DE102018213087A1

DE102018213087A1 - Vorrichtung zur Ermittlung des durch die elektrische Maschine aufgenommenen oder abgegebenen Drehmoments sowie der Drehwinkellage

Info

Publication number: DE102018213087A1
Application number: DE102018213087.6A
Authority: DE
Inventors: Paul Mehringer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-08-06
Filing date: 2018-08-06
Publication date: 2020-02-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zur Erfassung eines auf eine erste Welle (15) einer elektrischen Maschine (80), insbesondere auf eine ständerseitige Welle (15) einer motorisch oder generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine (80) für ein Kraftfahrzeug (10), entlang einer Rotationsachse wirkenden Drehmoments M, wobei die Vorrichtung eine in Richtung eines Momentflusses der elektrischen Maschine (80) angeordnete weitere Welle zur Drehmomentübertragung aufweist, wobei die erste Welle (15) und die weitere Welle mechanisch miteinander koppelbar sind, um bei Antrieb der ersten Welle oder der weiteren Welle eine Übertragung von Drehmoment (M) und axialer Kraft zwischen den Wellen (15, 20) zu bewirken, wobei die Vorrichtung ferner eine Sensoreinheit (30) aufweist, die eingerichtet ist, eine zwischen den Wellen (15, 20) wirkende axiale Kraft oder eine dafür repräsentative Größe als Maß für ein auf zumindest eine der Wellen (15,20) wirkendes Drehmoment (M) und/oder die Drehwinkellage (α) zumindest der ersten Welle (15) und/oder der weiteren Welle (20) zu erfassen. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einer Vorrichtung zur Ermittlung eines auf eine elektrische Maschine (80) wirkenden Drehmoments sowie ein Verfahren zur Ermittlung eines solchen Drehmoments und/oder die Drehwinkellage (α) zumindest der ersten Welle (15) und/oder der weiteren Welle (20).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, eine Vorrichtung zur Erfassung eines auf zumindest eine erste Welle der elektrischen Maschine wirkenden Drehmoments sowie ein Verfahren zur Erfassung eines auf zumindest die erste Welle der elektrischen Maschine wirkenden Drehmoments.
Stand der Technik
Zur Regelung der Bordnetzspannung in Fahrzeugen bzw. zur Unterstützung des mittels einer Brennkraftmaschine angetriebenen Antriebsstrangs in einem Fahrzeug, können elektrische Maschinen, insbesondere fremderregte elektrische Maschinen, verwendet werden. Hierzu kann die elektrische Maschine mit einer entsprechenden Recheneinheit verbunden sein, die insbesondere in einem generatorischen Zustand, abhängig von der Bordnetzspannung den Erregerstrom der elektrischen Maschine regelt bzw. in einem motorischen Betrieb, das entsprechend angeforderte Drehmoment bei der elektrischen Maschine einstellen kann.
Grundsätzlich ist eine möglichst genaue Kenntnis des durch die elektrische Maschine aufgenommenen bzw. abgegebenen Drehmoments, je nach Betriebsart der elektrischen Maschine im motorischen oder generatorischen Betrieb, von allgemeinem Interesse, insbesondere um eine Steuerung einer die elektrische Maschine antreibenden Brennkraftmaschine entsprechend zu regeln. Insbesondere bei regelungstechnisch kritischen Zuständen der Brennkraftmaschine, wie z.B. dem Leerlaufzustand, ist die genaue Kenntnis des von der elektrischen Maschine aufgenommenen Drehmoments von besonderem Interesse, da das aufgenommene Drehmoment in Spitzen sehr hohe Werte annehmen kann, wobei die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine bzw. das hiermit verbundene Drehmoment eher gering bzw. schwankend ist. Dies kann zu erheblichen Drehzahlinstabilitäten der Brennkraftmaschine führen, welche im Extremfall dazu führen können, dass die Drehbewegung der Brennkraftmasche bewirkt durch das aufgenommene Drehmoment der elektrischen Maschine zum Erliegen kommt. Des Weiteren ist auch bei entsprechenden Hybridlösungen, bei denen die Brennkraftmaschine durch ein abgegebenes Drehmoment der elektrischen Maschine unterstützt wird, die genaue Kenntnis des von der elektrischen Maschine abgegebenen Drehmoments von Interesse, da das sich hieraus ergebende Gesamtdrehmoment aus elektrischer Maschine und Brennkraftmaschine möglichst exakt auf entsprechende Fahranforderungen einzuregeln ist.
Hierzu sind aus dem Stand der Technik Drehmomentermittlungsverfahren bekannt, die über eine Erfassung des Erregerstroms einer elektrischen Maschine und dessen Drehzahl das Anliegen des Drehmoments schätzen. Hierbei handelt es sich jedoch um ein eher aufwändiges und für manche Anwendungen nicht ausreichend genaues Verfahren, da neben dem Erregerstrom und der Drehzahl zusätzlich Verlustleistungsbestandteile der elektrischen Maschine in das Verfahren eingehen, die entweder ebenfalls geschätzt oder mittels eines Modells aufwendig berechnet werden müssen. Ein derartiges Verfahren ist beispielweise in der DE 100 401 112 A1 beschrieben.
Darüber hinaus sind auch weitere Drehmomenterfassungseinrichtungen bekannt, die an einer mit einem Drehmoment beaufschlagten Welle angeordnet sind, wobei das die Welle beaufschlagende Drehmoment zu mechanischen Verspannungen innerhalb der Welle führt. Die mit den mechanischen Verspannungen in der Welle in Zusammenhang stehenden Effekte werden ausgenutzt, um so den Wert eines auf die Welle wirkenden Drehmoments zu ermitteln. Hierzu werden beispielsweise Materialien eingesetzt, die von den mechanischen Belastungen abhängige magnetische und/oder elektrische Eigenschaften zeigen. Nachteilig ist dabei eine entsprechend aufwendige und für eine Ermittlung des übertragenen Drehmoments notwendige materielle Modifikation innerhalb der das Drehmoment übertragenden Welle. Andererseits sind aktive Sensoren denkbar, die magnetische Felder in die Welle einprägen und aus der von der mechanischen Belastung abhängigen Feldantwort der Welle auf das Drehmoment schließen lassen. Diese aktiven Sensoren sind - wie andere auch - aber vergleichsweise aufwendig und störanfällig.
Es wäre daher wünschenswert, die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Ermittlung eines Drehmoments auf eine Welle zur Anwendung innerhalb einer elektrischen Maschine dahingehend weiter zu entwickeln, dass ein auf die elektrische Maschine wirkendes bzw. ein von der elektrischen Maschine abgegebenes Drehmoment mit geringerem Aufwand und höherer Genauigkeit ermittelbar ist. Darüber hinaus wäre es wünschenswert, das Verfahren sowie die Vorrichtung derart weiterzubilden, dass neben dem wirkenden Drehmoment auch die Drehwinkellage zumindest einer der das Drehmoment übertragenden Wellen ermittelbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Es werden eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, eine Vorrichtung zur Erfassung eines auf eine Welle einer elektrischen Maschine wirkenden Drehmoments, sowie ein Verfahren zur Erfassung eines auf eine Welle einer elektrischen Maschine wirkenden Drehmoments vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Vorrichtung als auch das Verfahren dienen dem Ermitteln eines auf eine erste Welle einer elektrischen Maschine, insbesondere auf eine ständerseitige Welle einer motorisch oder generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug, entlang einer Rotationsachse wirkenden Drehmoments. Die Vorrichtung weist ferner eine in Richtung eines Momentflusses der elektrischen Maschine angeordnete weitere Welle zur Drehmomentübertragung auf, wobei die erste Welle und die weitere Welle mechanisch miteinander koppelbar sind, um bei Antrieb der ersten Welle oder der weiteren Welle eine Übertragung von Drehmoment und axialer Kraft zwischen den Wellen zu bewirken. Ferner weist die Vorrichtung eine Sensoreinheit auf, die eingerichtet ist, eine zwischen den Wellen wirkende axiale Kraft oder eine dafür repräsentative Größe, wie z.B. eine axiale Verschiebung, als ein Maß für ein auf zumindest eine der Wellen wirkendes Drehmoment zu erfassen. Durch die mechanische Kopplung der Wellen miteinander lässt sich mittels der Sensoreinheit die zwischen den Wellen wirkenden axialen Kräfte als ein Maß für das aufgeprägte Drehmoment auf einfache und zuverlässige Weise ermitteln, wobei die Kraft ihrerseits durch das die Welle beaufschlagende Drehmoment bewirkt wird. Durch den entsprechenden Eingriff der ersten Welle zur weiteren Welle und der hiermit verbundenen Drehmomentübertragung, steht das übertragene Drehmoment zu der auf die Wellen wirkenden axialen Kraft in einem funktionalen Zusammenhang, weswegen durch Ermittlung der axial wirkenden Kraft bzw. einer sich hieraus abgeleiteten Größe unter Heranziehung der geometrischen Gegebenheiten der Ankopplung der beiden Wellen aneinander, auf das übertragene Drehmoment geschlossen werden kann.
Dieses direkte Messverfahren ist besonders vorteilhaft, da hierbei nicht auf mehrere teils fehlerbehaftete Maschinengrößen der elektrischen Maschine zurückgegriffen werden muss, um das übertragene Drehmoment zu ermitteln. Ferner arbeiten Verfahren, die aus Maschinengrößen das Drehmoment auf Basis von Maschinenmodellen ableiten, nicht mehr korrekt, sobald ein interner Maschinenfehler vorliegt, wie z.B. der vollständige oder partielle Kurzschluss von Ständerdrähten. Des Weiteren ist auch keine aufwendige Messsensorik zur Ermittlung der Verspannungen innerhalb des Materials der Welle erforderlich, um anhand der sich in der Welle gebildeten Verspannungen auf das die Welle beaufschlagende Drehmoment zurückschließen zu können. Die Kraft ist hierbei vorzugsweise im Rahmen einer axialen Verschiebung, die ihrerseits mit nahezu beliebiger Genauigkeit mit unterschiedlichsten messtechnischen Verfahren, wie z.B. optischen Verfahren, mechanischen Verfahren oder Druckmessungen, bestimmbar sind, ermittelbar.
Darüber hinaus dienen die vorliegende Vorrichtung als auch das Verfahren einer Ermittlung einer Drehwinkellage zumindest der ersten Welle und/oder der weiteren Welle, mittels denen ein Drehmoment übertragen wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Sensorik, die zur Ermittlung des übertragenen Drehmoments verwendet wird, auch zur Erfassung der Drehwinkellage und/oder der Drehzahl zumindest einer der Wellen verwendbar ist, ohne dass hierfür weitere Sensoren erforderlich wären. Durch diese Maßnahmen kann das System besonders einfach, kostengünstig und robust gegenüber Störeinflüssen gehalten werden, da die Komponenten für die Messsensorik auf ein Mindestmaß reduzierbar sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Welle und die weitere Welle mit ihren Achsen parallel, weiter vorzugsweise koaxial zueinander angeordnet. Eine parallele bzw. koaxiale Anordnung der beiden Welle zueinander hat den Vorteil, dass die beiden Wellen besonders kompakt angeordnet werden können, um das Drehmoment von der einen auf die andere Welle zu übertragen, wodurch sich der erforderliche Bauraum auf ein Mindestmaß reduziert.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung sind die erste Welle und die weitere Welle über jeweils ineinandergreifende Schrägverzahnungen oder jeweils ineinandergreifende Gewinde miteinander mechanisch gekoppelt. Die Kopplung der beiden Wellen aneinander zur Übertragung von Drehmoment mittels jeweils ineinandergreifender Schrägverzahnungen bzw. ineinandergreifender Gewinde ist besonders vorteilhaft, da anhand der geometrischen Eigenschaften der ineinandergreifenden Gewinde bzw. Schrägverzahnungen, insbesondere deren Steigung zur Längsachse der jeweiligen Welle, direkt die Relation zwischen der axial wirkenden Kraft sowie des über die Wellen übertragenen Drehmoments ableitbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine der ersten Welle und der weiteren Welle als Hohlwelle, insbesondere mit einer Innverzahnung oder Innengewinde, und die jeweils andere der ersten Welle und der weiteren Welle als Innenwelle mit Außenverzahnung oder Außengewinde und von der Hohlwelle zumindest teilweise umschlossen ausgebildet. Durch die Kombination zweier Wellen, wobei die eine Welle als Hohlwelle mit Innenverzahnung und die andere Welle als hierzu koaxial verlaufende Innenwelle mit Außenverzahnung ausgebildet ist, lässt sich auf besonders einfache Weise eine kompakte Ankopplung der beiden Welle aneinander erreichen, die sowohl in axialer Erstreckung als auch in radialer Erstreckung einen minimalen Bauraum erfordern.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Hohlwelle in Form eines Koppelelements zur Ankopplung an die Brennkraftmaschine oder einen Antriebstrang, vorzugsweise als eine Riemenscheibe ausgebildet, die zur Aufnahme eines Riemens, der die elektrische Maschine an eine Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs zur Übertragung von Drehmoment ankoppelt, ausgebildet ist. Die Integration des Hohlwellenprinzips in eine Riemenscheibe, die standardmäßig an elektrischen Maschinen, wie sie in Kraftfahrzeugen eingebaut sind, vorgesehen ist, ist besonders vorteilhaft, da hier bereits bestehende Bauteile lediglich geringfügig modifiziert werden müssen, um eine Vorrichtung zur Erfassung eines auf eine Welle wirkenden Drehmoments zu implementieren.
Das Funktionsprinzip der zugrundeliegenden Sensoreinheit zur Messung der zwischen den Wellen wirkenden axialen Kraft, als Maß für eine auf zumindest eine Welle ausgeübtes antreibendes Drehmoment, kann unterschiedlich ausgeprägt sein.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind dazu die Welle und die weitere Welle zu einem axialen Spiel relativ zueinander ausgebildet. Die Beweglichkeit mit dem Spiel zwischen erster Welle und weiterer Welle ergibt sich dabei insbesondere beim Antrieb der Welle mit einem antreibenden Drehmoment, zwischen einem ersten Anschlag und einem weiteren Anschlag und/oder einer entgegen einer reversiblen Krafteinwirkung mittels mindestens eines ersten Abstützelements. Das Abstützelement weist hierbei vorzugsweise ein reversibel verformbares Material auf und ist vorzugsweise in Form eines elastischen Polymers oder eines entsprechenden Federelements ausgebildet.
In diesem Fall lässt sich auf einfache Weise auch das antreibende Drehmoment, welches auf die Welle wirkt, erfassen. Dies geschieht in vorteilhafter Weise indem das Maß des axialen Spiels zwischen der Welle und der weiteren Welle als Maß für das auf die Welle einwirkende Drehmoment erfassbar ist, insbesondere mit einer Skalierung des Drehmoments über die Federkraft des Abstützelements, über Eigenschaften und insbesondere den Winkel der Schrägverzahnung und/oder über einen Positions- und/oder Abstandssensor, vorzugweise mittels eines Hallsensors und eines Magnetelements. Es versteht sich, dass grundsätzlich je nach Drehmomentfluss die erste Welle oder die weitere Welle als Antriebs- oder Abtriebswelle ausgebildet sein kann. Auch optische Verfahren, insbesondere die Laserinterferometrie, können vorzugsweise zur Ermittlung besonders kleiner Längenänderungen zum Einsatz kommen.
Hierbei ist vorzugsweise das Signalgeberelement vom Abstandssensor beabstandet an einer der Wellen derart angeordnet, dass anhand des Abstands zwischen Signalgeberelement und Abstandssensor das wirkende Drehmoment und/oder anhand der radialen Lage zwischen Signalgeberelement und Abstandssensor die Drehwinkellage und/oder die Drehzahl zumindest der ersten Welle und/oder der weiteren Welle ermittelbar ist. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da die zur Drehmomentermittlung verwendete Sensorik auch zur Ermittlung der Drehwinkellage und/oder der Drehzahl herangezogen werden kann.
Die der Vorrichtung zugrundliegenden Wirkprinzipien werden auch im Rahmen eines Verfahrens zur Erfassung eines auf eine erste Welle einer elektrischen Maschine wirkenden Drehmoments, der Drehwinkellage und/oder der Drehzahl berücksichtigt, wobei auf Basis der mittels der Sensoreinheit ermittelten Werte in Form einer axialen Verschiebung, einer Kraft oder eine dafür repräsentative Größe als ein Maß für ein auf zumindest eine der Welle wirkendes Drehmoment zurückgeschlossen wird, wobei auf Basis der axial wirkenden Kraft oder der dafür repräsentativen Größe, auf das auf die Welle wirkende Drehmoment geschlossen wird. Zudem kann, wie bereits zuvor beschrieben, die Drehwinkellage und/oder die Drehzahl erfasst werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die elektrische Maschine unter Abgleich mit dem ermittelten Drehmoment auf ein gewünschtes Drehmoment geregelt. Dies ist besonders vorteilhaft, da das Verfahren zur Regelung der elektrischen Maschine besonders einfach und mit geringen Rechen- und Speicherressourcen umsetzbar ist, da das tatsächlich vorliegende bzw. an der Welle anliegende Drehmoment nicht aufwendig anhand von Sekundärgrößen der elektrischen Maschine ermittelt werden muss.
In einer weiteren Ausgestaltung wird ein Vergleich des gemessenen Drehmoments mit einem aus Maschinengrößen rechnerisch ermittelten Drehmoments durchgeführt und bei einer zu großen Abweichung der gemessenen von der rechnerisch ermittelten Größe auf das Vorliegen eines Fehlers geschlossen.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens stehen das Signalgeberelement und der Abstandssensor in magnetischer Kopplung zueinander, wobei durch diese Kopplung ein erstes Spannungssignal und zumindest ein weiteres Spannungssignal induziert wird, wobei anhand der Amplitude zumindest eines Spannungssignals das Drehmoment und aus dem Phasenunterschied zwischen dem ersten Spannungssignal und zumindest dem weiteren Spannungssignal die Drehwinkellage zumindest der ersten Welle und/oder der weiteren Welle ermittelt wird. Darüber hinaus kann aus dem zeitlichen Verlauf zumindest eines der Spannungssignale, insbesondere unter Berücksichtigung einer Nullmarke, die Drehzahl zumindest einer der Wellen ermittelt werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Figurenliste

1 a, b zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs sowie der im Kraftfahrzeug aufgenommenen Brennkraftmaschine und die an die Brennkraftmaschine gekoppelte elektrische Maschine;
2 zeigt eine geschnittene Ansicht einer schematisch dargestellten elektrischen Maschine, sowie der Vorrichtung zur Ermittlung des durch die elektrische Maschine aufgenommenen oder abgegebenen Drehmoments gemäß einer ersten Ausführungsform;
3a zeigt eine geschnittene Ansicht einer schematisch dargestellten elektrischen Maschine sowie der Vorrichtung zur Ermittlung des durch die elektrische Maschine aufgenommenen oder abgegebenen Drehmoments sowie der Drehwinkellage zumindest einer Welle gemäß einer weiteren Ausführungsform;
3b zeigt den Verlauf von Messsignalen zur Ermittlung des durch die elektrische Maschine aufgenommenen oder abgegebenen Drehmoments sowie der Drehwinkellage zumindest einer Welle;
4 bis 6 zeigen in schematischer Weise eine Erläuterung des Zusammenhangs zwischen Antriebskraft, Drehmoment und axialer Kraft; und
7 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung des Drehmoments und der Drehwinkellage zumindest einer Welle unter Anwendung der Vorrichtung zur Ermittlung des durch die elektrische Maschine aufgenommenen oder abgegebenen Drehmoments.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche oder gleichwertige sowie gleiche oder gleichwirkende Elemente und Komponenten werden ohne Beschränkung der Allgemeinheit mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
In den 1a und 1b sind beispielhaft ein Kraftfahrzeug 10 beschrieben, in dem eine Brennkraftmaschine BKM sowie eine daran gekoppelte elektrische Maschine 80 aufgenommen ist. Die Brennkraftmaschine BKM ist als Antriebseinheit für das Kraftfahrzeug 10 vorgesehen, wobei die an die Brennkraftmaschine BKM gekoppelte elektrische Maschine 80 zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes mit elektrischer Energie vorgesehen ist, aber auch als weiteres Antriebsaggregat, das entweder an die Brennkraftmaschine BKM oder an einen Antriebsstrang (nicht abgebildet) angekoppelt ist, vorgesehen sein kann.
Gemäß 1a ist die elektrische Maschine 80 mittels des Kopplungselements K direkt an die Brennkraftmaschine BKM bzw. den damit verbundenen Antriebsstrang angekoppelt. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1b ist die elektrische Maschine 80 mit einem Koppelelement R in Form eines Riemens über eine Riemenscheibe RS an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine BKM angekoppelt, wobei, wie zuvor bereits beschrieben, die elektrische Maschine 80 seitens der Brennkraftmaschine BKM in einem generatorischen Betrieb mit Drehmoment beaufschlagt wird, bzw. in einem motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 80 die Brennkraftmaschine ihrerseits mit einem Drehmoment beaufschlagt. Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls möglich, die Brennkraftmaschine BKM und die elektrische Maschine 80 getrennt voneinander in den Antriebstrang des Kraftfahrzeugs 10 einzukoppeln (nicht dargestellt).
Die elektrische Maschine 80 sowie die Vorrichtung zur Erfassung des durch die elektrische Maschine 80 aufgenommenen oder abgegebenen Drehmoments 100 ist in einer ersten Ausführungsform in 2 dargestellt. Die elektrische Maschine 80 weist, wie üblich, einen Ständer S und einen sich hierzu drehbar orientierten Läufer L auf, der auf der Achse 15 aufgebracht und drehbar um die Drehachse 15-3 in der elektrischen Maschine 80 gelagert ist. Die erste Welle 15 des Ständers S ist als Innenwelle mit einer Außenverzahnung 16 oder einem Außengewinde 16 ausgebildet, und wird von einer weiteren Welle 20, die ein Innengewinde 22 aufweist, zumindest teilweise umschlossen.
Je nach Umdrehungsrichtung n+ bzw. n- der weiteren Welle 20 und/oder der Richtung des Drehmomentflusses 15-4, bewirkt durch ein von der ersten Welle 15 auf die weitere Welle oder durch die weitere Welle 20 auf die erste Welle aufgeprägtes Drehmoment M kann entweder die erste Welle bzw. die weitere Welle 20 als Antriebs- bzw. Abtriebswelle bezeichnet werden. Hierbei ist unter der Antriebswelle die Welle zu verstehen, die in Richtung des Drehmomentflusses 15-4 der jeweils anderen Welle vorgelagert ist.
Die Wellenachse 20-3 der weiteren Welle 20 und die Wellenachse 15-3 der ersten Welle 15 sind koaxial zueinander angeordnet, d.h. dass die jeweiligen Wellen im Schnitt konzentrisch zueinander ausgerichtet sind. Die weitere Welle 20 in Form einer Riemenscheibe RS ist mit einem Koppelelement R in Form eines Riemens an die Brennkraftmaschine BKM angebunden, wobei der Riemen R vermittelt durch die Riemenscheibe RS ein Drehmoment M auf die elektrische Maschine 80 überträgt (vgl. hierzu 1).
Die Ankopplung zur Übertragung von Drehmoment von der weiteren Welle 20 auf die erste Welle 15 erfolgt über das Innengewinde 22 der weiteren Welle 20, das mit dem Außengewinde bzw. der Außenverzahnung 16 der ersten Welle 15 in Eingriff steht. Hierdurch wird erreicht, dass durch den Antrieb der ersten Welle 15 vermittelt durch das Koppelelement in Form eines Riemens R und das hierdurch bewirkte Drehmoment 15-4, aufgrund der Wechselwirkung oder des Eingreifens der Gewinde oder Verzahnungen 16 bzw. 20 miteinander, eine axiale Kraft 15-5 zwischen der ersten Welle 15 und der weiteren Welle 20 bewirkt wird.
Hierbei wirkt die jeweilige Schrägverzahnung in diesem Zusammenhang vergleichbar wie eine schiefe Ebene, die das radiale Kraftmoment - Drehmoment - in eine axiale Komponente F_A und eine Komponente, die senkrecht zur Schrägverzahnung wirkt, F_M , zerlegt. Demzufolge gibt es auch noch eine weitere, nämlich eine Normalkomponente F_N , die in Richtung der Flächennormalen der jeweiligen Schrägverzahnung ausgerichtet ist. Dieser Wirkmechanismus ist nochmals ergänzend in den 4 bis 6 dargestellt.
Aufgrund der axialen Kraft 15-5 erfolgt im Zusammenhang mit dem möglichen Spiel 15-6 zwischen der ersten Welle 15 und der weiteren Welle 20 eine Bewegung der ersten Welle als Innenwelle in der weiteren Welle als Außenwelle, so dass sich das erste Ende 15-1 der ersten Welle 15 auf den Anschlag 41 des ersten Endes 20-1 der weiteren Welle 20 zubewegt, wobei in den Zwischenraum zwischen dem ersten Ende 15-1 und dem Ende 20-1 ein Abstützelement in Form eines Federelements 51 aufgenommen ist. Analog hierzu kann im weiteren Zwischenraum zwischen den gegenüberliegenden Enden 15-2 der ersten Welle 15 und 20-2 der weiteren Welle 20 also im Zwischenraum zwischen dem weiteren Anschlag 42 der weiteren Welle 20 und dem Ende der Außenverzahnung der ersten Welle 15 ebenfalls ein Abstützelement 52 eingebracht sein.
Die Abstützelemente 51 bzw. 52 sind vorzugsweise radial symmetrisch zur ersten Welle, weiter vorzugsweise koaxial hierzu, zur Abstützung der ersten Welle 15 gegenüber der weiteren Welle 20 im Zwischenraum zwischen erster Welle 15 und weiterer Welle 20 eingebracht. Hierdurch wird das mögliche Spiel 15-6 der Wellen 15, 20 zueinander durch die Federvorspannung des Abstützelements 51 bzw. 52 limitiert, und die Wellen sind gegeneinander vorgespannt, was ein Schlagen der Wellen 15, 20 gegeneinander verhindert.
In Abhängigkeit von dem auf die Welle 15 aufgeprägten Drehmoment 15-4 und mithin in Abhängigkeit von der dadurch bewirkten, zum Drehmoment proportionalen axialen Kraft 15-5, wird das erste Federelement entsprechend komprimiert, bis sich die auf das Federelement wirkende axiale Kraft und die durch das Federelement bewirkte Gegenkraft kompensieren. In weiten Bereichen ist die Federkraft des ersten Federelements unter Gültigkeit des Hookeschen Gesetzes proportional zum Kompressionsweg, so dass das durch das Drehmoment 15-4 und die axiale Kraft 15-5 tatsächlich hervorgerufene axiale Spiel 15-6 als Verschiebung ein Maß für das auf die erste Welle 15 aufgeprägte Drehmoment 15-4 ist. In umgekehrter Richtung gilt diese Proportionalität entsprechend analog, insbesondere dann, wenn das Drehmoment 15-4 von der weiteren Welle 20 auf die erste Welle 15 aufgeprägt wird. Grundsätzlich versteht sich, dass ein Drehmomentfluss sowohl ein antreibendes Drehmoment oder ein Bremsmoment aufweisen kann, dass auf die elektrische Maschine, jedoch auch von dieser aufgebracht werden kann.
Je nach Drehmomentfluss 15-4 bzw. Drehrichtung n+ und n- der Wellen ergeben sich folgende Konfigurationen:

1. Bei einem Antriebsmoment von der elektrischen Maschine 80 auf den Riemen R und einer positiven Drehrichtung n₊ der Wellen 15, 20 ergibt sich eine Verschiebung um +ΔX;
2. Bei einem Antriebsmoment vom Riemen R auf die elektrische Maschine 80 und einer positiven Drehrichtung n+ der Wellen 15, 20 ergibt sich eine Verschiebung der weiteren Welle 20 um -ΔX;
3. Bei einem Antriebsmoment von der elektrischen Maschine 80 auf den Riemen R und einer negativen Drehrichtung n- ergibt sich für die weitere Welle 30 eine Verschiebung um -ΔX;
4. Bei einem Antriebsmoment vom Riemen R auf die elektrische Maschine 80 und einer Drehrichtung n- ergibt sich eine Verschiebung +ΔX für die weitere Welle 20.

Die positive Richtung für X ist in 2 mit dem Pfeil Q entlang der Mittelachse dargestellt.Mittels einer Sensoreinheit 30 mit einem Abstandssensor 31 - z.B. in Form einer Kombination aus Hallsensor 32 und Magnet 33 - können entsprechende Messdaten, insbesondere nach Art einer Abstandsmessung zur Ermittlung der durch die Drehmomentübertragung zwischen erster Welle 15 und weiterer Welle 20 übermittelten Drehmoment verursachten axialen Verschiebung 15-6 von ΔX, erfasst und gegebenenfalls über eine Steuereinheit CU ausgewertet werden. Auf Grundlage der bereits beschriebenen Korrelation zwischen Drehmoment und wirkender axialer Kraft 15-5 bzw. axialer Verschiebung 15-6 kann das durch die elektrische Maschine 80 bewirkte Drehmoment 15-4 ermittelt werden, wobei das hieraus ermittelte Drehmoment der elektrischen Maschine vorzugsweise bei der Ansteuerung der Brennkraftmaschine BKM herangezogen wird.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform der elektrischen Maschine 80 sowie der Vorrichtung zur Messung des Drehmoments 100 dargestellt. Hierbei sind die ineinandergreifenden Gewinde (16, 22) innerhalb der elektrischen Maschine 80 angeordnet. Bezüglich der Wirkweise der Schrägverzahnung gilt die Beschreibung zu 2 entsprechend. Das Signalgeberelement 33 ist vorliegend als Magnetelement ausgebildet und zum Abstandssensor 31 beabstandet.
Durch die magnetische Kopplung zwischen dem Signalgeberelement 33 und dem Abstandssensor 31 wird aufgrund des Nord- und Südpols N, S des Magnetelements jeweils eine Spannung U₁ und U₂ induziert. Diese sind beispielhaft als periodische Funktionen in 3b dargestellt. Aus zumindest einer der Amplituden A_1,2 zumindest einer der Spannungen U₁ und U₂ lässt sich der Abstand zwischen Sensor 31 und Signalgeberelement 33 und daraus das wirkende Drehmoment M ermitteln.
Darüber hinaus lässt sich aus der radialen Stellung β zwischen Sensor 31 und Signalgeberelement 33 die Drehwinkellage α zumindest der ersten Welle 15 und/oder der weiteren Welle 20 erfassen. Zur Erhöhung einer radialen Auflösung der Drehwinkellage α kann das Signalgeberelement 33 mit weiteren magnetischen Polen N, S radial segmentiert sein, wodurch sich weitere induzierte Spannungen ergeben, die zur Auswertung in Bezug auf die Drehwinkellage α und/oder das Drehmoment M verwendbar sind (nicht dargestellt).
Hierbei stehen das Signalgeberelement 33 und der Abstandssensor 31 in magnetischer Kopplung zueinander, wobei durch diese Kopplung ein erstes Spannungssignal U₁ und zumindest ein weiteres Spannungssignal U₂ induziert wird. Anhand der Amplitude A_1,2 zumindest eines Spannungssignals U₁ , U₂ kann somit das Drehmoment M und aus dem Phasenunterschied µ zwischen dem ersten Spannungssignal U₁ und zumindest dem weiteren Spannungssignal U₂ kann die Drehwinkellage α zumindest der ersten Welle 15 und/oder der weiteren Welle 20 ermittelt werden.
Zudem kann für die Festlegung eine Nullmarkierung vorgesehen sein. Des Weiteren kann aus dem zeitlichen Verlauf der Drehwinkellage α, insbesondere bei Vorsehen einer entsprechenden Markierung, wie der zuvor genannten Nullmarke, die Drehzahl der elektrischen Maschine ermittelt werden.
Die in den 3a und 3b beschriebene Anordnung sowie das nachfolgend beschriebene Verfahren zur Ermittlung des Drehmoments und/oder der Drehwinkellage α zumindest der ersten Welle (15) und/oder der weiteren Welle (20) kann ohne weiteres auf das in 2 beschriebene Ausführungsbeispiel übertragen werden.
In 7 ist schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung eines Drehmoments und /oder der Drehwinkellage α zumindest der ersten Welle (15) und/oder der weiteren Welle (20) sowie einer nachfolgenden Ansteuerung auf Basis des ermittelten Drehmoments bzw. der Drehwinkellage α einer Brennkraftmaschine BKM skizziert.
Im ersten Schritt SU1 wird eine zum übertragenen Drehmoment proportionale Größe unter Heranziehung der Messwerte der Vorrichtung zur Ermittlung des Drehmoments, ermittelt und hieraus, wie zuvor beschrieben, beispielsweise anhand der Proportionalität zwischen axialer Kraft und Drehmoment bzw. aus der axialen Verschiebung und dem Drehmoment, das tatsächlich übertragene Drehmoment, das von der elektrischen Maschine 80 oder auf die elektrische Maschine 80 übertragen wird, ermittelt.
In einem weiteren Schritt SU2 wird das von der Brennkraftmaschine BKM auf die elektrische Maschine 80 übertragene bzw. von der elektrischen Maschine 80 auf die Brennkraftmaschine BKM bzw. auf einen Antriebsstrang übertragene Drehmoment M, das vorliegend als Ist-Drehmoment Mist bezeichnet wird, mit einem entsprechenden Soll-Drehmoment M_Soll verglichen. Das Soll-Drehmoment M_Soll entspricht vorliegend insbesondere dem gewünschten Drehmoment M einer Fahranforderung.
In einem weiteren Verfahrensschritt SU3 wird je nach Abweichung vom Ist-Drehmoment M_Ist vom Soll-Drehmoment M_Soll die Brennkraftmaschine und/oder die elektrische Maschine 80 derart angesteuert, dass das Soll-Drehmoment M_Soll erreicht wird. Eine derartige Ansteuerung kann entweder durch die Steuereinheit CU oder durch eine dieser über oder untergeordneten Steuereinheit (nicht dargestellt) vorgenommen werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt SU4 wird aus der radialen Stellung β zwischen Sensor 31 und Signalgeberelement 33 die Drehwinkellage α zumindest der ersten Welle (15) und/oder der weiteren Welle (20) erfasst. Zur Erhöhung einer radialen Auflösung der Drehwinkellage α kann das Signalgeberelement 33 mit weiteren magnetischen Polen N,S radial segmentiert sein, wodurch sich weitere induzierte Spannungen ergeben, die zur Auswertung in Bezug auf die Drehwinkellage α und/oder das Drehmoment M verwendbar sind (nicht dargestellt). Des Weiteren kann aus dem zeitlichen Verlauf der Drehwinkellage α insbesondere bei Vorsehen einer entsprechenden Markierung (Nullmarke), die Drehzahl der elektrischen Maschine ermittelt werden. Auch die Drehwinkellage α und/oder die Drehzahl sind bei einer Ansteuerung entsprechend berücksichtigbar.
Des Weiteren kann die Auswertung des Drehmoments, der Drehwinkellage α und/oder der Drehzahl zur Detektion von Systemfehlern, insbesondere von Fehlfunktionen der elektrischen Maschine 80, deren Ankopplung an die Brennkraftmaschine und/oder an den Antriebstrang, herangezogen werden. Hierzu muss über die Überwachung von internen Signalen, wie Strom und Spannung der Ständerwicklung und der Winkellage des Rotors der elektrischen Maschine 80 und ein hinterlegtes Maschinenmodel ein berechnetes Drehmoment ermittelt und mit dem gemessenen Drehmoment verglichen werden.
Für die Winkellage des Ständers, bzw. der ständerseitigen Welle 15 kann vorzugsweise die zuvor beschriebene Vorrichtung und/oder das beschriebene Verfahren zur Ermittlung der Drehwinkellage herangezogen werden. Dies kann jedoch auch kumulativ oder alternativ mittels eines im Stand der Technik bekannten Drehwinkelgeber geschehen. Wenn diese beiden Drehmomentwerte eine zu hohe Abweichung zeigen, dann kann daraus, je nach Art und Umfang des detektierten Fehlers, auf Fehlfunktionen der elektrischen Maschine 80, deren Ankopplung an die Brennkraftmaschine und/oder an den Antriebstrang, geschlossen werden.
Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können ferner unter anderem folgende Aspekte einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander maßgeblich sein:

1) Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung 100 zur Erfassung eines auf eine erste Welle 15 einer elektrischen Maschine 80 wirkenden Drehmoments M, bei welchem im Drehmomentenpfad Wellen 15, 20 über eine Schrägverzahnung 16, 22 miteinander verbunden sind, wobei durch die Schrägverzahnung 16, 22 bei Anliegen eines Drehmoments eine axiale Kraft erzeugt wird, die durch ein Messsystem erfasst wird und als Maß für das anliegende Drehmoment verwendet wird.
2) Bei einer anderen Ausgestaltungsform der Vorrichtung sind die zwei Wellen 15, 20 ineinander geführt, wobei die äußere Welle 20 als Hohlwelle 20' ausgeführt ist und eine innere Schrägverzahnung 22 aufweist und die die andere Welle 15 eine innere Welle 15' ist und eine entsprechende äußere Schrägverzahnung 22 aufweist.
3) Zumindest eine der beiden Wellen kann ein axiales Spiel zulassen, welches durch ein Federprinzip eine Gegenkraft erfährt, wobei die axiale Auslenkung der Wellen zueinander als Maß für das anliegende Drehmoment verwendet wird.
3a) Über die Federkraft und/oder über die Eigenschaften der Schrägverzahnung kann eine Skalierung des Drehmoments erfolgen.
3b) Über die Richtung der Schrägverzahnung (Links- oder Rechtsgewinde) kann die Richtung der Auslenkung bei Anliegen eines Drehmoments erfolgen.
3c) Die Richtung der Auslenkung gibt Aufschluss über den Momentenfluss. So kann z.B. bei Verwendung einer elektrischen Maschine als Motor oder Generator in beiden Richtungen das auftretende Drehmoment erfasst werden.
4) Das erfindungsgemäße Prinzip kann zweimal angewendet werden, wobei durch Einsatz eines Rechts- und eines Linksgewindes die erzielte Auslenkung sich dann aufhebt, wenn die beiden Drehmomente genau in einem bestimmten Verhältnis zueinanderstehen.
5) Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Drehmomenterfassung kann in einem Kraftfahrzeug an einer Kopplung zwischen einer Brennkraftmaschine und einer elektrischen Maschine zur Erfassung des von der elektrischen Maschine aufgenommenen und/oder abgegebenen Drehmoments verwendet werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 100401112 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung (100) zur Erfassung eines auf eine erste Welle (15) einer elektrischen Maschine (80), insbesondere auf eine ständerseitige Welle (15) einer motorisch und/oder generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine (80) für ein Kraftfahrzeug (10), entlang einer Rotationsachse (15-3) wirkenden Drehmoments (M), - welche eine in Richtung eines Momentenflusses der elektrischen Maschine (80) angeordnete weitere Welle (20) zur Drehmomentübertragung aufweist, - bei welcher die erste Welle (15) und die weitere Welle (20) mechanisch miteinander koppelbar sind, um bei Antrieb der ersten Welle (15) oder der weiteren Welle (20) eine Übertragung von Drehmoment (M) und axialer Kraft zwischen den Wellen (15, 20) zu bewirken, und - welche eine Sensoreinheit (30) aufweist, die eingerichtet ist, eine zwischen den Wellen (15, 20) wirkende axiale Kraft oder eine dafür repräsentative Größe als ein Maß für ein auf zumindest eine der Wellen (15, 20) wirkendes Drehmoment (M) und/oder die Drehwinkellage (α) zumindest der ersten Welle (15) und/oder der weiteren Welle (20) zu erfassen.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, bei welcher die erste Welle (15) und die weitere Welle (20) mit ihren Achsen (15-3, 20-3) parallel und insbesondere koaxial zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die erste Welle (15) und die weitere Welle (20) über jeweils ineinandergreifende Schrägverzahnungen (16, 22) oder jeweils ineinandergreifende Gewinde (16, 22) miteinander mechanisch gekoppelt sind.
Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher eine der ersten Welle (15) und der weiteren Welle (20) als Hohlwelle, insbesondere mit Innenverzahnung (22) oder Innengewinde (22), und die jeweils andere der ersten Welle (15) und der weiteren Welle (20) als Innenwelle mit Außenverzahnung (16) oder Außengewinde (16) von der Hohlwelle zumindest teilweise umschlossen ausgebildet ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei die Hohlwelle in Form eines Koppelelements (K) zur Ankopplung an die Brennkraftmaschine (BKM) oder einen Antriebstrang, vorzugsweise als eine Riemenscheibe (RS), die zur Aufnahme eines Riemens (R), der die elektrische Maschine (80) an eine Brennkraftmaschine (BKM) des Kraftfahrzeugs (10) zur Übertragung von Drehmoment ankoppelt, ausgebildet ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die erste Welle (15) und die weitere Welle (20) mit einem axialen Spiel relativ zueinander ausgebildet sind, insbesondere bei Antrieb der Welle (15), zwischen einem ersten Anschlag (41) und einem zweiten Anschlag (42) und/oder entgegen einer reversiblen Krafteinwirkung mittels mindestens eines ersten Abstützelements (51).
Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, bei welcher das Maß des axialen Spiels zwischen der ersten Welle (15) und der weiteren Welle (20) als Maß für das auf die erste Welle (15) oder die weitere Welle (20) einwirkende Drehmoment erfassbar ist, insbesondere mit einer Skalierung des Drehmoments über die Federkraft des Abstützelements (51), über Eigenschaften und insbesondere den Winkel der Schrägverzahnung und/oder über einen Positions- und/oder Abstandssensor (31) und ein Signalgeberelement (33), vorzugsweise mittels eines Hallsensors (32) und eines Magnetelements (33).
Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei das Signalgeberelement (33) vom Abstandssensor (31) beabstandet an einer der Wellen (15, 20) derart angeordnet ist, dass anhand des Abstands (d) zwischen Signalgeberelement (33) und Abstandssensor (31) das wirkende Drehmoment (M) und anhand der radialen Lage (β) zwischen Signalgeberelement (33) und Abstandssensor (31) die Drehwinkellage (α) zumindest der ersten Welle (15) und/oder der weiteren Welle (20) ermittelbar ist.
Elektrische Maschine (80) für ein Kraftfahrzeug (10), - mit einer Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Erfassung eines auf eine erste Welle (15) der elektrischen Maschine (80) wirkenden Drehmoments (M), - bei welchem insbesondere auf der Grundlage des mittels der Vorrichtung (100) erfassten Drehmoments (M) und/oder der erfassten Drehwinkellage (α) zumindest der ersten Welle (15) und/oder der weiteren Welle (20) die elektrische Maschine (80) überwachbar und/oder steuerbar ist.
Verfahren zur Erfassung eines auf eine erste Welle (15) einer elektrischen Maschine (80), insbesondere auf eine ständerseitige Welle (15) einer motorisch oder generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine (80) für ein Kraftfahrzeug (10), entlang einer Rotationsachse (15-3) wirkenden Drehmoments (M), welche eine in Richtung eines Momentenflusses der elektrischen Maschine (80) angeordnete weitere Welle (20) zur Drehmomentübertragung aufweist, bei welcher die erste Welle (15) und die weitere Welle (20) mechanisch miteinander koppelbar sind, um bei Antrieb der ersten Welle (15) oder der weiteren Welle (20) eine Übertragung von Drehmoment (M) und axialer Kraft zwischen den Wellen (15, 20) zu bewirken, und welche eine Sensoreinheit (30) aufweist, mittels der eine zwischen den Wellen (15, 20) wirkende axiale Kraft oder eine dafür repräsentative Größe als ein Maß für ein auf zumindest eine der Wellen (15, 20) wirkendes Drehmoment (M) erfasst und basierend hierauf das wirkende Drehmoment (M) ermittelt wird, wobei anhand der radialen Lage (β) zwischen Signalgeberelement (33) und Sensor (31) die Drehwinkellage (α) zumindest der ersten Welle (15) und/oder der weiteren Welle (20) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Signalgeberelement (33) und der Abstandssensor (31) in magnetischer Kopplung zueinander stehen und durch diese Kopplung ein erstes Spannungssignal (U₁) und zumindest ein weiteres Spannungssignal (U₂) induziert wird, wobei anhand der Amplitude (A) zumindest eines Spannungssignals (U₁, U₂) das Drehmoment (M) und aus dem Phasenunterschied (µ) zwischen dem ersten Spannungssignal (U₁) und zumindest dem weiteren Spannungssignal (U₂) die Drehwinkellage (α) zumindest der ersten Welle (15) und/oder der weiteren Welle (20) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das derart ermittelte Drehmoment (M) und die derart ermittelte Drehwinkellage (α) zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine (BKM) und/oder der elektrischen Maschine (80) herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die elektrische Maschine (80) unter Abgleich mit dem ermittelten Drehmoment (M_Ist) auf ein gewünschtes Drehmoment (M_Soll) geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das ermittelte Drehmoment und/oder die ermittelte Drehwinkellage (α) zumindest der ersten Welle (15) und/oder der weiteren Welle (20) dazu verwendet wird, Fehlfunktionen der elektrischen Maschine (80) zu diagnostizieren.