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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere zum Fahrzeugantrieb, sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Rotorlage eines Elektromotors.
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Bei Elektromotoren zum Fahrzeugantrieb ist es notwendig, dass die Rotorlage, d. h. der Drehwinkel des Rotors des Elektromotors, und die Drehgeschwindigkeit des Rotors bekannt sind.
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Zur Bestimmung der Rotorlage kommt üblicherweise eine Kombination aus einem Magneten und einem Magnetfeldsensor zum Einsatz, wobei der Magnet mit dem Rotor verbunden ist und ein Messmagnetfeld erzeugt, in dem der Magnetfeldsensor angeordnet ist. Dabei ist der Magnet drehfest mit dem Rotor verbunden und der Magnetfeldsensor ist ortsfest, sodass der Magnet mitsamt seinem Messmagnetfeld relativ zum Magnetfeldsensor rotiert.
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Durch den Magnetfeldsensor kann nun der Winkel des Messmagnetfeldes bestimmt werden, woraus auf die Rotorlage geschlossen werden kann. Dabei bestehen insbesondere bei Elektromotoren zum Fahrzeugantrieb hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Bestimmung der Rotorlage.
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Problematischerweise erhitzt sich beim Betrieb des Elektromotors der Elektromotor selbst, sodass auch der Magnetfeldsensor erhitzt wird. Durch diese Temperaturänderungen wird auch die Messgenauigkeit des Magnetfeldsensors beeinflusst.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Elektromotor sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Rotorlage eines Elektromotors bereitzustellen, die auch bei großen Temperaturschwankungen eine genaue Bestimmung der Rotorlage ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Elektromotor, insbesondere zum Fahrzeugantrieb, mit einem Stator, einem Rotor, wenigstens einem Magneten, der drehfest mit dem Rotor verbunden ist und der ein Messmagnetfeld erzeugt, einem Magnetfeldsensor, der im Messmagnetfeld angeordnet ist, einem Temperatursensor, der die Temperatur des Stators und/oder des Rotors erfasst, und einer Steuereinheit, die mit dem Temperatursensor und dem Magnetfeldsensor informationstechnisch verbunden ist, um Messsignale zu empfangen, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das Messsignal des Magnetfeldsensors in Abhängigkeit vom Messsignal des Temperatursensors auszuwerten. Der Magnet kann ein Permanentmagnet sein, beispielsweise ein Ringmagnet, ein Rohrmagnet oder zwei sich gegenüberliegende Stabmagneten oder Magnetplatten. Der Magnetfeldsensor ist z. B. fest und rotiert nicht mit dem Rotor.
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Als das Messmagnetfeld wird der Teil des Magnetfeldes des Magneten bezeichnet, der innerhalb des Rings bzw. Rohrmagneten oder zwischen den Magnetplatten liegt und insbesondere homogen ist.
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Der Magnetfeldsensor kann ein MR-Sensor basierend auf dem magnetoresistiven Effekt sein.
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Außerdem kann die Steuereinheit eine separate Komponente sein oder als Teil der Steuereinheit des Fahrzeugs oder des Elektromotors ausgeführt sein.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Temperatur des Magnetfeldsensors anhand der Temperaturmessung am Stator und/oder am Rotor geschätzt werden kann, um den Messwert des Magnetfeldsensors temperaturkorrigiert auswerten zu können.
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Auf diese Weise kann ein Temperatursensor am Magnetfeldsensor selbst eingespart werden. Der erfindungsgemäße Elektromotor weist somit keinen Temperatursensor am Magnetfeldsensor auf.
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Vorzugsweise ist der Magnet an der Welle des Elektromotors angebracht, wodurch eine besonders störungsfreie und direkte Messung der Rotorlage möglich ist.
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Um den Magnetfeldsensor teilweise vor störenden Magnetfeldern zu schützen, kann die Welle an einem ihrer Enden einen Hohlraum aufweisen, der an diesem Ende der Welle in axialer Richtung offen ist, wobei der Magnet im Hohlraum an einer Innenseite der Welle befestigt ist. Der Magnetfeldsensor ist auf der radialen Innenseite des Magneten und insbesondere in axialer Richtung im Bereich des Magneten angeordnet, sodass der Magnet um den Magnetfeldsensor rotiert.
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Dabei ist axial hier in Bezug auf die Drehachse zu verstehen.
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In einer Ausführungsvariante ist im Rotor wenigstens eine Stromleitung vorgesehen, wobei die Stromleitung derart im Bezug zum Magneten angeordnet ist, dass ein von einem Strom durch die Stromleitung induziertes Störmagnetfeld im Bereich des Messmagnetfeldes im Wesentlichen parallel zum Messmagnetfeld ist. Dabei wird unter einem parallelen Magnetfeld verstanden, dass die Magnetfeldlinien zueinander parallel verlaufen, wobei diese auch gegenläufig sein können. Dadurch wird erreicht, dass die Richtung des Messmagnetfelds nicht von induzierten Magnetfeldern beeinflusst wird, die durch den Strom durch die Stromleitungen induziert werden. Beispielsweise ist der Elektromotor in diesem Falle eine Synchronmaschine, wie eine fremderregte Synchronmaschine.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Rotorlage eines Elektromotors, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden Schritten:
- a) Bestimmen der Temperatur eines Rotors und/oder eines Stators des Elektromotors,
- b) Empfangen eines Messsignals eines Magnetfeldsensors des Elektromotors, und
- c) Ermitteln der Rotorlage des Elektromotors anhand des Messsignals des Magnetfeldsensors,
wobei eine Korrektur des Messsignals des Magnetfeldsensors und/oder der ermittelten Rotorlage in Abhängigkeit von der Temperatur des Rotors und/oder des Stators vorgenommen wird. Die Korrektur kann dabei durch eine Steuereinheit vorgenommen werden und vor oder nach dem Ermitteln der Rotorlage stattfinden. Durch die Korrektur werden zum Beispiel Nichtlinearitäten des Magnetfeldes durch Temperaturschwankungen ausgeglichen.
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Um eine möglichst genaue Korrektur zu ermöglichen, kann von der Temperatur des Rotors und/oder des Stators auf die Temperatur des Magnetfeldsensors geschlossen werden, wobei die Temperatur des Magnetfeldsensors zur Korrektur herangezogen wird. Dabei kann die Temperatur am Rotor und/oder am Stator durch eine vorbestimmte Abhängigkeit, einen Umrechnungsfaktor oder ein Temperaturmodell zur Bestimmung der Temperatur des Magnetfeldsensors verwendet werden.
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Vorzugsweise wird die Temperatur durch einen Temperatursensor bestimmt, wodurch eine sehr präzise Messung der Temperatur des Rotors und/oder des Stators möglich ist.
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Eine Steuereinheit des Elektromotors kann die Messsignale des Magnetfeldsensors und/oder des Temperatursensors empfangen, die Rotorlage ermitteln und/oder die Korrektur vornehmen, sodass die Verfahrensschritte effizient ausgeführt werden können.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 Teile eines erfindungsgemäßen Elektromotors schematisch im Schnitt, und
- - 2 eine schematische Rückansicht des Elektromotors nach 1.
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In 1 ist schematisch ein Elektromotor 10 mit einem Stator 12, einem innenliegenden Rotor 14 und einer Welle 16 dargestellt.
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Außerdem umfasst der Elektromotor 10 einen Temperatursensor 18, einen Magnetfeldsensor 20 und eine Steuereinheit 22.
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Der Elektromotor 10 ist ein Elektromotor zum Fahrzeugantrieb für Hybrid-Fahrzeuge oder rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge, insbesondere Pkw.
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Der Elektromotor 10 ist in der gezeigten Ausführungsform ein Innenläufermotor. Jedoch kann der Elektromotor 10 selbstverständlich auch als Außenläufermotor ausgebildet sein.
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Der Rotor 14 weist eine Rotormagnetspule 24 auf, die im Betrieb des Elektromotors 10 ein Rotormagnetfeld MR erzeugt, dessen Magnetfeldlinien in 1 angedeutet sind.
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Der Stator 12 umgibt den Rotor 14, wobei am Stator 12 der Temperatursensor 18 befestigt ist. Der Temperatursensor 18 misst somit die Temperatur des Stators 12.
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Denkbar ist jedoch auch, dass der Temperatursensor 18 am Rotor 14 vorgesehen ist oder auf andere Weise die Temperatur des Rotors 14 bestimmt.
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Die Welle 16 ist drehfest mit dem Rotor 14 verbunden und stellt die Drehachse D des Rotors 14 dar. In axialer Richtung in Bezug auf diese Drehachse D steht die Welle 16 über den Rotor 14 über und ist in diesem überstehenden Teil als Hohlwelle ausgeführt.
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Der dadurch gebildete Hohlraum 26 in der Welle 16 ist auf der vom Rotor 14 abgewandten Seite offen und wird durch eine Innenseite 28 der Welle 16 begrenzt. Im Hohlraum 26 ist ein Magnet 30 vorgesehen, der in der gezeigten Ausführungsform aus zwei Magnetplatten besteht.
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Die Magnetplatten des Magneten 30 liegen einander gegenüber und sind an der Innenseite 28 der Welle 16 befestigt. Der Magnet 30 ist somit drehfest mit der Welle 16 und dem Rotor 14 verbunden.
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Die Magnetplatten sind beispielsweise Permanentmagneten, sodass auch der Magnet 30 ein Permanentmagnet ist. Er kann jedoch auch als Elektromagnet ausgeführt sein.
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Denkbar ist jedoch auch, dass der Magnet 30 ein Rohrmagnet oder ein Ringmagnet ist oder aus zwei gegenüberliegenden Stabmagneten gebildet ist.
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Der Magnet 30 erzeugt ein Magnetfeld, das zwischen den beiden Magnetplatten des Magnetes 30 im Wesentlichen homogen ist. Dieser Teil des Magnetfeldes, der zwischen den Magnetplatten liegt und homogen ist, wird als Messmagnetfeld MM bezeichnet.
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Zwischen den beiden Magnetplatten des Magneten 30 ist der Magnetfeldsensor 20 angeordnet.
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Der Magnetfeldsensor 20 ist an einem Träger 32 befestigt, der in den Hohlraum 26 in axialer Richtung eingeführt ist.
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Der Träger 32 und damit auch der Magnetfeldsensor 20 sind ortsfest, d. h. nicht rotierbar ausgebildet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Träger 32 Teil einer Schirmung 34, die wiederum Teil eines Gehäuses des Elektromotors 10 sein kann.
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Somit dreht sich während des Betriebs des Elektromotors 10 der Magnet 30 um den Magnetfeldsensor 20 herum, wodurch sich auch die Orientierung des Messmagnetfeldes MM gegenüber dem Magnetfeldsensor 20 ändert. Diese verschiedenen Orientierungen des Messmagnetfeldes MM kann der Magnetfeldsensor 20 detektieren, wodurch auf die Rotorlage des Elektromotors 10 geschlossen werden kann.
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Hierzu ist der Magnetfeldsensor 20 mit der Steuereinheit 22 informationstechnisch verbunden, d. h. mittels eines Signalkabels oder einer Funkverbindung.
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Die Steuereinheit 22 kann dabei als separate Einheit oder auch als Teil einer Steuerung des Elektromotors 10 oder einer Steuerung des gesamten Fahrzeugs ausgebildet sein.
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Auch der Temperatursensor 18 ist mit der Steuereinheit 22 informationstechnisch verbunden.
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In 2 ist eine Ansicht des Elektromotors 10 in axialer Richtung auf den Rotor 14 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung der Schirmung 34 verzichtet, lediglich der Magnetfeldsensor 20 ist gepunktet angedeutet. Die Drehrichtung des Rotors 14 ist durch die gestrichelte Linie veranschaulicht.
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Zu erkennen ist in 2, dass der Rotor 14 mehrere Stromleitungen 36 aufweist, die in axialer Richtung verlaufen. Diese Stromleitungen 36 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nicht dargestellt.
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Die beiden Stromleitungen 36 sind dabei so angeordnet, dass eine gedachte Gerade senkrecht zur Drehachse D, die die beiden Stromleitungen 36 verbindet, parallel zu den Magnetfeldplatten des Magneten 30 verläuft. Diese gedachte Gerade verläuft somit senkrecht zum Messmagnetfeld MM .
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Wird der Rotor 14 während des Betriebs des Elektromotors 10 nun bestromt, fließt durch die Stromleitungen 36 ein elektrischer Strom, durch den ein Störmagnetfeld MS induziert wird. Dieses Störmagnetfeld MS verläuft auch durch das Messmagnetfeld MM und kann dieses stören.
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Aufgrund der Position der Stromleitungen 36 relativ zum Messmagnetfeld MM verlaufen die Magnetfeldlinien des Störmagnetfeldes MS im Bereich des Messmagnetfeldes MM im Wesentlichen parallel zum Messmagnetfeld MM .
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Im in 2 gezeigten Beispiel verlaufen sie in die gleiche Richtung wie die Magnetfeldlinien des Messmagnetfeldes MM , jedoch ist es auch denkbar, dass bei einer umgekehrten Bestromung der Stromleitungen 36 die Magnetfeldlinien des Störmagnetfeldes MS gegenläufig zu den Magnetfeldlinien des Messmagnetfeldes MM sind.
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Auf diese Weise verändert das Störmagnetfeld MS zwar den Betrag des Messmagnetfeldes MM , jedoch nicht die Richtung, sodass von den Stromleitungen 36 nur eine sehr geringe Störung der Messung des Magnetfeldsensors 20 ausgeht.
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Zur Bestimmung der Rotorlage des Rotors 14 des Elektromotors 10 wird vom Temperatursensor 18 die Temperatur des Stators 12 (oder in anderen Ausführungsformen des Rotors 14) bestimmt, und die ermittelten Temperaturwerte werden an die Steuereinheit 22 übermittelt.
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Anhand dieser Temperaturwerte kann die Steuereinheit 22 dann auf die Temperatur des Magnetfeldsensors 20 schließen.
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Dies geschieht beispielsweise anhand eines Umrechnungsfaktors, eines Temperaturmodells oder einer sonstigen Abhängigkeit dieser beiden Temperaturen.
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Somit hat die Steuereinheit 22 nun eine ausreichend präzise Information über die Temperatur des Magnetfeldsensors 20, ohne dass ein separater Temperatursensor für den Magnetfeldsensor 20 vorgesehen ist.
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Der Magnetfeldsensor 20 misst die Orientierung des Messmagnetfeldes MM und übermittelt die Messwerte als Messsignal ebenfalls an die Steuereinheit 22.
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Das Messsignal des Magnetfeldsensors 20 enthält also Informationen über die Orientierung des Magnetfeldes MM und damit auch über die Rotorlage des Rotors 14.
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Jedoch ist die Messung des Magnetfeldsensors 20 von der Temperatur des Magnetfeldsensors 20 abhängig, sodass das Messsignal des Magnetfeldsensors 20 in Abhängigkeit der Temperatur des Magnetfeldsensors 20 korrigiert werden muss.
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Hierzu verwendet die Steuereinheit 22 die zuvor abgeschätzte Temperatur des Magnetfeldsensors 20 und ermittelt daraufhin die temperaturkorrigierte Rotorlage des Rotors 14.
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Dabei kann die Steuereinheit 22 entweder das Messsignal des Magnetfeldsensors 20 korrigieren, bevor sie das Messsignal in die Rotorlage umrechnet, oder aber die Steuereinheit 22 rechnet das Messsignal des Magnetfeldsensors 20 zunächst in die Rotorlage um und korrigiert dann die ermittelte Rotorlage anhand der abgeschätzten Temperatur des Magnetfeldsensors 20.
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Auf diese Weise ist es möglich, ohne einen Temperatursensor für den Magnetfeldsensor 20 eine hochpräzise Messung der Rotorlage des Rotors 14 des Elektromotors 10 durchzuführen.
