vorteilhaft nur die erste Induktivität und besonders bevorzugt nur die ersten Induktivitäten, als eine Antriebsspule und/oder Antriebsspulen des Elektromotors ausgebildet. Insbesondere kann vorgesehen sein, zur Nachrüstung der Lagebestimmungseinheit an einem bestehenden Elektromotor zumindest die zweite Induktivität an dem Rotorelement des Elektromotors anzuordnen. Hierdurch kann eine besonders effiziente Integrierung und/oder Nachrüstung der Lagebestimmungseinheit in bereits bestehende Elektromotorsysteme erfolgen. Insbesondere kann zusätzlich eine Bauteilersparnis und eine kompakte Bauweise erreicht werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Lagebestimmungseinheit weitere erste Induktivitäten aufweist. Insbesondere weisen die erste Induktivität und die weitere erste Induktivität voneinander getrennte elektrische Schaltkreise auf, welche insbesondere zumindest im Wesentlichen identisch zueinander ausgebildet sind. Vorzugsweise können die erste und die weitere erste Induktivität mit Eingangssignalen unterschiedlicher Frequenzen und/oder Phasenlagen zueinander betrieben werden. Hierdurch kann Effizienz der Genauigkeit der Drehlagebestimmung weiter erhöht werden.
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Die Erfindung geht ferner aus von einem Verfahren mit einer Drehvorrichtung, wobei eine relative Drehlage zwischen dem Statorelement und dem Rotorelement durch Beaufschlagung der ersten Induktivität mit zumindest einem Eingangssignal bestimmt wird.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Drehlage durch Messung zumindest eines Ausgangssignals an der ersten Induktivität gemessen wird.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Drehlage bestimmt wird, indem ein Zwischensignal mittels eines Schaltelements der Lagebestimmungseinheit, welches elektrisch leitend mit der zweiten Induktivität verbunden ist, variiert wird.
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Hierdurch kann eine Effizienz, insbesondere eine Kosteneffizienz, eine Bauteileffizienz und/oder eine Messeffizienz, gesteigert werden.
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Die erfindungsgemäße Drehvorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Drehvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
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1 eine Drehvorrichtung mit einer Lagebestimmungseinheit in einer schematischen Darstellung,
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2 einen Teil der Drehvorrichtung in einer schematischen Draufsicht,
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3 beispielhafte Kurvenverläufe eines Eingangssignals und eines Ausgangssignals der Lagebestimmungseinheit,
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4 einen Teil einer weiteren Drehvorrichtung in einer schematischen Draufsicht und
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5 eine alternative Drehvorrichtung mit einer weiteren Lagebestimmungseinheit in einer schematische Darstellung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer Drehvorrichtung gezeigt. Die Drehvorrichtung ist Teil eines Elektromotors 48a (hier nicht dargestellt, vgl. 2). Die Drehvorrichtung weist ein Statorelement 10a (hier schematisch dargestellt, vgl. 2) auf. Die Drehvorrichtung weist ein Rotorelement 12a (hier schematisch dargestellt, vgl. 2) auf. Alternativ oder zusätzlich kann die Drehvorrichtung weitere Statorelemente 10a und Rotorelemente 12a umfassen. Ferner weist die Drehvorrichtung eine Lagebestimmungseinheit 14a auf. Die Lagebestimmungseinheit 14a weist im vorliegenden Fall einen ersten Schaltkreis 50a auf. Ferner weist die Lagebestimmungseinheit 14a einen zweiten Schaltkreis 52a auf. Die Schaltkreise 50a, 52a sind voneinander getrennt ausgebildet. Die Schaltkreise 50a, 52a sind voneinander elektrisch isoliert und/oder nicht elektrisch leitend miteinander verbunden. Alternativ kann die Lagebestimmungseinheit 14a jedoch auch eine von der hier dargestellten Anzahl an Schaltkreisen 50a, 52a abweichende Anzahl aufweisen. Der erste Schaltkreis 50a ist zumindest teilweise an dem Statorelement 10a angeordnet. Die Drehvorrichtung weist eine Steuereinheit 54a auf. Die Steuereinheit kann als ein Mikro-Controller ausgebildet sein. Die Drehvorrichtung weist eine Versorgungseinheit 56a auf. Die Steuereinheit 54a ist über eine Steuerleitung mit der Versorgungseinheit 56a verbunden. Die Lagebestimmungseinheit 14a ist dazu vorgesehen, mittels der Versorgungseinheit 56a zumindest eine erste Induktivität 16a der Lagebestimmungseinheit 14a mit einem Eingangssignal 34a (vgl. 3) zu beaufschlagen. Das Eingangssignal 34a weist insbesondere einen Frequenzbereich auf, welcher für einen Fachmann bekannterweise keine und/oder eine geringe Störenergie aufweisen.
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Die Lagebestimmungseinheit 14a weist eine Messeinheit 58a auf. Die Messeinheit 58a ist zur Bestimmung des Eingangssignals 34a und/oder eines Ausgangssignals 36a, 37a (vgl. 3) der Lagebestimmungseinheit 14a vorgesehen. Die Messeinheit 58a weist ein Strommesselement 60a auf. Ferner weißt die Messeinheit 58a ein Spannungsmesselement 62a auf. Die Messeinheit 58 ist über zwei Datenleitungen mit der Steuereinheit 54a verbunden. Die Messeinheit 58a und die Steuereinheit 54a weisen eine Anzahl an Datenleitungen auf, die gleich der doppelten Anzahl an ersten Induktivitäten 16a der Lagebestimmungseinheit 14a ist. Im vorliegenden Fall weisen die Messeinheit 58a und die Steuereinheit 54a zwei Verbindungen auf. Jeweils eine der Datenverbindungen zwischen Messeinheit 58a und Steuereinheit 54a ist für eine Übertragung der Spannungsmessung des Spannungsmesselements 62a und eine zur Übertragung der Strommessung des Strommesselements 60a vorgesehen. Die Messeinheit 58a ist auf eine für einen Fachmann bekannte Art und Weise zur Messung von Strom und/oder Spannungsmessung mit der Versorgungseinheit 56a und der ersten Induktivität 16a verschaltet und/oder mit diesen verbunden.
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Die Lagebestimmungseinheit 14a weist die erste Induktivität 16a auf. Die erste Induktivität 16a ist Teil des ersten Schaltkreises 50a. Die erste Induktivität 16a ist an dem Statorelement 10a angeordnet. Zusätzlich ist es denkbar, dass der erste Schaltkreis 50a vollständig an dem Statorelement 10a angeordnet ist. Die erste Induktivität 16a ist als eine Spule ausgebildet. Zusätzlich und/oder alternativ kann die erste Induktivität 16a als eine Antriebspule des Elektromotors 48a ausgebildet sein.
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Der zweite Schaltkreis 52a der Lagebestimmungseinheit 14a ist zumindest teilweise an dem Rotorelement 12a der Drehvorrichtung angeordnet. Im vorliegenden Fall ist der zweite Schaltkreis 52a vollständig an dem Rotorelement 12a angeordnet. Die Lagebestimmungseinheit 14a weist eine zweite Induktivität 22a auf. Die zweite Induktivität 22a ist Teil des zweiten Schaltkreises 52a. Die zweite Induktivität 22a ist an dem Rotorelement 12a angeordnet. Es ist insbesondere auch denkbar, dass nur die zweite Induktivität 22a des zweiten Schaltkreises 52a an dem Rotorelement 12a angeordnet ist. Weitere Komponenten des zweiten Schaltkreises 52a können auch an einem von dem Rotorelement 12a verschiedenen Objekt angeordnet sein. Die erste Induktivität 16a ist mit der zweiten Induktivität 22a induktiv gekoppelt. Die erste Induktivität 16a und die zweite Induktivität 22a bilden eine Transformatoreinheit 53a der Lagebestimmungseinheit 14a aus. Die erste Induktivität 16a ist als eine Primärinduktivität der Transformationseinheit 53a ausgebildet. Die zweite Induktivität 22a ist als eine Sekundärinduktivität der Transformationseinheit 53a ausgebildet. Ferner bildet der erste Schaltkreis 50a einen Primärschaltkreis der Transformationseinheit 53a aus. Der zweite Schaltkreis 52a bildet einen Sekundärschaltkreis der Transformationseinheit 53a aus.
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Ferner weist die Lagebestimmungseinheit 14a einen Filter 46a auf. Der Filter 46a ist Teil des zweiten Schaltkreises 52a. Im vorliegenden Fall ist der Filter 46a an dem Rotorelement 12a angeordnet. Der Filter 46a ist mit der zweiten Induktivität 22a in Reihe geschaltet. Der Filter 46a ist im vorliegenden Fall als ein Hardwarefilter ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ kann der Filter 46a auch als ein Softwarefilter ausgebildet sein. Der Filter 46a weist Grenzfrequenzen und/oder eine Frequenzbandbreite auf, welche an das Eingangssignal 34a angepasst sind. Eigenschaften des Filters 46a und des Eingangssignals 34a können von einem Fachmann dabei so aufeinander abgestimmt werden, dass Störeinflüsse vermieden und/oder minimiert werden können.
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Die Lagebestimmungseinheit 14a weist einen Verbraucher 26a auf. Der Verbraucher 26a ist an dem Rotorelement 12a angeordnet. Der Verbraucher 26a ist Teil des zweiten Schaltkreises 52a. Der Verbraucher 26a ist mit dem Filter 46a in Reihe geschaltet. Der Verbraucher 26a ist dazu vorgesehen, bei zeitweise induktiver Kopplung der Induktivitäten 16a, 22a eine elektrische Leistung aufzunehmen. Der Verbraucher 26a ist im vorliegenden Fall als ein Widerstand ausgebildet. Der Verbraucher 26a kann vorteilhaft als ein regelbarer Widerstand ausgebildet sein und insbesondere ein Widerstandsnetzwerk aufweisen. Die Lagebestimmungseinheit 14a weist ein Schaltelement 24a auf. Das Schaltelement 24a ist am Rotorelement 12a angeordnet. Das Schaltelement 24a ist Teil des zweiten Schaltkreises 52a. Das Schaltelement 24a ist mit dem Verbraucher 26a in Reihe geschaltet. Im vorliegenden Fall ist das Schaltelement 24a als eine Diode ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ kann das Schaltelement 24a aber auch als ein beliebiges einem Fachmann bekanntes Schaltelement 24a ausgebildet sein. Im vorliegenden Fall ist das Schaltelement 24a im Uhrzeigersinn des zweiten Schaltkreises 52a in Sperrrichtung geschaltet. Alternativ kann das Schaltelement 24a im Uhrzeigersinn des zweiten Schaltkreises 52a auch in Durchlassrichtung geschaltet sein.
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In 2 ist einen Teil der Drehvorrichtung in einer schematischen Draufsicht gezeigt. Die zweite Induktivität 22a ist in einem Nahbereich 28a einer Drehachse 30a eines Rotorelements 12a angeordnet. Im vorliegenden Fall ist die zweite Induktivität 22a so angeordnet, dass diese bei einer Rotation des Rotorelements 12a um eine Drehachse 30a wenigstens eine zweizählige Rotationssymmetrie aufweist. Die zweite Induktivität 22a ist so angeordnet, dass die Drehachse 30a durch einen geometrischen Mittelpunkt und/oder ein Schwerpunkt der zweiten Induktivität 22a verläuft. Im vorliegenden Fall kann mittels des zweiten Schaltkreises 52a eine Bestimmung der Drehlage über 360° erfolgen. Alternativ kann im zweiten Schaltkreis 52a das Schaltelement 24a (vgl. 1) eingespart werden, wobei dann nur eine Bestimmung der Drehlage über 180° erfolgen kann.
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In 3 ist ein beispielhafter Kurvenverlauf des Eingangssignals 34a und des Ausgangssignals 36a dargestellt. Eine vertikale Achse stellt eine Größenachse dar. Eine horizontale Achse stellt eine Zeitachse dar. Das Eingangssignal 34a ist im vorliegenden Fall eine Wechselspannung. Alternativ kann das Eingangssignal 34a auch ein Wechselstrom sein. Das Ausgangssignal 36a ist im vorliegenden Fall ein Wechselstrom. Alternativ könnte das Ausgangssignal 36a auch eine Wechselspannung sein. Die Messeinheit 58a ist dazu vorgesehen, den zeitlichen Verlauf des Eingangssignals 34a und/oder des Ausgangssignals 36a zu messen. Im Folgenden wird der Begriff einer Amplitude gleichgesetzt mit dem Begriff eines Betrags einer Amplitude verwendet. Das Amplitudenverhältnis der Amplitude 38a des Eingangssignals 34a und der Amplitude 40a des Ausgangssignals 36a ist abhängig von der induktiven Kopplung der ersten und der zweiten Induktivitäten 16a, 22a. Ferner ist die Phasenverschiebung 42a zwischen Eingangssignal 34a und Ausgangssignal 36a abhängig von der induktiven Kopplung zwischen den ersten und den zweiten Induktivitäten 16a, 22a. Im Idealfall liegt die Phasenverschiebung 42a zwischen Eingangssignal 34a und Ausgangssignal 36a zwischen Null und π/2. Bei einer idealen Kopplung der Induktivitäten 16a, 22a ist die Phasenverschiebung 42a zumindest im Wesentlichen größer Null. Ideale Kopplung tritt bei einer Drehlage von 0° und/oder 180° auf. Tritt idealerweise keine Kopplung auf ist die Phasenverschiebung 42a zumindest im Wesentlichen kleiner als π/2. Keine Kopplung tritt idealerweise bei einer Drehlage von 90° und/oder 270° auf. Unter Berücksichtigung von intrinsischen Widerständen und durch den Verbraucher 26a ist die Phasenverschiebung 42a bei einer realen besten Kopplung wenigstens größer als π/4. Unter Berücksichtigung von intrinsischen Widerständen und durch den Verbraucher 26a ist die Phasenverschiebung 42a bei einer realen möglichst geringen Kopplung kleiner als π/2. Das Schaltelement 24a sorgt je nach Ausrichtung der Induktivitäten 16a, 22a zusätzlich zu einer Asymmetrie des Ausgangssignals 36a. Die Amplitude 40a der ersten Halbwelle des Ausgangssignal 36a ist kleiner als eine Amplitude 39a einer zweiten Halbwelle des Ausgangssignals 36a. Dies gilt abhängig von der Drehlage zwischen 270° und 180° der Induktivitäten 16a, 22a zueinander. Zum Vergleich ist ein weiteres Ausgangssignal 37a einer Drehlage zwischen 180° und 270° der Induktivitäten 16a, 22a zueinander gezeigt. Für den Fall dieser Drehlage ist die Amplitude 43a einer ersten Halbwelle des Ausgangssignals 37a kleiner als eine Amplitude 44a einer zweiten Halbwelle des Ausgangssignals 37a. Die beiden Ausgangssignale 36a, 37a weisen dabei eine Phasenverschiebung von π auf.
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In den 4 und 5 sind weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen. Bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, kann grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung des Ausführungsbeispiels der 1 bis 3 verwiesen werden. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 3 nachgestellt. In dem Ausführungsbeispiel der 4 und 5 ist der Buchstabe a durch den Buchstaben b oder c ersetzt.
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In 4 ist ein Teil einer weiteren Drehvorrichtung in einer schematischen Draufsicht gezeigt. Das weitere Ausführungsbeispiel der 4 unterscheidet sich von dem vorherigen Ausführungsbeispiel zumindest im Wesentlichen durch eine veränderte Anordnung einer zweiten Induktivität 22b an einem Rotorelement 12b. Im vorliegenden Fall ist die zweite Induktivität 22b an dem Rotorelement 12b in einem von einer Drehachse 30b des Rotorelements 12b beabstandeten Bereich 32b angeordnet. Die zweite Induktivität 22b ist in einem von einem Nahbereich 28b verschiedenen Bereich des Rotorelements 12b angeordnet. Die zweite Induktivität 22b ist so angeordnet, dass die Drehachse 30b des Rotorelements 12b nicht durch einen geometrischen Mittelpunkt und/oder ein Schwerpunkt der Induktivität 22b oder die Induktivität 22b selbst verläuft. Im vorliegenden Fall kann zur Bestimmung einer Drehlage auf ein wie in 1 dargestelltes Schaltelement 24b verzichtet werden um eine Drehlage bis zu 360° zu bestimmen.
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In 5 ist ein Teil einer weiteren Drehvorrichtung in einem schematischen Schaubild gezeigt. Das weitere Ausführungsbeispiel der 4 unterscheidet sich von dem vorherigen Ausführungsbeispiel zumindest im Wesentlichen durch eine veränderte Anzahl an ersten Induktivitäten 16c, 18c, 20c. Im vorliegenden Fall weist eine Lagebestimmungseinheit 14c mehrere erste Induktivitäten 16c, 18c, 20c auf. Hier sind drei erste Induktivitäten 16c, 18c, 20c zumindest im Wesentlichen äquivalent zueinander ausgebildet. Es ist jedoch auch denkbar, dass sich die ersten Induktivitäten 16c, 18c, 20c durch zumindest eine Wicklungsanzahl unterscheiden. Die ersten Induktivitäten 16c, 18c, 20c sind dem ersten Schaltkreis 50c der Lagebestimmungseinheit 14c zugeordnet. Die ersten Induktivitäten 16c, 18c, 20c sind elektrisch mit verschiedenen Phasen einer Versorgungseinheit 56c verbunden. Die ersten Induktivitäten 16c, 18c, 20c sind dabei als Antriebsspulen eines Elektromotors 48c (hier nur schematisch dargestellt) ausgebildet. Die ersten Induktivitäten 16c, 18c, 20c sind an einem Statorelement 10c der Drehvorrichtung angeordnet. Es ist denkbar, dass die ersten Induktivitäten 16c, 18c, 20c an dem Statorelement 10c zueinander um einen Winkel von 120° versetzt angeordnet sind.
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Jede der ersten Induktivitäten 16c, 18c, 20c ist jeweils mit einer Messeinheit 58c der Lagebestimmungseinheit 14c verbunden. Die Messeinheit 58c weist für jede erste Induktivität 16c, 18c, 20c ein Spannungsmesselement 62c und ein Strommesselement 60c, von denen hier zur Übersichtlichkeit jeweils nur eines mit Bezugszeichen versehen ist, auf. Wie im vorliegenden Fall, kann der erste Schaltkreis 50c, wenn dieser mehrere erste Induktivitäten 16c, 18c, 20c aufweist, auch mehrere Filter in einem zweiten Schaltkreis 52c aufweisen. Die Filter unterscheiden sich dabei durch ihre Grenzfrequenzen und/oder Frequenzbandbreite. Die Lagenbestimmungseinheit 14c ist dazu vorgesehen mittels der Versorgungseinheit 56c die ersten Induktivitäten 16c, 18c, 20c mit Eingangssignalen 34c verschiedener Frequenz und/oder Frequenzbandbreiten zu beaufschlagen. Jeweils einer der Filter ist auf eine Frequenz und/oder eine Frequenzbandbreite der verschiedenen Eingangssignale 34c abgestimmt. Mittels der verschiedenen Filter des zweiten Schaltkreises 52c kann auf eine Kopplung mit der jeweiligen ersten Induktivität 16c, 18c, 20c und damit auf eine jeweilige Drehlage rückgeschlossen werden. Im vorliegenden Fall kann die Lagebestimmungseinheit 14c auch drei voneinander unabhängige erste Schaltkreise 50c aufweisen.
