DE102016116766A1

DE102016116766A1 - Verfahren und vorrichtung für einen positionssensor für einen synchronmotor mit integriertem getriebe

Info

Publication number: DE102016116766A1
Application number: DE102016116766.5A
Authority: DE
Inventors: Suresh Gopalakrishnan; Chandra S. Namuduri; Lei Hao; Alexandru Rajala
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2017-03-16
Anticipated expiration: 2036-09-08
Also published as: CN106533062A; US9866157B2; CN106533062B; DE102016116766B4; US20170077848A1

Abstract

Ein Getriebebausatz verfügt über eine integrierte Drehmomentmaschine, umfassend einen Drehmomentmaschinen-Stator und einen Drehmomentmaschinen-Rotor. Der Drehmomentmaschinen-Rotor beinhaltet mindestens einen Satz Rotormagneten. Ein integrierter Drehpositionssensor ist so konfiguriert, dass er die Rotationsposition des Drehmomentmaschinen-Rotors relativ zum Drehmomentmaschinen-Stator überwacht. Der integrierte Drehpositionssensor beinhaltet ein Sensorrotor-Element und ein Sensorstator-Element. Das Sensorrotor-Element beinhaltet mindestens einen Satz Sensorrotor-Magneten. Das Sensorrotor-Element ist so positioniert, dass der mindestens eine Satz Sensorrotor-Magneten in Bezug auf einen Rotorpol des mindestens einen Satzes von Rotormagneten des Drehmomentmaschinen-Rotors ausgerichtet ist. Das Sensorstator-Element ist so positioniert, dass das Sensorstator-Element entlang einer Magnetachse des Drehmomentmaschinen-Stators ausgerichtet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Getriebesysteme für Antriebsstrangsysteme, welche in das Getriebe eingebaute Drehmomentmaschinen beinhalten, auf denen Positionssensoren montiert sind.
HINTERGRUND
Die Angaben in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen bezogen auf die vorliegende Offenbarung dar. Dementsprechend sollen solche Angaben keine Berechtigung als Stand der Technik darstellen.
Bekannte Fahrzeugsysteme verwenden Antriebsstrangsysteme, einschließlich nichtkohlenwasserstoffbetriebene Drehmomentmaschinen, wie z. B. Elektromaschinen, um elektrische Energie in mechanisches Drehmoment umzuwandeln, um Zugkraft zu erzeugen und um mechanische Anstrengung in elektrische Energie umzuwandeln. Solche Antriebsstrangsysteme beinhalten Hybridantriebsstrangsysteme, Elektrofahrzeugsysteme, und Antriebsstrangsysteme mit verlängerter Reichweite für Elektrofahrzeuge. Solche Antriebsstrang-Architekturen können so ausgelegt sein, dass sie durch eine Getriebevorrichtung Drehmoment auf ein Ausgangsglied übertragen. Bekannte Hybridantriebsstrang-Architekturen können Serien-Hybrid-Konfigurationen, Parallel-Hybrid-Konfigurationen und Compound-Split-Hybrid-Konfigurationen beinhalten. Elektromaschinen, die dazu ausgelegt sind, als Motoren und Generatoren zu arbeiten, können so gesteuert sein, dass sie Drehmoment in das Getriebe eingeben, unabhängig von einer Drehmomenteingabe aus einem Verbrennungsmotor. Die Elektromaschinen können reagieren und durch den Fahrzeugantrieb übertragene kinetische Fahrzeugenergie durch regeneratives Bremsen und andere Verfahren in elektrische Energie umwandeln, welche in einer Stromspeichervorrichtung gespeichert sein kann.
Hochauflösende Positionssensoren, wie zum Beispiel Resolver vom Reluktanztyp, können verwendet werden, um Rückmeldungen über die Rotorposition zu ermitteln. Die Resolver liefern Informationen über die Rotorposition mit hoher Auflösung und hoher Genauigkeit, die für eine präzise Kontrolle des Drehmoments und der Position in den Drehmomentmaschinen geeignet sind. Bekannte Resolver vom Reluktanztyp werden an einem Ende einer Motorwelle mit einer Innenrotor/Außenstator- oder Außenrotor/Innenstator-Anordnung montiert und liefern Rückmeldungen über die Rotorposition. Fragen, die mit der Montage hochauflösender Positionssensoren in Getriebesystemen zusammenhängen, beinhalten den begrenzten verfügbaren Raum und Packbeschränkungen. Einen Positionssensor innerhalb einer Getriebevorrichtung auf eine Motorwelle zu packen, kann aufgrund des begrenzten verfügbaren Raums eine Herausforderung darstellen. Darüber hinaus sind Resolver vom Reluktanztyp kostspielig. Eine potentielle Alternative ist die Verwendung eines auf dem Hall-Effekt beruhenden digitalen Sensors zur Ermittlung von Rückmeldungen der Rotorposition.
KURZDARSTELLUNG
Eine Getriebe-Baugruppe hat eine integrierte Drehmomentmaschine, umfassend einen Drehmomentmaschinen-Stator und einen Drehmomentmaschinen-Rotor. Der Drehmomentmaschinen-Rotor beinhaltet mindestens einen Satz Rotormagneten. Ein integrierter Drehpositionssensor ist so konfiguriert, dass er die Rotationsposition des Drehmomentmaschinen-Rotors relativ zum Drehmomentmaschinen-Stator überwacht. Der integrierte Drehpositionssensor beinhaltet ein Sensorrotor-Element und ein Sensorstator-Element. Das Sensorrotor-Element beinhaltet mindestens einen Satz Sensorrotor-Magneten. Das Sensorrotor-Element ist so positioniert, dass der mindestens eine Satz Sensorrotor-Magneten in Bezug auf einen Rotorpol des mindestens einen Satzes von Rotormagneten des Drehmomentmaschinen-Rotors ausgerichtet ist. Das Sensorstator-Element ist derart positioniert, dass das Sensorstator-Element entlang einer Magnetachse des Drehmomentmaschinen-Stators ausgerichtet ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es werden nun exemplarisch eine oder mehrere Ausführungsformen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 zeigt einen Teilschnitt durch ein Getriebe, umfassend eine in das Getriebe eingebaute Drehmomentmaschine mit einem inneren Rotor und äußeren Stator und beinhaltend einen Drehpositionssensor, der in Übereinstimmung mit der Offenbarung mit einem radialen Luftspalt angeordnet ist;
2 zeigt eine seitliche Teilansicht des Getriebes beinhaltend die in das Getriebe eingebaute Drehmomentmaschine, die eine Konfiguration aus innerem Rotor und äußerem Stator aufweist, wobei der Drehpositionssensor in Übereinstimmung mit der Offenbarung mit dem radialen Luftspalt angeordnet ist;
3 zeigt einen Teilschnitt durch das Getriebe, beinhaltend die in das Getriebe eingebaute Drehmomentmaschine, die eine Konfiguration aus innerem Rotor und äußerem Stator und den Drehpositionssensor aufweist, der gemäß Offenbarung mit einem radialen Luftspalt angeordnet ist;
4 zeigt eine seitliche Teilansicht des Getriebes beinhaltend einen Sensorrotor des Drehpositionssensors, der eine exemplarische Magnetisierung beinhaltend eine hochauflösende Spur und eine Kommutierungsspur in Übereinstimmung mit der Offenbarung aufweist;
5 zeigt eine seitliche Teilansicht des Getriebes beinhaltend den Sensorrotor und den Rotor der Drehmomentmaschine, die eine exemplarische Ausrichtung entlang einer Magnetachse in Übereinstimmung mit der Offenbarung aufweisen;
6 zeigt eine seitliche Teilansicht des Getriebes beinhaltend einen Sensorstator des Drehpositionssensors und einen Stator der Drehmomentmaschine, die eine exemplarische Ausrichtung entlang einer Magnetachse in Übereinstimmung mit der Offenbarung aufweisen;
7 zeigt eine auseinandermontierte Ansicht des Getriebes beinhaltend den Sensorstator und eine exemplarische Ausrichtung des Sensorstators und eines stationären Bauteils unter Verwendung einer Positionsstift-Anordnung gemäß Offenbarung;
8 zeigt eine auseinandermontierte Ansicht des Getriebes beinhaltend den Drehpositionssensor und die Drehmomentmaschine und beinhaltend eine exemplarische Ausrichtung der Sensorkomponenten und Komponenten der Drehmomentmaschine in Übereinstimmung mit der Offenbarung;
9 zeigt eine seitliche Teilansicht des Getriebes beinhaltend den Sensorrotor und den Sensorstator des Drehpositionssensors sowie den Rotor und den Stator der Drehmomentmaschine, welche eine exemplarische Ausrichtung entlang einer Magnetachse in Übereinstimmung mit der Offenbarung aufweisen;
10 zeigt eine seitliche Teilansicht einer exemplarischen Ausführungsform des Sensorstators des Drehpositionssensors, der eine ringförmige Haltevorrichtung in Übereinstimmung mit der Offenbarung aufweist; und
11 zeigt in graphischer Darstellung exemplarische Ausgangssignale des Drehpositionssensors zusammen mit einer normierten Gegen-EMK-Wellenform in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei die Darstellungen lediglich zur Veranschaulichung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und nicht zu dem Zweck dienen, selbige einzuschränken, zeigen 1 und 2 Teilansichten eines Getriebesystems 10 beinhaltend eine integrierte Drehmomentmaschine 20 mit einer ringförmigen Sensor-Hülle 15, welche einen integrierten Drehpositionssensor 40 aufnimmt. Die Drehmomentmaschine 20 ist ausgelegt, um Drehmoment zu erzeugen und durch rotierende und feste Bauteile auf ein Getriebeausgangsglied des Getriebesystems 10 zu übertragen, zur Verwendung als Antrieb und in anderen Funktionen. 1 zeigt einen Teilschnitt des Getriebesystems 10, und 2 zeigt eine Teilaufsicht des Getriebesystems 10. Wie dargestellt ist die Drehmomentmaschine 20 ein elektrisch angetriebener Motor/Generator. Die Drehmomentmaschine 20 ist in dieser Ausführungsform in einer Konfiguration angeordnet, welche einen äußeren Stator 22, einen koaxialen inneren Rotor 30 und den Drehpositionssensor 40 beinhaltet, welcher in die Sensor-Hülle 15 eingebaut ist, um die Drehposition des Rotors 30 im Verhältnis zum Stator 22 zu überwachen.
Der Stator 22 beinhaltet einem ringförmigen ersten Abschnitt des Elektromotors 25 und einen Rahmen 21, der am Gehäuse 14 des Getriebes 10 befestigt ist, um eine Spindel 23, welche axial aus dem Rahmen 21 hervorragt, strukturell zu stützen. Die Spindel 23 beinhaltet einen nichttragenden Abschnitt 29, einen Ansatz 28, und eine entgegengesetzt eingeschnittene Vertiefung 27, mit einer zylinderförmigen Außenlauffläche zwischen Ansatz 28 und der entgegengesetzt eingeschnittenen Vertiefung 27. Ein Haltering 26 kann in die entgegengesetzt eingeschnittene Vertiefung 27 eingesetzt sein und derart einen Lagerabschnitt 32 des Rotors 30 mechanisch an der Außenlauffläche der Spindel 23 sichern. Der Ansatz 28 des Stators 22 bestimmt und begrenzt damit die axiale Lage des Lagerabschnitts 32 des Rotors 30 relativ zum Rahmen 21. Der nichttragende Abschnitt 29 der Spindel 23 liegt zwischen dem Ansatz 28 des Stators 22 und dem Rahmen 21. In den Rahmen 21 sind ringförmig Befestigungsgschraubenlöcher 24 zur Befestigung des Positionssensors 40 gebohrt.
Der Rotor 30 beinhaltet den Lagerabschnitt 32, einen Stützabschnitt 33 und eine Rotornabe 34. Die Rotornabe 34 beinhaltet eine äußere zylinderförmige Oberfläche, welche an einen ringförmigen zweiten Abschnitt 39 des Elektromotors gekoppelt ist, der koaxial an dem ersten Abschnitt 25 des Elektromotors anliegt. Die Rotornabe 34 beinhaltet einen Nabenfortsatz 35, der axial in einer Richtung über den Lagerabschnitt 32 in Richtung des Rahmens 21 von Stator 22 hinausragt. Der Nabenfortsatz 35 der Rotornabe 34 beinhaltet eine Innenfläche, welche einen ersten Ansatz 38 und eine Vertiefung 37 beinhaltet. Der Rotor 30 ist fest an ein Zahnradelement 12 des Getriebes 10 gekoppelt und dreht sich mit diesem. Der Lagerabschnitt 32 des Rotors 30 ist auf der äußeren Lagerfläche der Spindel 23 befestigt und erlaubt dem Rotor 30 darauf zu rotieren, wobei die Drehrichtung auf Grundlage von Betriebsparametern der Drehmomentmaschine 20 und des Getriebes 10 festgelegt wird. Der Lagerabschnitt 32 beinhaltet geeignete Elemente, welche auf dem Lagerabschnitt von Spindel 23 eingebaut sein können, um sich darauf zu drehen, die beispielsweise, Rollenlager oder andere Elemente beinhalten können, die eine reibungsarme Drehung erlauben.
Die ringförmige Sensor-Hülle 15 wird zwischen einer Innenfläche des Nabenfortsatzes 35 des Rotors 30 und einer Außenfläche des nichttragenden Abschnitts 29 der Spindel 23 gebildet. Die Sensor-Hülle 15 nimmt irgendeinen aus einer Vielzahl verschiedener Typen von Drehpositionssensoren 40 auf. In einer exemplarischen Ausführungsform können die Drehpositionssensoren 40 Hallsensoren beinhalten.
Der Drehpositionssensor 40 beinhaltet einen Sensorstator 42, der mechanisch von einem Sensorrotor 44 abgekoppelt ist, wobei bevorzugt ein Luftspalt 45 dazwischen gebildet wird. Der Sensorstator 42 wird auf die Spindel 23 des Stators 22 montiert und fest daran angebracht. Der Sensorrotor 44 ist fest an der Rotornabe 34 angebracht. Der Sensorstator 42 und der Sensorrotor 44 sind so konfiguriert, dass sie einen radial orientierten Luftspalt 45 bilden, wie dargestellt. Der Sensorstator 42 beinhaltet einen Kabelbaum 50 und einen Kabelbaumträger 52 mit einem Zugentlastungselement. Kabelbaum 50 und Kabelbaumträger 52 werden eingesetzt, um die Führung von Stromversorgungs- und Signalkabeln zwischen dem Sensorstator 42 und einem fahrzeugeigenen Steuermodul zu ermöglichen.
Steuergerät, Modul, Steuerung, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe beziehen sich auf eine oder mehrere Kombinationen von einem oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis(en) (ASIC), elektronischen Schaltkreis(en), Zentraleinheit(en) (bevorzugt Mikroprozessor[en]) und dazugehörigen Datenspeichern und Speicherträgern (ROM, programmierbare ROM, Direktzugriff, Festplattenlaufwerke, usw.), um eines oder mehrerer Software- oder Firmware-Programme oder -routinen, logische Verknüpfungsschaltung(en), Eingabe/Ausgabe-Stromkreis(e) und -geräte, entsprechende Signalkonditionierungs- und Puffer-Schaltungen und andere Komponenten auszuführen, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerroutinen, Codes, Algorithmen und ähnliche Begriffe beziehen sich auf jedwede von einer Steuerung ausführbare Befehlssätze inklusive Kalibrierungen und Lookup-Tabellen. Das Steuergerät hat eine Reihe von Prüfroutinen ausgeführt, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Routinen werden ausgeführt, z.°B. durch eine Zentraleinheit, und werden betrieben, um Eingänge von Sensorgeräten und anderen vernetzten Steuergeräten zu überwachen und um Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Stellgliedern zu steuern. Routinen können in regelmäßigen Abständen, z.°B. nach jeweils 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden im laufenden Motor- und Fahrzeugbetrieb ausgeführt werden. Alternativ können die Routinen als Reaktion auf ein Ereignis ausgeführt werden.
Der Sensorstator 42 beinhaltet eine Vielzahl von Ausrichtungsschlitzen 46 und ist fest auf dem Stator 22 der Drehmaschine 20 unter Verwendung einer Vielzahl von Befestigungsschrauben 43 angebracht, die durch die Ausrichtungsschlitze 46 gehen und den Sensorstator 42 am Stator 22 befestigen. Die winklige Anpassung und Ausrichtung des Sensorstators 42 in Relation zum Sensorrotor 44 kann durch drehende Anpassung des Sensorstators 42 innerhalb der Ausrichtungsschlitze 46 erreicht werden, beispielsweise in Relation zu einem Rotorkeil 48, indem man beim Zusammenbau ein geeignetes Ausrichtungsverfahren verwendet. Die Ausrichtungsschlitze 46 sind bevorzugt kurvenförmig, sie können aber jede geeignete Form haben, welche eine drehende Anpassung um die Rotationsache zulässt, wie beispielsweise eine lineare Form. Die Befestigungsschraubenlöcher 24 liegen bevorzugt so, dass andere Funktionen, wie beispielsweise Schmierölleitungen, vermieden werden und sie eine freie Drehung erlauben, sodass die Bolzen 43 sachgemäß, wie erforderlich, platziert sein können. In einer exemplarischen Ausführungsform kann der Sensorstator 42 gegenüber dem Stator 22 der Drehmomentmaschine mit einer Positionierstift-Anordnung montiert sein, sodass sich eine Anstiegsflanke eines ersten Kommutierungssignals, das durch die Drehpositionssensoren 40 des Sensorstators 42 generiert wird, an einen positiven Null-Durchgang der Gegen-EMK der Phase A des Motors angleicht.
Der Sensorrotor 44 wird gleitpassend mit Rotornabe 34 verbunden, wobei der Rotorkeil 48 in einer Ausführungsform in eine entsprechende Keilnut am Rotor 30 eingeführt wird, oder er wird anderweitig mit dem Rotor 30 ausgerichtet. Der Sensorrotor 44 liegt am ersten Ansatz 38 an und wird durch eine Wellenfeder 36 sicher an seinem Platz gehalten. Die Toleranz zwischen dem Innendurchmesser der Rotornabe 34 am Nabenteil 35 und der Außendurchmesser des Sensorrotors 44 ist hinreichend eng, um radiale Bewegungen des Sensorrotors 44 im Verhältnis zur Rotornabe 34 zu minimieren, während sie zugleich deren Montage zulässt. Die Wellenfeder 36 hält eine Druckkraft auf den Sensorrotor 44 gegen den ersten Ansatz 38 aufrecht, wodurch der Sensorrotor 44 an seinem Platz gehalten wird, um axiale Bewegungen des Sensorrotors 44 gegenüber der Rotornabe 34 sowie die Rotation des Sensorrotors 44 gegenüber dem Rotor 30 zu verhindern. Die Wellenfeder 36 ist bevorzugt in Verbindung mit einem Sprengring 31 eingesetzt, der in die Vertiefung 37 eingesetzt wird, welche auf der Innenseite der Rotornabe 34 gebildet wird, um den Sensorrotor 44 fest gegen den ersten Ansatz 38 zu sichern. Die axiale Kraft, welche die Wellenfeder 36 auf den Sensorrotor 44 ausübt, verhindert durch Reibung die Drehung des Sensorrotors 44 gegenüber Rotornabe 34. Bei Ausführungsformen, die einen Rotorkeil 48 einsetzen, verhindert die Axialkraft aus der Wellenfeder 36 auf den Sensorrotor 44 in Verbindung mit dem Einführen des Rotorkeils 48 in die Keilnut des Rotors 30 die Drehung des Sensorrotors 44 gegenüber Rotornabe 34 durch Reibung und Störung. Die Kontrolle der Drehmomentmaschine 20 kann vereinfacht werden, indem der Sensorrotor 44 und Sensorstator 42 in einem bekannten Referenzwinkel auf den Rotor 30 bzw. den Stator 20 der Drehmomentmaschine 20 ausgerichtet sein. In einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet der Sensorrotor 44 eine Vielzahl von Sensorrotormagneten, die nach einem vordefinierten Muster magnetisiert wurden. Die Rotormagneten werden mit Bezug auf Rotorpole der Drehmomentmaschine 20 unter Verwendung des Rotorkeils 48 und der Keilnut des Rotors 30 ausgerichtet. Der Rotorkeil 48 und die Keilnut des Rotors 30 werden verwendet, um das erforderliche Polmuster in der Magnetisierungsvorrichtung festzulegen, welche die Vielzahl der Sensorrotormagneten und der Magneten des Rotors 30 der Drehmomentmaschine umfasst. Durch Ausrichten des Sensorrotors 44 und des Sensorstators 42 des Positionssensors auf den Rotor 30 bzw. den Stator 22 der Drehmomentmaschine nach einem bekannten Referenzwinkel, kann die Kontrolle der Drehmomentmaschine 20 vereinfacht werden.
Die Einrichtung des Getriebesystems 10 beinhaltend die integrierte Drehmomentmaschine 20, welche mit der ringförmigen Sensor-Hülle 15 zwischen dem Stator 22 und dem Rotor 30 zur Aufnahme des Drehpositionssensors 40 konfiguriert wurde, erlaubt eine Gestaltungsfreiheit bei der Sensorauswahl, der Sensormontage und der Getriebemontage ohne Beeinflussung der Funktionsleistung des Sensors und mit minimalen oder keinen Änderungen an bestehenden Rotor/Stator-Entwürfen, um alternative Sensortypen aufzunehmen.
In einer exemplarischen Ausführungsform kann der Drehpositionssensor 40 eine Vielzahl magnetischer digitaler Hallsensoren beinhalten. Die magnetischen digitalen Hallsensoren sind in einer Hallsensor-Anordnung arrangiert. Der Drehpositionssensor 40 kann des Weiteren einen ASIC zur Erzeugung hochauflösender Signale beinhalten. Der Drehpositionssensor 40 erzeugt hochauflösende Kodierungsimpulszüge und Kommutierungsimpulse, die typischerweise mit der Anzahl von Polen in dem Antriebsmotor übereinstimmen. Die Kodierungs- und Kommutierungsimpulse können dann durch einen Prozessor kombiniert werden, um die absolute Rotorposition bei jedem Winkel zu bestimmen. In einer exemplarischen Ausführungsform kann eine vordefinierte Phasenbeziehung zwischen den Kommutierungssignalen des Sensors und der Gegen-EMK des Stators verwendet werden, um die Kontrolle der Drehmomentmaschine 20 zu vereinfachen.
Bevorzugte Spezifikationsparameter für den Drehpositionssensor 40 beinhalten eine akzeptable Genauigkeit, beispielsweise von ±1º bis ±3º elektrischen Graden mit einer geeigneten Auflösung über einen weiten Drehzahlbereich, beispielsweise über einen Drehzahlbereich von 0 ± 15.000 UPM (mechanisch) in einer Ausführungsform. Wie gewürdigt hat ein Drehwinkel in mechanischen Graden einen äquivalenten Winkel in elektrischen Graden in Bezug auf eine Zahl von Polpaaren in der Elektromaschine. 1º elektrischer Rotation entspricht beispielsweise eine äquivalente mechanische Rotation von 0,166º für eine Elektromaschine mit sechspoligen Paaren. Die Betriebstemperatur des Sensors deckt einen weiten Bereich ab, z. B. zwischen –40º C und +140º C in einer Ausführungsform, und ist kompatibel mit Automatikgetriebeflüssigkeiten.
3 zeigt eine Teilschnittansicht einer integrierten Drehmomentmaschine 320 für ein Getriebesystem, die mit einer ringförmigen Sensor-Hülle 315 konfiguriert ist, welche eine Ausführungsform eines integrierten Drehpositionssensors 340 aufnimmt. Das Getriebesystem und die integrierte Drehmomentmaschine 320 sind analog zu dem bezüglich 1 beschriebenen System. Die Sensor-Hülle 315 ist analog zur bezüglich 1 beschriebenen Sensor-Hülle 15. Die ringförmige Sensor-Hülle 315 wird zwischen einer Innenfläche von Nabenfortsatz 335 des Rotors 330 und einer Außenfläche eines nichttragenden Abschnitts 329 einer Spindel 323 des Stators 322 gebildet. Der Sensor Hülle 315 nimmt irgendeinen aus einer Vielzahl verschiedener Typen von Drehpositionssensoren 340 auf, wovon Beispiele in Tabelle 1 beschrieben sind. Der Stator 322 beinhaltet den nichttragenden Abschnitt 329, einen Ansatz 328, und eine entgegengesetzt eingeschnittene Vertiefung 327, mit einer zylinderförmigen Außenlauffläche zwischen Ansatz 328 und der entgegengesetzt eingeschnittenen Vertiefung 327. Der Rotor 330 beinhaltet Rotornabe 334, welche Nabenfortsatz 335, Ansatz 338 und Vertiefung 337 beinhaltet. Der Drehpositionssensor 340 beinhaltet einem Sensorstator 342, der mechanisch durch einen darin beinhalteten und dazwischen gebildeten axialen Luftspalt 345 von einem Sensorrotor 344 abgekoppelt ist. Der Sensorstator 342 ist fest an dem Stator 322 der Drehmomentmaschine 320 angebracht, und der Sensorrotor 344 ist fest an dem Rotor 324 der Drehmomentmaschine 320 angebracht. Die ringförmige Sensor-Hülle 315 ist somit ausgelegt, den Drehpositionssensor 340, welcher den axialen Luftspalt 345 beinhaltet, aufzunehmen.
4 zeigt eine seitliche Teilansicht des Getriebes 10, welche einen Sensorrotor 444 des Drehpositionssensors beinhaltet, der eine exemplarische Magnetisierung aufweist, welche eine hochauflösende Magnetspur 454 und eine Kommutierungs-Magnetspur 452 beinhaltet. Die Kommutierungsspur 452 und die hochauflösende Spur 454 können mit Bezug auf Keil 448 magnetisiert sein. In einer exemplarischen Ausführungsform, ist die hochauflösende Spur 454 in einem handelsüblichen Sensor sinusförmig und die Kommutierungsspur 452 rechteckig magnetisiert. Die Magnetbahnen umfassen Magneten, welche so angeordnet sind, dass die Magnete zwischen einer Nordpolarität 456 und einer Südpolarität 458 wechseln. Eine exemplarische Ausführungsform des Sensorrotor-Magnetisierungsmusters wird eine Reihe von Polpaaren in der Kommutierungsspur beinhalten, die mit der Zahl der Polpaare in der Drehmomentmaschine 20 übereinstimmen.
5 zeigt eine seitliche Teilansicht des Getriebes 10, welche den Sensorrotor 544 und den Rotor 530 der Drehmomentmaschine beinhaltet, welche eine exemplarische Ausrichtung entlang einer Magnetachse 550 aufweisen. Die Keilnut 548 des Sensorrotors 544 ist an der d-Achse 550 des Südpols der Drehmomentmaschine ausgerichtet. Die Vielzahl von Rotormagneten 532 des Rotors 530 haben wechselnde Polaritäten zwischen Südpol 558 und Nordpol 556 entlang dem Rotor 530. Der Keilnutmechanismus 548 stellt sicher, dass die Ausrichtung des Sensorrotors 544 festliegt und beibehalten wird, und gewährleistet eine bekannte Ausrichtung der Magnetspuren 546 des Sensorrotors relativ zum Rotor 30 der Drehmomentmaschine 20.
6 zeigt eine seitliche Teilansicht des Getriebes 10 aus 1, welche einen Sensorstator 642 des Drehpositionssensors und einen Stator 622 der Drehmomentmaschine beinhaltet, welche eine exemplarische Ausrichtung entlang einer Magnetachse 650 aufweisen. Der Sensorstator 642 beinhaltet eine Hallsensor-Anordnung, und einen ASIC 638. Die Hallsensor-Anordnung beinhaltet Hallsensoren H_C 644, H_A 646 und H_B 648 zur Erzeugung der Kommutierungssignale in Bezug auf die Kommutierungsspur des Sensorrotors. Der Sensorstator 642 ist derart positioniert, dass Hallsensor HA 646 auf die Magnetachse der Phase A 650 des Stators 622 ausgerichtet ist. Der Stator 622 weist mehrere Phasen auf, welche Phase-A 962, Phase-B 964 und Phase-C 966 beinhalten. In einer exemplarischen Ausführungsform sind die Hallsensoren 644, 646, 648 durch 120° geteilt durch die Anzahl der Polpaare in der Drehmomentmaschine separiert. ASIC 640 dient zur Erzeugung hochauflösender Signale. Der Sensorstator erzeugt hochauflösende Kodierungsimpulszüge und Kommutierungsimpulse, die typischerweise mit der Anzahl von Polen in dem Antriebsmotor übereinstimmen. Die Kodierungs- und Kommutierungsimpulse können dann durch einen Prozessor kombiniert werden, um die absolute Rotorposition bei jedem Winkel zu bestimmen.
7 zeigt eine Explosionszeichung des Getriebes 10 aus 1, beinhaltend den Sensorstator 742 und eine exemplarische Ausrichtung des Sensorstators 742 und eines stationären Bauteils 721 der Drehmomentmaschine 20 unter Verwendung einer Positionierstift-Anordnung. In einer exemplarischen Ausführungsform ist das stationäre Element 721 ein Teil des Drehmomentmaschinen-Stators, an dem der Sensorstator befestigt sein kann. Stift 760 an Sensorstator 742 ist so positioniert, dass der Sensorstator 742, wenn der Stift in die Aufnahme 762 eingeführt wird, eine gewünschte Ausrichtung mit dem stationären Bauteil 721 der Drehmomentmaschine 20 erreicht. Der Sensorstator 742 beinhaltet eine Vielzahl von Ausrichtungsschlitzen 746 und ist fest am stationären Bauteil 721 von Stator 22 der Drehmomentmaschine 20 angebracht, unter Verwendung einer Vielzahl von Befestigungsschrauben 43, die durch die Ausrichtungsschlitze 746 gehen und den Sensorstator 742 mit dem stationären Bauteil 721 Drehmomentmaschine 20 verbinden. Die Positionierungsstift-Anordnung wird verwendet, um sicherzustellen, dass die Hallsensoren, die auf dem Sensorstator 742 positioniert sind, auf die gewünschte Magnetachse des Stators 22 ausgerichtet sind.
8 zeigt eine Explosionszeichnung des Getriebes 10 aus 1 und beinhaltet den Drehpositionssensor und die Drehmomentmaschine sowie eine exemplarische Ausrichtung der Sensorkomponenten und der Komponenten der Drehmomentmaschine. Sensorstator 842 ist an dem stationären Bauteil 821 unter Verwendung des Positionierungsstiftes befestigt, um die mit Bezug auf 7 beschriebene gewünschte Ausrichtung sicherzustellen. Sensorrotor 844 ist an Rotor 830 ausgerichtet, unter Verwendung des Keils und der Keilnut, wie mit Bezug auf 5 beschrieben. Stator 822 wird dann montiert und am Hallsensor von Sensorstator 842 ausgerichtet, wie mit Bezug auf 6 beschrieben. Der Sensorrotor 844 wird in einem bekannten Referenzwinkel auf Rotor 830 ausgerichtet, und der Sensorstator 842 wird in einem bekannten Referenzwinkel auf Stator 822 ausgerichtet.
9 zeigt eine seitliche Teilansicht des Getriebes 10 aus 1, beinhaltend den Sensorrotor 944 und den Sensorstator 942 des Drehpositionssensors sowie den Rotor 930 und den Stator 922 der Drehmomentmaschine 20, die eine exemplarische Ausrichtung entlang einer Magnetachse 950 haben. In einer exemplarischen Ausführungsform ist die Magnetachse 950 die Rotor-d-Achse von Rotor 930. Der Sensorstator 942 wird unter Verwendung des Positionierungsstifts 960 positioniert, sodass die Achse von Phase A mit der d-Achse des Rotors entlang der Magnetachse 950 ausgerichtet ist. Der Stator 922 weist mehrere Phasen auf, welche Phase A 962, Phase B 964 und Phase C 966 beinhalten. Der Magnetachse von Phase A verläuft entlang Achse 950 und ist zwischen den Positionen 952 und 954 von Phase A positioniert. Der Sensorrotor-Magnetisierung 946 von Sensorrotor 944, der Sensorstator 942, der Rotor 930 und der Stator 922 sind alle entlang Rotor d-Achse 950 ausgerichtet.
10 zeigt eine seitliche Teilansicht einer exemplarischen Ausführungsform von Sensorstator 1042 des Drehpositionssensors mit einer kreisförmigen Haltevorrichtung 1036. In einer exemplarischen Ausführungsform können die Hallsensoren 1044, 1046, 1048 und ASIC 1040 des Sensorstators 1042 für eine robustere Ausführung auf einer kreisförmigen Haltevorrichtung 1036 positioniert sein.
11 zeigt in graphischer Darstellung exemplarische Ausgangssignale des Drehpositionssensors zusammen mit einer normierten Gegen-EMK-Wellenform. Liniendiagramm 1100 bildet eine normierte Gegen-EMK-Wellenform von Phase A 1104 über einen elektrischen Zyklus 1102 ab. Liniendiagramm 1110 bildet die durch die Hallsensoren erzeugten Kommutierungssignale 1112, 1114 und 1116 ab. Kommutierungssignals wurde 1112 durch Hallsensor H_A, Kommutierungssignal 1114 wurde durch Hallsensor H_B und Kommutierungssignal 1116 wurde durch Hallsensor H_C erzeugt. Die Anstiegsflanke des Kommutierungsimpuls 1112 ist am positiven Null-Durchgang der Gegen-EMK der Phase A 1104 ausgerichtet, aufgrund der Ausrichtung des Hallsensors H_A mit der Magnetachse von Phase A. Diagramm 1120 bildet hochauflösende Quadratursignale 1122 und 1124 ab, die durch den ASIC des Sensorstators erzeugt werden. Die horizontale Achse von Diagramm 1120 ist in 90°-Segmenten 1126 markiert. Die Anstiegsflanke des hochauflösenden Signals E_A 1122 am positiven Null-Durchgang der Gegen-EMK der Phase A 1104 ausgerichtet. Die Anstiegsflanke des hochauflösenden Signals E_B 1124 ist um 90° gegenüber dem hochauflösenden Signal E_A 1122 versetzt.
Ein Sensor Steuermodul kann so konfiguriert sein, dass es die durch die Hallsensoren erzeugten Kommutierungssignale 1112, 1114 und 1116 sowie die durch den ASIC des Sensorstators erzeugten hochauflösenden Quadratursignale 1122 und 1124 überwacht. Das Sensor-Steuermodul kann dann eine absolute Rotorposition des Rotors der Drehmomentmaschine auf Grundlage der überwachten Kommutierungssignale 1112, 1114, 1116, der überwachten hochauflösenden Quadratursignale 1122, 1124, und der bekannten Referenzwinkel zwischen den Rotormagneten des Sensorrotors und den Rotorpolen des Drehmomentmaschinen-Rotors sowie zwischen dem Sensorstator und dem Stator der Drehmomentmaschine ermitteln.
In der Offenbarung wurden dazu bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und deren Modifikationen beschrieben. Weitere Modifikationen und Änderungen können anderen beim Lesen und Verstehen der Spezifikation einfallen. Daher soll die Offenbarung nicht auf die spezifische(n) Ausführungsform(en) beschränkt sein, die als beste Ausführungsformen für diese Erfindung beschrieben sein, sondern die Offenbarung wird alle Ausführungsformen beinhalten, die in den Geltungsbereich der anhängenden Patentansprüche fallen.

Claims

Vorrichtung welche einen Getriebebausatz umfasst, der eine integrierte Drehmomentmaschine beinhaltet, umfassend: einen Drehmomentmaschinen-Stator; einen Drehmomentmaschinen-Rotor, der mindestens einem Satz Rotormagneten umfasst; einen integrierten Drehpositionssensor, der so konfiguriert ist, dass er die Drehposition des Drehmomentmaschinen-Rotors relativ zum Drehmomentmaschinen-Stator überwacht und der ein Sensorrotor-Element und ein Sensorstator-Element beinhaltet; das Sensor-Rotorelement mindestens einen Satz Sensorrotor-Magneten beinhaltet; das Sensorrotor-Element derart positioniert ist, dass der mindestens eine Satz von Sensorrotor-Magneten in Relation zu einem Rotorpol vom mindestens einen Satz Rotormagneten des Drehmomentmaschinen-Rotor ausgerichtet ist; und das Sensorstator-Element so positioniert ist, dass das Sensorstator-Element entlang einer Magnetachse des Drehmomentmaschinen-Stators ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Sensorrotor-Element des Weiteren einen Rotorkeil umfasst, der in eine Keilnut des Drehmomentmaschinen-Rotors eingeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, worin der Rotorkeil und die Keilnut des Drehmomentmaschinen-Rotors so konfiguriert sind, dass sie den mindestens einen Satz Sensorrotor-Magneten relativ zum Rotorpol des mindestens einen Satzes Rotormagneten des Drehmomentmaschinen-Rotors ausrichten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Sensorstator-Element ein Stiftelement beinhaltet und ein feststehendes Element des Drehmomentmaschinen-Stators ein Aufnahme-Element beinhaltet, wobei das Stiftelement so konfiguriert ist, dass es an die Aufnahme ankoppelt und das Sensorstator-Element entlang der Magnetachse des Drehmomentmaschinen-Stators ausrichtet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin: das Sensorrotor-Element eine Kommutierungs-Magnetspur und eine hochauflösende Magnetspur beinhaltet; und das Sensorstator-Element mindestens einen Hallsensor beinhaltet, der konfiguriert ist, mindestens ein Kommutierungssignal zu erzeugen, und mindestens einen Sensor-ASIC, der konfiguriert ist, mindestens ein hochauflösendes Signal zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, worin das Sensorstator-Element so positioniert ist, dass sich eine Anstiegsflanke eines ersten Kommutierungssignals an einem positiven Null-Durchgang einer Gegen-EMK der Phase A der Drehmomentmaschine ausrichtet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, worin die Kommutierungs-Magnetspur und die hochauflösende Magnetspur mit Bezug auf einen Keilmechanismus magnetisiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, worin die Anzahl der Polpaare in der Kommutierungsspur mit der Anzahl der Polpaare in der Drehmomentmaschine übereinstimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, worin die hochauflösende Magnetspur sinusförmig und die Kommutierungsspur rechteckig magnetisiert ist
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Sensorstator-Element eine kreisförmige Haltevorrichtung beinhaltet.