DE102018213406A1

DE102018213406A1 - Sensorsystem zur Bestimmung einer Temperatur und mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements

Info

Publication number: DE102018213406A1
Application number: DE102018213406.5A
Authority: DE
Inventors: Fabian Utermoehlen; Radoslav Rusanov
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2020-02-13

Abstract

Es wird ein Sensorsystem (110) zur Bestimmung einer Temperatur und mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements (114) vorgeschlagen. Das Sensorsystem (110) umfasst mindestens einen Temperatursensor (128), welcher eingerichtet ist mindestens eine Temperatur des rotierenden Elements (114) zu erfassen, wobei der Temperatursensor (128) mindestens eine Lichtquelle (137), mindestens einen Lichtempfänger (138) und mindestens eine optische Schicht (139) aufweist, wobei die optische Schicht (139) mit dem rotierenden Element (114) verbunden oder verbindbar ist, wobei die Lichtquelle (137) eingerichtet ist zur Aussendung von Licht zu der optischen Schicht (139), wobei der Lichtempfänger (138) eingerichtet ist zur Erfassung von von der optischen Schicht (139) reflektiertem Licht und zur Erzeugung eines elektrischen Stroms (IP) bei erfasstem Licht, wobei der erzeugte elektrische Strom (IP) proportional zur Temperatur des rotierenden Elements (114) ist. Das Sensorsystem (110) umfasst weiterhin mindestens einen induktiven Positionssensor (124), welcher eingerichtet ist zur Erfassung mindestens einer Information über die Rotationseigenschaft des rotierenden Elements (114). Das Sensorsystem (110) umfasst weiterhin mindestens eine Auswerteeinheit (130), welche eingerichtet ist mindestens ein erstes Signal (134), welches mindestens eine Information über die erfasste Temperatur aufweist, und mindestens ein zweites Signal (136), welches mindestens eine Information über die Rotationseigenschaft aufweist, zu erzeugen.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensoren bekannt, welche mindestens eine Rotationseigenschaft rotierender Elemente erfassen. Beispiele derartiger Sensoren sind in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, 2012, Seiten 63-74 und 120-129 beschrieben. Beispielsweise kann eine Lage einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine relativ zu einer Kurbelwelle mit einem so genannten Phasengeber mittels eines Hall-Sensors bestimmt werden.
Beispielsweise für eine Realisierung einer Traktion in Elektrofahrzeugen werden häufig entweder Asynchronmaschinen oder Synchronmaschinen verwendet, welche jeweils aus einem ortsfesten Stator und einem sich drehenden Rotor bestehen. Der Stator trägt in der Regel drei, beispielsweise um 120°/p zueinander versetzte Wicklungsstränge, wobei p eine Anzahl von Polpaaren repräsentiert. Bei Asynchronmaschinen besteht der Rotor üblicherweise aus an Enden ringförmig kurzgeschlossenen elektrisch leitfähigen Stäben. Bei einer Drehung eines Rotorfeldes kann so in den Stäben eine Spannung induziert werden, welche einen Stromfluss hervorruft, welcher wiederum ein Gegenmagnetfeld aufbaut und es zu einer rotatorischen Bewegung kommt. Die induzierte Spannung ist Null, wenn sich Rotorfeld und Stator gleich schnell drehen. Es stellt sich eine Drehzahldifferenz ein, welche als Schlupf bezeichnet wird und welche das Moment des Motors definiert. Bei Synchronmaschinen umfasst der Rotor einen Läufer, welcher eine Erregerspule trägt, in welchem ein Gleichstrom fließt und ein statisches Magnetfeld erzeugt. Alternativ dazu kann ein Permanentmagnet als Rotor verwendet werden. Es handelt sich dann um eine permanent erregte Synchronmaschine, welche aufgrund der leistungslosen Erregung einen höheren Wirkungsgrad aufweist und so für Traktionsanwendungen geeigneter sein kann. Eine Drehzahl des Rotors kann prinzipbedingt identisch zur Drehzahl eines Erregerfelds sein. Das Drehmoment kann von einem Phasenversatz, also einer Winkeldifferenz zwischen Statorfeld und Rotor, abhängen. Zur Regelung des Moments, Ansteuerung eines Inverters und entsprechender Bereitstellung von Statorspulensignalen muss für Asynchronmaschinen die Drehzahl des Rotors und für Synchronmaschinen eine Absolutwinkelstellung des Rotors bekannt sein. In beiden Fällen, Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen, ist insbesondere aus Gründen der funktionalen Sicherheit zusätzlich die Drehrichtung zu bestimmen. Die maximale Leistung der Maschine kann zudem durch eine Stator- und Rotortemperatur begrenzt sein.
Um die Rotorlage zu ermitteln, ist es bekannt, so genannte Resolver zu verwenden. Bei diesem handelt es sich um einen elektromagnetischen Messumformer, bei dem ein Rotorpaket drehzahlfest auf der Welle des Motors montiert ist. Kreisringförmig umlaufend sind auf einem Stator eine Erregerspule sowie mehrere Empfängerspulen montiert. Die Erregerspule wird mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt und durchsetzt die gesamte Anordnung mit einem elektromagnetischen Wechselfeld. Drehwinkelabhängig kann in einer ersten Empfängerspule eine sinusförmig amplitudenmodulierte Spannung induziert werden, während in einer zweiten Empfängerspule eine cosinusförmig amplitudenmodulierte Spannung induziert wird. Die Bereitstellung des Erregersignals sowie das Auslesen der Signale kann innerhalb der Leistungselektronik bzw. dedizierten Bausteinen innerhalb eines Steuergerätes zur Motorregelung realisiert werden. Resolver benötigen jedoch relativ viel Bauraum, erfordern eine komplexe Signalbereitstellung und -aufbereitung und müssen mit sehr geringen mechanischen Toleranzen montiert werden, um eine ausreichend hohe Genauigkeit zu erreichen. Aus diesen genannten Gründen können Systemkosten entsprechend hoch sein. Weiterhin kann es aus Platzgründen nicht möglich sein, auf den Stator des Resolvers ein redundantes Empfangsspulensystem zu montieren, um eine Verfügbarkeit des Sensors zu erhöhen. So kann ein Ausfall des Sensors zum „Liegenbleiben“ des Fahrzeugs führen.
Die Statortemperatur kann aufgrund der begrenzten Temperaturfestigkeit des Isolationslackes der Statorwicklungen bestimmend für die maximale Stromstärke in den Statorspulen, und damit für das abgegebene Drehmoment, sein. Es ist bekannt, zur Bestimmung der Temperatur einen Temperatursensor zu verwenden, welcher in die Statorspulen gewickelt wird. Mittels Modellen kann auf eine Temperaturverteilung geschlossen werden. Die Rotortemperatur, welche vor allem bei Asynchronmaschinen kritisch sein kann, da im Käfigläufer permanent hohe Ströme fließen, wird bisher nicht ermittelt und lediglich über Modelle berechnet. Vor allem die fehlende Messinformation über die Rotortemperatur begrenzt die Performance der elektrischen Maschine und macht eine Modellierung mit entsprechendem Aufwand und Ungenauigkeiten unabdingbar, siehe DE 10 2014 213 103 . Im Fall der permanent erregten Synchronmaschine kann eine zu hohe Rotortemperatur zu einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete führen. Im Falle der Asynchronmaschine bestimmt die Rotortemperatur die Güte der Drehmomentgenauigkeit.
Weiter bekannt sind Fotodioden auf Basis von beispielsweise Ge oder InGaAs, die eine Empfindlichkeit insbesondere im nahen Infrarotbereich aufweisen und so zur kontaktlosen Temperaturmessung verwendet werden können.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher ein Sensorsystem zur Bestimmung einer Temperatur und mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements vorgeschlagen. Unter einem „Sensor“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden, welche geeignet ist, mindestens eine Messgröße zu erfassen. Unter einem „System“ kann eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche mindestens zwei Komponenten aufweist. Unter einem Sensorsystem zur Bestimmung der Temperatur und der Rotationseigenschaft wird dementsprechend ein Sensorsystem verstanden, welches eingerichtet ist, um die mindestens eine Temperatur und mindestens eine Rotationseigenschaft zu erfassen, beispielsweise zu messen, und welche beispielsweise mindestens ein elektrisches Signal entsprechend der erfassten Eigenschaft erzeugen kann, wie beispielsweise eine Spannung oder einen Strom. Auch Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Unter einer „Rotationseigenschaft“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Eigenschaft verstanden werden, welche die Rotation des rotierenden Elements zumindest teilweise beschreibt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Winkelgeschwindigkeit, eine Drehzahl, eine Winkelbeschleunigung, eine Winkelposition oder eine andere Eigenschaft handeln, welche eine kontinuierliche oder diskontinuierliche, gleichförmige oder ungleichförmige Rotation oder Drehung des rotierenden Elements zumindest teilweise charakterisieren kann. Beispielsweise kann es sich bei der Rotationseigenschaft um eine Position, insbesondere eine Winkelposition, eine Drehzahl, eine Winkelbeschleunigung oder um eine Kombination von mindestens zwei dieser Größen handeln. Auch andere Eigenschaften und/oder andere Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Unter einer „Winkelposition“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein Drehwinkel einer rotationsfähigen Vorrichtung, beispielsweise des rotierenden Elements oder eines Geberrads, bezüglich einer senkrecht auf der Rotationsachse stehenden Achse verstanden.
Das Sensorsystem kann insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet sein, insbesondere für Traktionsanwendungen für elektrische Maschinen. Unter einem „rotierenden Element“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Element verstanden, welches um mindestens eine Achse rotiert. Beispielsweise kann das rotierende Element eine Welle sein, beispielsweise eine Welle in einer Antriebsmaschine, beispielsweise eine Nockenwelle oder eine Kurbelwelle. Beispielsweise kann eine Winkelposition einer Nockenwelle oder eine Drehzahl einer Nockenwelle oder eine Winkelbeschleunigung einer Nockenwelle oder eine Kombination von mindestens zwei dieser Größen bestimmt werden. Auch andere Eigenschaften und/oder andere Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein.
Das Sensorsystem umfasst mindestens einen Temperatursensor, welcher eingerichtet ist mindestens eine Temperatur des rotierenden Elements zu erfassen. Der Temperatursensor weist mindestens eine Lichtquelle, mindestens einen Lichtempfänger und mindestens eine optische Schicht auf, wobei die optische Schicht mit dem rotierenden Element verbunden oder verbindbar ist. Die Lichtquelle ist eingerichtet zur Aussendung von Licht zu der optischen Schicht.
Der Lichtempfänger ist eingerichtet zur Erfassung von Licht, das von der optischen Schicht reflektiert wird, und zur Erzeugung eines elektrischen Stroms bei erfasstem Licht. Der erzeugte elektrische Strom ist proportional zur Temperatur des rotierenden Elements.
Das Sensorsystem umfasst weiterhin mindestens einen induktiven Positionssensor, welcher eingerichtet ist zur Erfassung mindestens einer Information über die Rotationseigenschaft des rotierenden Elements. Unter einem „induktiven Positionssensor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Sensor verstanden werden, der eine Information, insbesondere ein Signal, entsprechend einer erfassten Eigenschaft erzeugen kann, insbesondere ein Messsignal, insbesondere ein elektrisches Messsignal, beispielsweise eine Spannung oder einen Strom, wobei eine Erzeugung des Messsignals auf einer Änderung eines magnetischen Flusses beruht. Insbesondere kann die erfasste Eigenschaft eine Position, beispielsweise eine Winkelposition umfassen. Insbesondere kann es sich bei dem induktiven Positionssensor um einen induktiven Magnetsensor handeln. Insbesondere kann der induktive Positionssensor ein induktiver Rotorlagesensor oder Rotorpositionssensor sein. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Das Sensorsystem umfasst weiterhin mindestens eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist mindestens ein erstes Signal, welches mindestens eine Information über die erfasste Temperatur aufweist, und mindestens ein zweites Signal, welches mindestens eine Information über die Rotationseigenschaft aufweist, zu erzeugen. Unter einer „Auswerteeinheit“ kann dabei allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, um von dem induktiven Positionssensor und/oder dem Temperatursensor erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem induktiven Positionssensor und/oder dem Temperatursensor und der Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um den induktiven Positionssensor anzusteuern. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Signalauswertung in der Auswerteeinheit kann derart erfolgen, dass die Auswerteeinheit alle von dem Temperatursensor und dem induktiven Positionssensor empfangenen Signale auswertet und in zwei Ausgangssignale, also das erste und das zweite Signal, wandelt. Das erste Signal kann die die Temperatur repräsentieren während das zweite Signal die Rotationseigenschaft, beispielsweise die Drehrate, darstellt. Das erste und das zweite Signal können beide analog, beide digital oder eines analog und eines digital sein.
Der Lichtempfänger kann dem rotierenden Element zugewandt sein. Dadurch wird ein Erfassen des Lichts, das von dem rotierenden Element reflektiert wird, nicht behindert.
Die Lichtquelle und/oder der Lichtempfänger und/oder die optische Schicht können auf oder innerhalb des induktiven Positionssensors angeordnet sein. Dadurch wird eine kompakte Anordnung des Temperatursensors und des induktiven Positionssensors angegeben.
Der induktive Positionssensor kann mindestens einen Schaltungsträger aufweisen. Unter einem „Schaltungsträger“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, auf welcher mindestens ein elektrisches Bauelement angeordnet werden kann. Der Schaltungsträger kann flexibel ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Schaltungsträger ein flexibles Material umfassen. Der Schaltungsträger kann insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einer Leiterplatte, insbesondere einer Starrflex-Leiterplatte, beispielsweise einer gebogenen Starrflex-Leiterplatte; einer starren Leiterplatte, insbesondere einer starren Leiterplatte mit Einkerbungen; einer Leiterkarte; einer Platine und einer gedruckten Schaltung, insbesondere einem „printed circuit board“ (PCB).
Der Schaltungsträger kann im Wesentlichen koaxial zu der Rotationsachse angeordnet sein. Der Schaltungsträger kann beispielsweise ein Geberrad oder ein Kreissegment des Geberrads eines weiter unten beschriebenen Sensorsystems im Wesentlichen kreisförmig oder kreissegmentförmig umgeben. Unter dem Begriff „im Wesentlichen kreisförmig“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden, dass das beschriebene Bauelement einen Krümmungsradius aufweist. Der Krümmungsradius kann innerhalb des Bauelements um einen Wert von 0 % bis 80 %, bevorzugt von 0 % bis 50 %, mehr bevorzugt von 0 % bis 20 % und besonders bevorzugt von 0 % bis 5 % variieren. Insbesondere kann der Krümmungsradius auch konstant sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Schaltungsträger auch aus zwei oder mehr Segmenten zusammengesetzt sein, welche beispielsweise jeweils eben oder auch gekrümmt ausgestaltet sein können und welche beispielsweise miteinander verbunden sein können. Die Segmente können insgesamt dann ebenfalls koaxial zur Rotationsachse angeordnet sein, auch wenn die einzelnen Segmente dann beispielsweise tangential angeordnet sind. Weiterhin kann der Schaltungsträger in einem Gehäuse, insbesondere in einem Spritzgussgehäuse, angeordnet sein.
Der induktive Positionssensor kann mindestens eine Spulenanordnung aufweisen, welche auf dem Schaltungsträger angeordnet ist. Die Spulenanordnung kann mindestens eine Erregerspule und mindestens zwei Empfängerspulen umfassen. Unter einer „Spulenanordnung“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, die mindestens eine Spule umfasst. Unter einer „Spule“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Bauelement verstanden, welches eine Induktivität aufweist und geeignet ist, bei Stromfluss ein Magnetfeld zu erzeugen und/oder umgekehrt. Beispielsweise kann eine Spule mindestens eine vollständige oder teilweise geschlossene Leiterschleife oder Windung umfassen. Unter einer „Erregerspule“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden werden, welche bei Anlegen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms einen magnetischen Fluss erzeugt. Die Erregerspule kann mindestens eine Erregerwindung aufweisen. Unter einer „Empfängerspule“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden, welche eingerichtet ist, aufgrund einer induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfängerspule ein Signal zu erzeugen, welches abhängig ist von der induktiven Kopplung. Beispielsweise kann die Spulenanordnung ein Empfängerspulensystem aufweisen. Unter einem „Empfängerspulensystem“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, Empfängerspulen umfasst.
Die Erregerspule kann im Wesentlichen kreisförmig ausgestaltet sein. Hinsichtlich des Begriffs „im Wesentlichen kreisförmig“ wird auf obige Definition verwiesen. Die Erregerspule und die Empfängerspulen können wie in DE 10 2017 210 655.7 , eingereicht am 23.06.2017, beschrieben ausgestaltet sein. Die Empfängerspulen können die Rotationsachse in einer Umfangsrichtung im Wesentlichen vollständig umlaufen, wobei jede Empfängerspule durch eine Mehrzahl benachbarter Teilwindungen gebildet ist, wobei benachbarte Teilwindungen bezüglich der Stromlaufrichtung gegensätzlich orientiert sind. Dabei ist jede Teilwindung bezüglich einer radialen Richtung, die sich von der Rotationsachse nach außen erstreckt, gebildet aus Abschnitten von wenigstens zwei nach links gekrümmten kreisbogenförmigen Leiterbahnen und aus Abschnitten von wenigstens zwei nach rechts gekrümmten kreisbogenförmigen Leiterbahnen. Alle linksgekrümmten und alle rechtsgekrümmten Leiterbahnen weisen denselben Krümmungsradius auf. Alle linksgekrümmten Leiterbahnen und alle rechtsgekrümmten Leiterbahnen erstrecken sich zwischen zwei konzentrischen Kreisen um die Rotationsachse, einem ersten Kreis mit einem ersten Radius und einem zweiten Kreis mit einem zweiten Radius, wobei ein dritter Kreis gegeben ist, der konzentrisch zum ersten Kreis gelegen ist und einen dritten Radius aufweist, der sich aus dem Mittelwert des ersten Radius und des zweiten Radius ergibt, wobei eine erste rechtsgekrümmte Leiterbahn durch drei Punkte verläuft: durch einen ersten Punkt, der auf dem ersten Kreis liegt; durch einen zweiten Punkt, der auf dem dritten Kreis liegt und in Umfangsrichtung um ein Viertel des Messbereichs gegenüber dem ersten Punkt verdreht ist; und durch einen dritten Punkt, der auf dem zweiten Kreis liegt und in Umfangsrichtung um die Hälfte des Messbereichs gegenüber dem ersten Punkt verdreht ist. Die weiteren rechtsgekrümmten Leiterbahnen ergeben sich aus der verfolgenden rechtsgekrümmten Leiterbahn durch eine Drehung um die Drehachse um die Hälfte des Messbereichs in Umfangsrichtung. Die linksgekrümmten Leiterbahnen ergeben sich durch Spiegelungen der rechtsgekrümmten Leiterbahnen jeweils an einer Radiallinie, die sich von der Drehachse durch den Schnittpunkt der jeweiligen rechtsgekrümmten Leiterbahn mit dem dritten Kreis erstreckt. Eine Teilwindung einer Empfängerspule kann dabei als ein Teil der Empfängerspule definiert sein, der von Leiterbahnen der Empfängerspule umgeben ist, die sich nicht gegenseitig schneiden. Die Orientierung einer Teilwindung bestimmt sich über einen Stromfluss durch die Empfängerspule. Gegenläufig orientierte Teilwindungen weisen bei einem Stromfluss durch die Empfängerspule jeweils gegenläufig Stromflüsse auf, d.h. bei einer Teilwindung mit einer ersten Orientierung läuft der Strom im Uhrzeigersinn bzw. nach rechts durch die Teilwindung, bei einer Teilwindung mit einer zweiten, gegenläufigen Orientierung läuft der Strom gegen den Uhrzeigersinn bzw. nach links durch die Teilwindung. Eine Teilwindung kann lediglich beispielhaft wie eine Raute mit gekrümmten Seitenflächen aufgebaut sein. Die vier Seitenflächen einer solchen Raute können z.B. durch je zwei Teilstücke zweier linksgekrümmter Leiterbahnen und zweier rechtsgekrümmter Leiterbahnen ausgebildet sein. Beispielsweise kann dabei die Stromlaufrichtung in wenigstens zwei Abschnitten der linksgekrümmten Leiterbahnen, die eine Teilwindung bilden, einander entgegengesetzt sein. Ebenso kann die Stromlaufrichtung in wenigstens zwei Abschnitten der rechtsgekrümmten Leiterbahnen, die eine Teilwindung bilden, einander entgegengesetzt sein. Der Aufbau der Teilwindungen ist dabei so zu verstehen, dass eine gedachte gerade Linie, die von der Rotationsachse ausgeht und in radialer Richtung verläuft, eine nach links und eine nach rechts gekrümmte kreisbogenförmige Leiterbahn der Empfängerspule schneidet, wenn die gerade Linie durch das Innere der Empfängerspule verläuft. Auf diese Weise kann z.B. auch erreicht werden, dass die Amplitude der in der Empfängerspule induzierten Wechselspannung bzw. das Messsignal im Wesentlichen als Sinusfunktion von dem Drehwinkel abhängt.
Der induktive Positionssensor kann eine Anzahl von n Empfängerspulen umfassen, wobei n eine positive ganze Zahl ist. Die generierten sinusförmigen Signale der n Empfängerspulen können gegeneinander phasenversetzt sein. Beispielsweise können benachbarte sinusförmige Signale einen Phasenabstand von 2π/(2n) und/oder 360°/(2n) für n=2 aufweisen. Weiterhin können beispielsweise benachbarte sinusförmige Signale einen Phasenabstand von 2π/(n) und/oder 360°/(n) für n≥3 aufweisen. Insbesondere können benachbarte sinusförmige Signale von genau zwei Empfängerspulen einen Phasenabstand von 90° aufweisen. Insbesondere können benachbarte sinusförmige Signale von genau drei Empfängerspulen einen Phasenabstand von 120° aufweisen.
Der induktive Positionssensor kann mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) aufweisen, welche auf dem Schaltungsträger angeordnet ist. Unter einer „anwendungsspezifischen integrierten Schaltung“ (ASIC) kann eine grundsätzlich beliebige elektronische Schaltung verstanden werden, welche als integrierter Schaltkreis realisiert wurde.
Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann eingerichtet sein, um ein Erregersignal für die Erregerspule bereitzustellen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann auf dem Schaltungsträger angeordnet sein und an genau eine Erregerspule und mindestens zwei Empfängerspulen angeschlossen sein. Unter ein „Erregersignal bereitzustellen“ kann verstanden werden, dass die anwendungsspezifische integrierte Schaltung eingerichtet ist, das Erregersignal zu erzeugen und/oder dass die anwendungsspezifische integrierte Schaltung eingerichtet ist, die Erregerspule mit dem Erregersignal zu beaufschlagen. Unter einem „Erregersignal“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Signal verstanden werden, insbesondere mindestens eine Wechselspannung und/oder mindestens ein Wechselstrom. Das Erregersignal kann ein im Wesentlichen sinusförmiges Erregersignal sein. Unter „sinusförmig“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Form verstanden, welche einen Verlauf einer Sinuskurve aufweist. Beispielsweise kann ein Verlauf einer vollständigen Sinuskurve umfasst sein oder lediglich ein Teil einer Sinuskurve. Unter „im Wesentlichen sinusförmig“ können Ausführungsformen verstanden werden mit einem vollständig sinusförmigen Verlauf, wobei Abweichungen denkbar sind, welche nicht mehr als 20 %, insbesondere nicht mehr als 10 % oder sogar nicht mehr als 5 % von dem absoluten Wert der Sinusform betragen. Unter einer „vollständigen Sinuskurve“ kann dabei insbesondere ein Verlauf einer Sinuskurve verstanden werden, welcher mindestens eine Periode umfasst. Hierbei kann die Sinuskurve im Nullpunkt oder einem beliebigen anderen Punkt der Sinuskurve beginnen. Die Sinusform kann beispielsweise auch abschnittsweise aus anderen Funktionen zusammengesetzt werden, so dass sich insgesamt eine näherungsweise Sinusform ergibt. Das Erregersignal kann eine Amplitude im Bereich von 0,1 V bis 10 V, bevorzugt von 5 V, aufweisen. Das Erregersignal kann eine Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz, bevorzugt 3,5 MHz aufweisen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens eine Oszillatorschaltung aufweisen. Die Oszillatorschaltung kann beispielsweise einen LC Oszillator treiben, bei welchem die Erregerspule und ein Kondensator als frequenzbestimmende Elemente wirken. Durch die Beaufschlagung der Erregerspule mit dem Erregersignal kann ein elektromagnetisches Wechselfeld entstehen, welches in die Empfängerspulen koppelt und dort beispielsweise entsprechende Wechselspannungen und/oder Wechselströme induziert. Der induktive Positionssensor kann eingerichtet sein, um eine induktive Kopplung und/oder eine Änderung einer induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und der mindestens einen Empfängerspule zu erfassen. Die Erregerspule kann eingerichtet sein, um in Antwort auf die Beaufschlagung mit dem Erregersignal ein elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Die Erregerspule und die Empfängerspulen können derart gekoppelt sein, dass das elektromagnetische Wechselfeld in den Empfängerspulen eine Wechselspannung induziert. Die Empfängerspulen können derart angeordnet sein, dass die Empfängerspulen bei einer Rotation des rotierenden Elements mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um die Rotationsachse drehwinkelabhängige Signale generieren.
Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann eingerichtet sein, um von den Empfängerspulen erzeugte Signale zu verarbeiten und als mindestens ein erstes Ausgangssignal an mindestens einem ersten Ausgang und mindestens ein zweites Ausgangssignal an mindestens einem zweiten Ausgang bereitzustellen. Die Bezeichnung als „erstes“ und „zweites“ Ausgangssignal sind als reine Bezeichnungen zu verstehen und geben insbesondere keine Aufschluss über eine Reihenfolge oder on weitere Ausgangssignale vorhanden sind. Unter „Verarbeiten“ kann grundsätzlich eine beliebige Operation einer Signalverarbeitung verstanden werden, um ein Ausgangsignal zu erzeugen, beispielsweise ein Auswerten, ein Filtern, ein Demodulieren. Die Signalverarbeitung kann digital und/oder analog erfolgen. Bevorzugt kann die Signalverarbeitung rein analog erfolgen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann insbesondere eingerichtet sein, um durch Demodulation eines in den Empfängerspulen induzierten Signals mit einem Trägersignal, also einem Signal der Erregerspule auch Sendespule genannt, auf einen Betrag und eine Phase der Kopplung zu schließen. Der Betrag kann insbesondere kontinuierlich mit dem Drehwinkel variieren. Eine Phasenlage kann beispielsweise 0° oder 180° betragen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens eine Demodulationsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, um die Signale der Empfängerspulen zu demodulieren, insbesondere synchron. Das Demodulieren kann ein Multiplizieren mit dem Erregersignal umfassen. Beispielsweise kann durch eine Multiplikation des Betrags mit einer Kosinusfunktion ein vorzugsweise offsetfreies Sin/Cos-System entstehen, insbesondere bei Verwendung von zwei Empfängerspulen mit 90° Phasenversatz bezogen auf den Messbereich. Bei Verwendung von drei Empfängerspulen mit typischerweise 120° Phasenversatz bezogen auf den Messbereich kann insbesondere ein dreiphasiges Sinussignal entstehen, welches beispielsweise durch Anwendung der Clarke-Transformation in ein Sin/Cos-System überführt werden kann. Mit Hilfe der Arkustangens-Funktion kann dann auf den Drehwinkel geschlossen werden. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens einen Tiefpassfilter aufweisen. Der Tiefpassfilter kann eine Grenzfrequenz im Bereich von 50 kHz bis zu 500 kHz, bevorzugt 100 kHz, aufweisen. Die untere Grenzfrequenz kann deutlich geringer ausfallen, da lediglich Offsets kompensiert werden sollen, so dass beispielsweise 0,1 Hz ausreichend wäre. Beispielsweise kann die anwendungsspezifische integrierte Schaltung zunächst die Signale der Empfängerspulen demodulieren und anschließend mittels des Tiefpasses filtern. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens einen Verstärker aufweisen. Der Verstärker kann eingerichtet sein, um die Signale der Empfängerspulen, insbesondere die gefilterten Signale, zu verstärken. Unter „Verstärken“ kann eine Erhöhung einer Amplitude eines Signals verstanden werden. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann weiter eingerichtet sein, die Signale der Empfängerspulen mit einem DC(Gleichstrom)-Offset zu beaufschlagen. Das erste Ausgangssignal und das zweite Ausgangssignal können von dem ersten und zweiten Ausgang beispielsweise über mindestens eine elektrische Signalleitung, insbesondere ein Kabel, an eine zweite Auswerteeinheit, insbesondere eine von dem Schaltungsträger getrennt ausgestaltete Auswerteeinheit, übertragen werden.
Das Sensorsystem kann mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad aufweisen. Dabei ist die optische Schicht auf dem Geberrad angeordnet. Unter einem „Geberrad“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges mit dem rotierenden Element verbindbares Bauelement verstanden werden, das eingerichtet ist, bei Verbindung mit dem rotierenden Element pro Umdrehung des rotierenden Elements mindestens ein messbares Signal, insbesondere eine Magnetfeldänderung, zu bewirken. Das Geberrad kann beispielsweise permanent oder reversibel mit dem rotierenden Element verbunden oder verbindbar sein oder kann auch einstückig mit dem rotierenden Element ausgebildet oder in das rotierende Element integriert sein. Das Geberrad kann ein Geberradprofil aufweisen. Unter einem „Geberradprofil“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Gesamtheit von Profilelementen und von Zwischenräumen, die zwischen den Profilelementen angeordnet sind, verstanden werden. Unter einem „Profilelement“ des Geberrads kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Ausformung der Kontur des Geberrads verstanden werden, insbesondere eine Ausbuchtung, beispielsweise eine stiftförmige, eine zahnförmige oder eine zackenförmige Ausbuchtung, oder eine Einkerbung oder eine Aussparung, beispielsweise ein Loch.
Das Geberrad kann beispielsweise ausgestaltet sein, um je nach seiner Stellung Bereiche einer Empfängerspulenstruktur „abzuschatten“. Dadurch kann eine Kopplung zwischen einer Sendespulenstruktur und den Empfängerspulen drehwinkelabhängig beeinflusst werden. Ein typischer Wertebereich eines Kopplungsfaktors kann beispielsweise -0,3 bis +0,3 betragen. Unter einem Koppelfaktor kann dabei insbesondere ein Amplitudenverhältnis zwischen einem Empfangssignal und einem Sende- oder Erregersignal verstanden werden. Der Koppelfaktor kann insbesondere sinusförmig mit dem Drehwinkel verlaufen.
Die Spulenanordnung kann das Geberrad oder mindestens ein Kreissegment des Geberrads im Wesentlichen kreissegmentförmig oder kreisförmig umgeben. Insbesondere kann die Spulenanordnung, insbesondere die auf dem Schaltungsträger angeordnete Spulenanordnung, in mindestens einer Winkelposition des Geberrads mindestens ein Profilelement und mindestens einen Zwischenraum zwischen zwei Profilelementen des Geberrads abdecken.
Das Geberrad kann rotationssymmetrisch ausgestaltet sein. Das Geberrad kann eine identische Anzahl an elektrisch leitfähigen Flügeln und elektrisch nicht oder weniger leitfähigen Flügeln und/oder Aussparungen aufweisen. Die elektrisch leitfähigen Flügel können einen ersten Öffnungswinkel α und die elektrisch nicht oder weniger leitfähigen Flügel und/oder die Aussparungen einen zweiten Öffnungswinkel β aufweisen. Eine Summe des ersten und des zweiten Öffnungswinkel kann einem vollen Winkelmessbereich des induktiven Positionssensors entsprechen. Der erste und der zweite Öffnungswinkel können identisch oder verschieden sein. Das Geberrad kann an dem rotierenden Element mittels einer Schraub- und/oder Klebeverbindung befestigt sein.
Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um aus Signalen der Empfängerspulen auf eine Winkelposition Φ des Geberrads zu schließen. Das Sensorsystem, insbesondere der induktive Positionssensor, kann eingerichtet sein, eine induktive Kopplung und/oder eine Änderung einer induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und der mindestens einen Empfängerspule zu erfassen. Insbesondere kann das Sensorsystem eingerichtet sein, die durch eine Bewegung und/oder eine Position des Geberrades bewirkte induktive Kopplung und/oder die durch eine Bewegung und/oder eine Position des Geberrades bewirkte Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfängerspulen zu erfassen. Das Sensorsystem kann insbesondere eingerichtet sein, um aus der durch die Bewegung und/oder durch eine Position des Geberrads bewirkten Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfängerspulen eine absolute oder relative Winkelposition des rotierenden Elements zu bestimmen. Unter einer „relativen Winkelposition“ kann dabei grundsätzlich eine Position bezüglich einer durch die Empfängerspulen definierten Periode verstanden werden. Insbesondere kann die zweite Auswerteeinheit derart eingerichtet sein, um mindestens ein Quotientensignal mindestens zweier Signale mindestens zweier Empfängerspulen zu generieren. Beispielsweise kann für die Berechnung der Winkelposition Φ aus zwei von zwei Empfängerspulen generierten Signalen die Gesetzmäßigkeit tanΦ = sinΦ / cosCD verwendet werden. Beispielsweise kann für die Berechnung der Winkelposition Φ aus drei von drei Empfängerspulen generierten Signalen die Clarke-Transformation verwendet werden. Insbesondere kann die Auswerteeinheit mindestens eine Auswerteschaltung aufweisen. Insbesondere kann die Auswerteschaltung eingerichtet sein, die Signale des Positionssensors auszuwerten. Bei der Auswerteschaltung kann es sich beispielsweise um einen Prozessor handeln. Die Auswerteeinheit kann insbesondere getrennt von dem Schaltungsträger ausgestaltet sein und kann mit dem Schaltungsträger über mindestens eine Verbindung, beispielsweise ein Kabel, verbindbar sein. Der induktive Positionssensor kann eingerichtet sein, das erste und das zweite Ausgangssignal an die zweite Auswerteeinheit zu übermitteln.
Das Sensorsystem kann weiterhin mindestens ein auf dem rotierenden Element anbringbares oder in das rotierende Element einbringbares Reflexionselement umfassen, wobei das Reflexionselement einen Reflexionskoeffizienten aufweist, der sich von dem Reflexionskoeffizienten des rotierenden Elements unterscheidet. Unter dem Reflexionskoeffizienten oder auch Reflexionsfaktor ist dabei das Amplitudenverhältnis zwischen reflektierter und einfallender Welle beim Übergang in ein anderes Ausbreitungsmedium zu verstehen. Der Reflexionskoeffizient ist im Allgemeinen eine komplexe Größe. Sein Betrag gibt an, um welchen Anteil die reflektierte Welle schwächer ist als die einfallende und sein Argument welche Phase die reflektierte Welle bezüglich der einfallenden Welle besitzt. Der Reflexionskoeffizient ist abhängig vom Einfallswinkel. Fällt eine Welle auf ein optisch bzw. akustisch dichteres Medium, so tritt für flache Einfallswinkel Totalreflexion auf und der Reflexionskoeffizient ist 1. Neben der Winkelabhängigkeit hängt der Reflexionskoeffizient vom Wellentyp ab. Somit ist er für Longitudinalwellen und Transversalwellen in der Akustik unterschiedlich und in der Optik abhängig von der Polarisation der Welle. Letzteres wird durch die Fresnelsche Gleichungen beschrieben. Bei dem Reflexionselement kann es sich um eine polierte und beschichtete Fläche, eine aufgeklebte Folie oder ähnliches handeln. Der Rest des rotierenden Elements weist bevorzugt eine Oberfläche auf, auf, die stark reflektiert, insbesondere im Vergleich zum Reflexionselement.
Der Temperatursensor kann mehrere übereinander angeordnete optische Schichten aufweisen, die als dielektrischer Spiegel ausgebildet sind, wobei die Grenzfrequenz des dielektrischen Spiegels dem Maximum des Wellenlängenspektrums der Lichtquelle entspricht. Unter einem dielektrischen Spiegel ist dabei ein Aufbau aus alternierenden, dünnen Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes zu verstehen. Üblicherweise bestehen die Schichten aus Dielektrika. Daher verwendet man bei solch einem Reflektor auch den Begriff dielektrischer Spiegel. An jeder Grenzschicht wird ein Teil der elektromagnetischen Welle des Lichtes gemäß den fresnelschen Formeln reflektiert. Wenn die Wellenlänge nahe dem Vierfachen der optischen Weglänge der Schichten liegt, dann interferieren die reflektierten Strahlen konstruktiv und es entsteht ein hochqualitativer Reflektor. Die maximale Reflektivität für eine Wellenlänge wird erreicht, wenn alle Schichten eine optische Dicke von genau einem Viertel der Wellenlänge aufweisen. Ein solcher Spiegel wird auch als Bragg-Spiegel bezeichnet.
Der Lichtempfänger kann eine Fotodiode sein.
Der Temperatursensor kann mindestens zwei Lichtempfänger aufweisen, wobei die Lichtempfänger in einem vorbestimmten Winkel auf einer imaginären Kreislinie voneinander beabstandet angeordnet sind. Dadurch kann zusätzlich die Drehrichtung des rotierenden Elements bestimmt werden.
Die Lichtempfänger können sensitive Bereiche aufweisen, wobei der vorbestimmte Winkel derart gewählt ist, dass in einem montierten Zustand des Sensorsystems in einer Richtung parallel zur Rotationsachse gesehen Mittelpunkte der sensitiven Bereiche der Lichtempfänger jeweils mit einer Außenkante des Emissionselement überlappen. Somit werden zwei Lichtempfänger verwendet, die in einer bevorzugt identischen radialen Position, aber in einem geringen Winkel zueinander positioniert sind. Aus dem Phasenversatz der beiden Signale der Lichtempfänger kann die Drehrichtung bestimmt werden. Ist dieser positiv, dreht das rotierende Element in eine erste Drehrichtung, ist er negativ, dreht das rotierende Element in die entgegengesetzte Drehrichtung.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Temperatur und mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Verwendung mindestens eines Sensorsystems. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge. Das Verfahren kann, zusätzlich zu den genannten Verfahrensschritten, auch weitere Verfahrensschritte umfassen. Die Verfahrensschritte sind:

Erfassen mindestens einer Temperatur des rotierenden Elements mit dem mindestens einen Temperatursensor,
Aussenden von Licht zu der mindestens einen optischen Schicht mittels der Lichtquelle,
Erfassen von von dem rotierenden Element reflektierten Licht mittels des mindestens einen Lichtempfängers des Temperatursensors,
Erzeugen eines elektrischen Stroms bei erfasstem Licht, wobei der erzeugte elektrische Strom proportional zur Temperatur des rotierenden Elements ist, Erfassen mindestens einer Information über eine Rotationseigenschaft des rotierenden Elements mit dem mindestens einen induktiven Positionssensor; Erzeugen mindestens eines ersten Signals, welches mindestens eine Information über die erfasste Temperatur aufweist, und mindestens eines zweiten Signals, welches mindestens eine Information über die Rotationseigenschaft des rotierenden Elements aufweist, mit mindestens einer Auswerteeinheit.

Das Verfahren erfolgt unter Verwendung eines Sensorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung, also gemäß einer der oben genannten Ausführungsformen oder gemäß einer der unten noch näher beschriebenen Ausführungsformen. Dementsprechend kann für Definitionen und optionale Ausgestaltungen weitgehend auf die Beschreibung des Sensorsystems verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführt. Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer- Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein. Außerdem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Datenträger vorgeschlagen, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann. Auch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden.
Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein moduliertes Datensignal vorgeschlagen, welches von einem Computersystem oder Computernetzwerk ausführbare Instruktionen zum Ausführen eines Verfahrens nach einer der beschriebenen Ausführungsformen enthält.
Vorteile der Erfindung
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere ist es möglich, ein günstiges Sensorkonzept für Temperaturmessung und Ermittlung weiterer mechanischer Größen bereitzustellen. Eine direkt gemessene Rotordrehzahl kann zur Plausibilisierung von zeitlich aufeinander folgenden Rotorpositionsmessungen verwendet werden und so eine funktionale Sicherheit erhöhen. Eine Zustandsüberwachung des Rotors bzw. der Lagerung, Vibration, Unwucht kann möglich sein. Die hohe Grenzfrequenz von Fotodioden erlaubt eine schnelle Messung und Erfassung dynamischer Änderungen. Das erfindungsgemäße Messprinzip zur Drehwinkelerfassung zweigt weiter keinen Einfluss von Fremdmagnetfeldern, beispielsweise in Folge von hohen Strömen innerhalb von Kabeln, die in Sensornähe angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Messprinzip zur Drehwinkelerfassung ist aufgrund einer hohen Trägerfrequenz praktisch nicht drehzahlbegrenzt.
Figurenliste
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 schematische Darstellung eines Temperatursensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
3 Stromsignalverläufe des Lichtempfängers des Temperatursensors in Abhängigkeit von der Temperatur;
4 schematische Darstellung eines Temperatursensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
5 schematische Darstellung zur Auslegung des Temperatursensors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
6 ein Ausführungsbeispiel eines Geberrads der ersten Ausführungsform;
7 eine Signalform zur Ermittlung der Drehzahl bei der ersten Ausführungsform;
8 ein Ausführungsbeispiel eines Geberrads einer zweiten Ausführungsform;
9 einen vergrößerten Ausschnitt des Geberrads der zweiten Ausführungsform;
10 Signalformen zur Ermittlung der Drehzahl und der Drehrichtung bei der zweiten Ausführungsform;
11 einen erfindungsgemäßen Aufbau eines ASICs und Weiterverarbeitung der Signale des induktiven Positionssensors;
12 Signalformen des erfindungsgemäßen Sensorsystems und
13 einen erfindungsgemäßen Aufbau eines weiteren ASICs und Weiterverarbeitung der Signale der Fotodiode.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems 110 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Sensorsystem 110 ist eingerichtet zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse 112 rotierenden Elements 114. Das Sensorsystem 110 kann insbesondere zum Einsatz im Kraftfahrzeug eingerichtet sein. Insbesondere kann das Sensorsystem 110 zur Erfassung mindestens einer Rotationseigenschaft einer Nockenwelle eingerichtet sein. Beispielsweise kann das Sensorsystem 110 eingerichtet sein, eine Winkelposition der Nockenwelle zu erfassen. Dementsprechend kann es sich bei dem rotierenden Element 114 beispielsweise um eine Welle handeln. Im dargestellten Fall einer permanent erregten Synchronmaschine kann die Welle einen Permanentmagneten 116 tragen. Zylinderförmig um diesen Permanentmagneten 116 kann ein Statorspulenpaket 118 angeordnet sein. Ein Abtrieb kann in negativer z-Richtung angeordnet sein und ist nicht weiter dargestellt. Auf der dem Abtrieb entgegengesetzten Seite kann ein B-Lager 120 angeordnet sein, welches die Achse 114 aufnimmt. Das B-Lager 120 kann mit einem B-Lagerschild 122 verbunden sein. Das Sensorsystem 110 weist mindestens einen induktiven Positionssensor auf 124. Der induktive Positionssensor 124 kann mindestens einen Schaltungsträger 125 umfassen. Der Schaltungsträger 125 kann beispielsweise eine Leiterplatte aufweisen, welche im Wesentlichen kreisringförmig das rotierende Element 114 umläuft und dabei bevorzugt einen Winkelbereich von 360° abdeckt. Das B-Lager 120 kann mit dem B-Lagerschild 122 verbunden sein, welches den induktiven Positionssensor 124 hält. Das Sensorsystem 110 weist mindestens ein mit dem rotierenden Element 114 verbindbares Geberrad 126 auf. Zwischen B-Lager 120 und induktiven Positionssensor 124 kann das Geberrad 126 angeordnet sein, welches mit der Welle verbunden ist und sich mit dieser mit dreht. Der induktive Positionssensor 124 kann eine Verpackung aufweisen. Die Verpackung kann erlauben den induktiven Positionssensor 124 mit einem Spanschutz zu versehen und eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit zu gewährleisten. Die Verpackung kann durch eines oder mehrere der Verfahren Direct-injection-molding, Transfermolden mit Duroplast, Thermoplastspritzen oder durch Vergießen realisiert werden. Die Verpackung kann alle Komponenten des induktiven Positionssensors 124 ganz oder teilweise umgeben. Die Verpackung kann mindestens ein Verbindungselement, bevorzugt Bohrungen und/oder Aussparungen, aufweisen, durch die der induktive Positionssensor 124, beispielsweise mit einer Schraubverbindung am B-Lagerschild 122 befestigt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der induktive Positionssensor 124 auch mit Clips, einer Klebverbindung oder weiteren Verfahren am B-Lagerschild 122 angebracht werden. Grundsätzlich kann der Aufbau auch auf der anderen Seite angebracht sein (A-Lager).
Das Sensorsystem 110 weist weiterhin mindestens einen Temperatursensor 128 auf, welcher eingerichtet ist mindestens eine Temperatur des rotierenden Elements 114 zu erfassen. Beispielsweise kann der Temperatursensor 128 eingerichtet sein, um Temperaturen mit mindestens einem mechanischem Kontakt zum Prüfkörper, insbesondere des rotierenden Elements 114 und/oder des Geberrads 126 und/oder des Permanentmagneten 116, zu erfassen. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Rotortemperatur identisch zur Temperatur des Geberrads 126 oder der Welle ist.
Das Sensorsystem 110 weist mindestens eine Auswerteeinheit 130 auf. Beispielsweise über ein Kabel 132 kann der induktive Positionssensor 124 mit der Auswerteeinheit 130 verbunden sein. Die Auswerteeinheit 130 kann eine Spannungsversorgung des induktiven Positionssensors 124 bereitstellen. Die Auswerteeinheit 130 kann Ausgangssignale des induktiven Positionssensors 124 empfangen und aus diesen eine Rotorposition und Rotortemperatur berechnen. Der induktive Positionssensor 124 kann mindestens ein Kontaktelement aufweisen, an welchem das Kabel 132 befestigt werden kann. Das Kontaktelement kann eine Bohrung für Rammkontakte, ein aufgelöteter Stecker oder Pads sein, mit denen das Kabel 132 mit dem Schaltungsträger 125 durch einen Lötprozess verbunden werden kann.
Die Auswerteeinheit 130 ist eingerichtet mindestens ein erstes Signal 134, welches mindestens eine Information über die erfasste Temperatur aufweist, und mindestens ein zweites Signal 136, welches mindestens eine Information über die Rotationseigenschaft aufweist, zu erzeugen. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen der Auswerteeinheit 130 und dem Temperatursensor 128 und/oder dem induktiven Positionssensor 124 vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit 130 kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um den induktiven Positionssensor 124 anzusteuern. Die Signalauswertung in der ersten Auswerteeinheit 130 kann derart erfolgen, dass die Auswerteeinheit 130 alle von dem Temperatursensor 128 und dem induktiven Positionssensor 124 empfangenen Signale auswertet und in zwei Ausgangssignale, also das erste Signal 134 und das zweite Signal 136, wandelt. Das erste Signal 134 kann die die Temperatur repräsentieren während das zweite Signal 136 die Rotationseigenschaft, beispielsweise die Drehrate, darstellt. Das erste Signal 134 und das zweite Signal 136 können beide analog, beide digital oder eines analog und eines digital sein.
2 zeigt schematische Darstellung eines Temperatursensors 128 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der Temperatursensor 128 weist mindestens eine Lichtquelle 137, mindestens einen Lichtempfänger 138 und mindestens eine optische Schicht 139 auf. Die optische Schicht 139 ist mit dem rotierenden Element 114 verbunden oder verbindbar. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die optische Schicht 139 auf dem Geberrad 126 angeordnet. Die Lichtquelle 137 ist eingerichtet zur Aussendung von Licht zu der optischen Schicht 139. Die optische Schicht 139 ist optisch dichter als Luft. Denkbar ist auch der Einsatz eines Laminats aus verschiedenen Schichten. Der Lichtempfänger 138 ist eingerichtet zur Erfassung von Licht, das von der optischen Schicht 139 reflektiert wird, und zur Erzeugung eines elektrischen Stroms I_P bei erfasstem Licht. Dabei ist der elektrische Strom I_P proportional zur Temperatur des rotierenden Elements 114. Die Lichtquelle 137 ist bevorzugt eine LED oder Laserdiode. Der Lichtempfänger 138 ist bevorzugt eine Fotodiode. Die Fotodiode ist beispielsweise eine Silizium-Fotodiode. Messgröße ist erfindungsgemäß der Strom I_P der Fotodiode. Bei der Fotodiode das auftreffende Licht durch den inneren Fotoeffekt in den elektrischen Strom I_P gewandelt, welcher den Widerstand der Fotodiode beeinflusst. Ändert sich die Temperatur, so ändert sich auch der Brechungsindex der optischen Schicht 139 und damit die Menge an reflektiertem Licht, das auf den Lichtempfänger 138 trifft. Damit ändert sich der Strom in der Fotodiode bzw. dem Lichtempfänger 138 als Funktion der Temperatur, so dass aus dem erzeugten Strom der Fotodiode bzw. des Lichtempfängers 138 auf die Temperatur geschlossen werden kann.
3 zeigt Stromsignalverläufe 140 des Lichtempfängers 138 in Abhängigkeit von der Temperatur T. Trifft nun Licht auf den Lichtempfänger 138, hängt der Strom I_P von der Temperatur T der optischen Schicht 139 ab, die aufgrund der räumlichen Nähe quasi identisch zu der Temperatur des rotierenden Elements 114 ist. Bei dem erfindungsgemäßen Sensorsystem 110 ist daher der erzeugte elektrische Strom I_P proportional zur Temperatur T des rotierenden Elements 114. Bei einem Temperaturanstieg kann daher der erzeugte Strom I_P ansteigen und bei einer Temperaturabsenkung kann der erzeugte Strom I_P absinken wie in 3 angedeutet ist.
4 zeigt schematische Darstellung eines Temperatursensors 128 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel weist der Temperatursensor 128 mehrere übereinander angeordnete optische Schichten 139 auf, die als dielektrischer Spiegel ausgebildet 141 sind, wobei die Grenzfrequenz des dielektrischen Spiegels 141 dem Maximum des Wellenlängenspektrums der Lichtquelle 137 entspricht.
5 zeigt eine schematische Darstellung zur Auslegung des Temperatursensors 128 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Dargestellt in 5 sind die Intensität I der Lichtquelle und die Reflektivität bzw. Reflexionsgrad R des dielektrischen Spiegels 141 jeweils in Abhängigkeit der Wellenlänge λ des von der Lichtquelle 137 ausgesendeten Lichts. Legt man den dielektrischen Spiegel 141 so aus, dass die Grenzfrequenz des dielektrischen Spiegels 141 mit dem Maximum des Wellenlängenspektrums bzw. der Intensität der Lichtquelle 137 übereinstimmt, so führen schon kleine Temperaturänderungen durch die entsprechende Verschiebung der Grenzwellenlänge zu einer Änderung der reflektierten Lichtmenge und zu einer Änderung des Signals des Lichtempfängers. Der Temperatursensor 128 des zweiten Ausführungsbeispiels könnte prinzipiell deutlich empfindlicher sein als der Temperatursensor 128 des ersten Ausführungsbeispiels.
Wie in 1 gezeigt ist, befindet sich auf oder innerhalb des induktiven Positionssensors 124 die Lichtquelle 137, die optische Schicht 139 und der Lichtempfänger 138, der in Richtung der optische Schicht 139 orientiert bzw. dieser zugewandt ist. Bevorzugt ist der Lichtempfänger 138 derart angeordnet, dass seine Position radial nach innen durch den Außendurchmesser des Geberrads 126 und radial nach außen durch den Außendurchmesser des rotierenden Elements 114 begrenzt ist.
Die Signale des Lichtempfängers 138 werden entweder direkt durch separate Leitungen im Kabel 132 zur Auswerteeinheit 130 geführt oder aber bevorzugt mittels einer Auswerteschaltung, welche Teil des induktiven Positionssensors 124 ist, weiterverarbeitet und dann über eine geeignete Schnittstelle, welche digital oder analog ausgeführt sein kann, zur Auswerteeinheit 130 übertragen.
6 zeigt ein Geberrad 126 bei der ersten Ausführungsform. Dargestellt ist die Draufsicht auf die Achse aus Richtung des induktiven Positionssensors 124. Das Geberrad 126 kann rotationssymmetrisch ausgestaltet sein. Das Geberrad 126 kann eine identische Anzahl an elektrisch leitfähigen Flügeln 142 mit einem ersten Öffnungswinkel α und elektrisch nicht oder weniger leitfähigen Flügeln und/oder Aussparungen 144 mit einem zweiten Öffnungswinkel β aufweisen. Eine Summe des ersten und des zweiten Öffnungswinkels kann einem vollen Winkelmessbereich δ des induktiven Positionssensors 124 entsprechen. Der erste und der zweite Öffnungswinkel können identisch oder verschieden groß sein. Bevorzugt kann eine Ausgestaltung mit α = β sein, wobei α dem halben Winkelmessbereich δ entspricht. In einer weiteren Ausführungsform kann α auch kleiner sein, solange die Bedingung α + β = δ erfüllt ist. Der Winkelmessbereich kann mit einer Polpaarzahl der Synchronmaschine p gemäß δ=360°/p korrelieren und für die Anzahl n der elektrisch leitfähigen Flügel 142 kann gelten: n = p = 360°/δ. Die Befestigung des Geberrads 126 an dem rotierenden Element 114 kann über eine Schraub- und/oder Klebverbindung und/oder mit einem Längspressverfahren erfolgen.
Das Sensorsystem 110 umfasst weiterhin mindestens ein auf dem rotierenden Element 114 anbringbares oder in das rotierende Element 114 einbringbares Reflexionselement 146. Das Reflexionselement 146 weist einen Reflexionskoeffizienten auf, der sich von dem Reflexionskoeffizienten des rotierenden Elements 114 unterscheidet. Gemäß der Darstellung der 6 ist das Reflexionselement 146 an einem axialen Ende des rotierenden Elements 114 angeordnet und weist dem Lichtempfänger 138 bzw. dem induktiven Positionssensor 124 zu. Bei dem Reflexionselement 146 kann es sich um eine polierte und beschichtete Fläche oder eine aufgeklebte Folie o.ä. handeln. Der Rest des rotierenden Elements 114 weist bevorzugt eine Oberfläche auf, die deutlich stärker als das Reflexionselement 146 reflektiert.
7 zeigt eine Signalform 148 zur Ermittlung der Drehzahl bei der ersten Ausführungsform. Aus dem Verlauf der Stromstärke I_Pmax , die hier beispielhaft konstant aufgrund einer konstanten Temperatur ist, kann die Temperatur T ausgerechnet werden. Aufgrund des geringen Reflexionskoeffizienten des Reflexionselements 146 im Vergleich zu dem rotierenden Element 114, ergibt sich beim Passieren desselben ein schlagartig geringerer Strom I_P . Aus der Zeitdauer zwischen benachbarten steigenden oder fallenden Flanken Δt kann leicht die Drehzahl ermittelt werden. Die Flankendetektion kann mit einem Komparator, wie z.B. Schmitt-Trigger, realisiert werden. Zur Erhöhung der Auflösung bei der Drehzahlmessung können mehrere Reflexionselemente 146 auf dem rotierenden Element 114 platziert werden.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Geberrads 126 einer zweiten Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der zweiten Ausführungsform weist der Temperatursensor 128 mindestens zwei Lichtempfänger 138 auf. Dabei sind die Lichtempfänger 138 bevorzugt in einem vorbestimmten Winkel δ auf einer imaginären Kreislinie 150 voneinander beabstandet angeordnet.
9 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Geberrads 126 der zweiten Ausführungsform. Die Lichtempfänger 138 weisen sensitive Bereiche 152 auf. Der vorbestimmte Winkel δ ist derart gewählt, dass in einem montierten Zustand des Sensorsystems 110 in einer Richtung parallel zur Rotationsachse 112 gesehen Mittelpunkte 154 der sensitiven Bereiche 152 der Lichtempfänger 138 jeweils mit einer Außenkante 156 des Reflexionselement 146 überlappen.
10 zeigt Signalformen 158, 160 zur Ermittlung der Drehzahl und der Drehrichtung bei der zweiten Ausführungsform. Aus dem Phasenversatz τ der beiden Signale 158, 160 kann die Drehrichtung bestimmt werden. Ist der Phasenversatz τ positiv, dreht das rotierende Element 114 in eine erste Drehrichtung, ist der Phasenversatz τ negativ, dreht das rotierende Element 114 in die entgegengesetzte Drehrichtung.
Der induktive Positionssensor 124 kann mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) 162 aufweisen, welche in 11 dargestellt ist. 11 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau des ASICs 162 und Weiterverarbeitung der Signale des induktiven Positionssensors 124. Der induktive Positionssensor 124 kann mindestens eine Spulenanordnung 164, welche auf dem Schaltungsträger 125 angeordnet ist. Die Spulenanordnung 164 kann mindestens eine Erregerspule 166 und mindestens zwei Empfängerspulen 168 aufweisen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 162 ist eingerichtet, um ein Erregersignal für die Erregerspule 166 bereitzustellen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 162 kann eingerichtet sein, um von den Empfängerspulen 168 erzeugte Signale zu verarbeiten und als Ausgangssignale, beispielsweise der Auswerteeinheit 130, bereitzustellen. Beispielsweise kann das ASIC 162 genau an eine Erregerspule 166 und mindestens zwei Empfängerspulen 168 angeschlossen sein. Mit einem nicht näher dargestellten Block 170 kann ein im Wesentlichen sinusförmiges Erregersignal 172 bereitgestellt werden, welches die Erregerspule 166 speist. Beispielsweise kann es sich bei dem Block 170 um eine Oszillatorschaltung handeln, welche einen LC-Oszillator treibt, bei welchen die Erregerspule 166 sowie mindestens ein nicht dargestellter Kondensator als frequenzbestimmende Elemente wirken. Die Amplitude des Erregersignals 172 kann im Bereich von 0,1 V bis 10 V, bevorzugt 5 V betragen, bei Frequenzen im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz, bevorzugt 3,5 MHz.
Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 162 kann eingerichtet sein, um von den Empfängerspulen 168 erzeugte Signale 174, 176 zu verarbeiten Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 162 kann mindestens eine Demodulationsvorrichtung 178 aufweisen, welche eingerichtet ist, um die Signale 174, 176 der Empfängerspulen 168 zu demodulieren, insbesondere synchron. Das Demodulieren kann ein Multiplizieren mit dem Erregersignal 172 umfassen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 162 kann mindestens einen Tiefpassfilter 180 aufweisen. Der Tiefpassfilter 180 kann eine Grenzfrequenz im Bereich von 50 kHz bis zu 500 kHz, bevorzugt 100 kHz, aufweisen.
Beispielsweise kann die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 162 zunächst die Signale 174, 176 der Empfängerspulen 168 demodulieren und anschließend mittels des Tiefpasses 180 filtern. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 162 kann weiterhin mindestens einen Verstärker 182 aufweisen. Der Verstärker 182 kann die gefilterten Signale verstärken. Optional ist es möglich sie zusätzlich mit einem DC-Offset zu beaufschlagen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 162 kann eingerichtet sein, um die verarbeiteten Signale als mindestens ein erstes Ausgangssignal 184 an mindestens einem ersten Ausgang 186 und mindestens ein zweites Ausgangssignal 188 an mindestens einem zweiten Ausgang 190 bereitzustellen. Das erste Ausgangssignal 184 und das zweite Ausgangssignal 188 können über das Kabel 132 an die Auswerteeinheit 130 übertagen werden. Der Lichtempfänger 138 wird entweder über die Signale 192 und 194 direkt mit dem der Auswerteeinheit 130 kontaktiert oder es findet eine Weiterverarbeitung derselben statt, wie z.B. mit einem nicht dargestellten Mikrocontroller.
Beispielhafte Signalverläufe als Funktion des Drehwinkels für eine kontinuierliche Drehbewegung sind in 10 dargestellt. Bei erfindungsgemäßer Ausgestaltung der Empfängerspulen 168 sowie des Geberrads 126 ergeben sich als Funktion des Drehwinkels ein demoduliertes sinusförmiges Signal 188 sowie ein demoduliertes cosinusförmiges Signal 184. In der Auswerteeinheit 130 können die Signale 196, 198 digitalisiert werden und durch anschließende Berechnung eines Arkustangens in den Drehwinkel umgerechnet werden.
13 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau eines weiteren ASICs 162 und Weiterverarbeitung der Signale der Fotodiode 138. Es werden lediglich die Unterschiede zu dem ASIC 162 der 11 beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. 13 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher der induktive Positionssensor 124 mindestens eine Recheneinheit 196 aufweist, welche eingerichtet ist, um aus dem zweiten Signal 136 eine Information über eine zukünftige Rotationseigenschaft des um die Rotationsachse 112 rotierenden Elements 114 zu bestimmen. Die zukünftige Rotationseigenschaft kann eine Rotationseigenschaft eines zeitlich auf einen ersten Messwert folgenden zweiten Messwerts des induktiven Positionssensors 124 sein, also beispielsweise die nächste mit dem induktiven Positionssensor 124 erfasste Information über die Rotationseigenschaft. Beispielsweise kann das zweite Signal 136 ein Drehratesignal sein, welches zur Plausibilisierung der mit dem induktiven Positionssensor 124 erfassten Drehwinkelinformation genutzt werden kann. Eine direkt gemessene Rotordrehzahl kann zur Plausibilisierung von zeitlich aufeinander folgenden Rotorpositionsmessungen verwendet werden. So kann ein plausibilisierter nächsten Messwert α_neu,plau des jeweils nächsten Messwerts α_neu des induktiven Positionssensors zu einem vorhergehenden Messwert α_alt des induktiven Positionssensors 124 mit einer Integration der Drehrate R(t) bestimmt werden: α_neu,plau = 0,5*α_neu + 0,5*(α_alt + R(t) *Δt), wobei t die Zeit ist.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Signalverarbeitung des ersten Signals 134 und zweiten Signals 136 in dem induktiven Positionssensor 124 kann eine Vorverarbeitung bereits im Temperatursensor 128 selbst und/oder aber in der Auswerteeinheit 130 erfolgen. So kann die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 162 mindestens ein Schaltelement aufweisen. Der induktive Positionssensor 124 kann mindestens eine Steuereinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, um das Schaltelement zu steuern, derart dass bei einem Fehlerfall eine Signalkette der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 162 zu dem ersten und dem zweiten Ausgang 186, 190 unterbrochen wird und der erste und der zweite Ausgang 186, 190 mit mindestens einem Fehlersignal überschrieben werden. Das Schaltelement kann insbesondere einen Schalter aufweisen. Um im Fehlerfall, beispielsweise ein Durchgehen des Motors, also der unkontrollierbaren Erhöhung der Drehzahl, schnell reagieren zu können, kann es vorteilhaft sein eine Signalverarbeitung nicht erst in der zweiten Auswerteeinheit 130 vorzunehmen. So kann es möglich sein bei Erkennen eines Fehlerfalles ein „Interrupt“ über die Ausgangssignale 184, 188 des induktiven Positionssensors 124 vorzunehmen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein das Schaltelement anzusteuern und im Fehlerfall über das Schaltelement die Signalkette des induktiven Positionssensors 124 zu unterbrechen und die ersten und zweiten Ausgänge 186, 190 jeweils mit dem mindestens einem Fehlersignal zu überschreiben. Das Fehlersignal kann dafür Werte annehmen, welche nicht im ansonsten gültigen Signalbereich der Signale der üblichen ersten und zweiten Ausgangsignale 184, 188 des ASICs 162, liegen. Beispielsweise kann das Fehlersignal für den ersten und den zweiten Ausgang 186, 190 identische Werte annehmen, welche entweder maximal oder minimal sind, bezogen auf den verfügbaren Spannungshub. In diesem Fall ist die sonst gültige trigonometrische Beziehung sin²+cos²=1 nicht mehr gültig und die Auswerteeinheit 130 kann die Maschine in einen sicheren Zustand, z.B. einen aktiven Kurzschluss, versetzen. So kann eine die funktionale Sicherheit signifikant erhöht werden. Grundsätzlich sind auch Mischformen der beschriebenen Ausführungsformen umsetzbar. Es ist beispielsweise denkbar, dass die Temperatur über eine Schnittstelle zur Auswerteeinheit 130 gesendet wird während die mechanische Größe vorverarbeitet wird und nur bei Eintreten einer bestimmten Bedingung die Signale des induktiven Positionssensors 124 überschreibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014213103 [0004]
DE 102017210655 [0017]

Claims

Sensorsystem (110) zur Bestimmung einer Temperatur und mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements (114) umfassend: mindestens einen Temperatursensor (128), welcher eingerichtet ist mindestens eine Temperatur des rotierenden Elements (114) zu erfassen, wobei der Temperatursensor (128) mindestens eine Lichtquelle (137), mindestens einen Lichtempfänger (138) und mindestens eine optische Schicht (139) aufweist, wobei die optische Schicht (139) mit dem rotierenden Element (114) verbunden oder verbindbar ist, wobei die Lichtquelle (137) eingerichtet ist zur Aussendung von Licht zu der optischen Schicht (139), wobei der Lichtempfänger (138) eingerichtet ist zur Erfassung von von der optischen Schicht (139) reflektiertem Licht und zur Erzeugung eines elektrischen Stroms (I_P) bei erfasstem Licht, wobei der erzeugte elektrische Strom (I_P) proportional zur Temperatur des rotierenden Elements (114) ist, mindestens einen induktiven Positionssensor (124), welcher eingerichtet ist zur Erfassung mindestens einer Information über die Rotationseigenschaft des rotierenden Elements (114), mindestens eine Auswerteeinheit (130), welche eingerichtet ist mindestens ein erstes Signal (134), welches mindestens eine Information über die erfasste Temperatur aufweist, und mindestens ein zweites Signal (136), welches mindestens eine Information über die Rotationseigenschaft aufweist, zu erzeugen.
Sensorsystem (110) nach Anspruch 1, wobei der Lichtempfänger (138) dem rotierenden Element (114) zugewandt ist.
Sensorsystem (110) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtquelle (137) und/oder der Lichtempfänger (138) und/oder die optische Schicht (139) auf oder innerhalb des induktiven Positionssensors (124) angeordnet ist.
Sensorsystem (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin umfassend mindestens ein mit dem um die Rotationsachse (112) rotierenden Element (114) verbindbares Geberrad (126), wobei die optische Schicht (139) auf dem Geberrad (126) angeordnet ist.
Sensorsystem (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Temperatursensor (128) mehrere übereinander angeordnete optische Schichten (139) aufweist, die als dielektrischer Spiegel (141) ausgebildet sind, wobei die Grenzfrequenz des dielektrischen Spiegels (141) dem Maximum des Wellenlängenspektrums der Lichtquelle (137) entspricht.
Sensorsystem (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Lichtempfänger (138) eine Fotodiode ist.
Sensorsystem (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend mindestens ein auf dem rotierenden Element (138) anbringbares oder in das rotierende Element einbringbares Reflexionselement (146), wobei das Reflexionselement (146) einen Reflexionskoeffizienten aufweist, der sich von dem Reflexionskoeffizienten des rotierenden Elements (114) unterscheidet.
Sensorsystem (110) nach Anspruch 7, wobei der Temperatursensor (128) mindestens zwei Lichtempfänger (138) aufweist, wobei die Lichtempfänger (138) in einem vorbestimmten Winkel (δ) auf einer imaginären Kreislinie (150) voneinander beabstandet angeordnet sind.
Sensorsystem (110) nach Anspruch 8, wobei die Lichtempfänger (138) sensitive Bereiche (152) aufweisen, wobei der vorbestimmte Winkel (δ) derart gewählt ist, dass in einem montierten Zustand des Sensorsystems (110) in einer Richtung parallel zur Rotationsachse (114) gesehen Mittelpunkte (154) der sensitiven Bereiche (152) der Lichtempfänger (138) jeweils mit einer Außenkante (156) des Reflexionselement (146) überlappen.
Sensorsystem (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der induktive Positionssensor (124) mindestens einen Schaltungsträger (125) und mindestens eine Spulenanordnung (152) aufweist, welche auf dem Schaltungsträger (125) angeordnet ist, wobei die Spulenanordnung (152) mindestens eine Erregerspule (166) und mindestens zwei Empfängerspulen (168) umfasst.
Sensorsystem (110) nach Anspruch 10, wobei der induktive Positionssensor (124) mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) (162) aufweist, welche auf dem Schaltungsträger (125) angeordnet ist, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (162) eingerichtet ist, um die von den Empfängerspulen (166) erzeugten Signale (174, 176) zu verarbeiten und als mindestens ein erstes Ausgangssignal (182) an mindestens einen ersten Ausgang (184) und als mindestens ein zweites Ausgangssignal (186) an mindestens einen zweiten Ausgang (188) bereitzustellen.
Sensorsystem (110) nach Anspruch 11, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (162) eingerichtet ist, um ein Erregersignal (172) für die Erregerspule (166) bereitzustellen, wobei das Erregersignal (172) ein im Wesentlichen sinusförmiges Erregersignal ist, wobei das Erregersignal (172) eine Amplitude im Bereich von 0,1 V bis 10 V aufweist, wobei das Erregersignal (172) eine Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz aufweist.
Sensorsystem (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der induktive Positionssensor (124) ein induktiver Rotorlagesensor ist.
Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Temperatur und einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements (114), wobei das Verfahren die Verwendung mindestens eines Sensorsystems (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, wobei das Verfahren weiterhin folgende Schritte umfasst: Erfassen mindestens einer Temperatur des rotierenden Elements (114) mit dem mindestens einen Temperatursensor (128), Aussenden von Licht zu der mindestens einen optischen Schicht (139) mittels der Lichtquelle (137), Erfassen von von der optischen Schicht (139) reflektierten Licht mittels des Lichtempfängers (138) des Temperatursensors (128), Erzeugen eines elektrischen Stroms (I_P) bei erfasstem Licht, wobei der elektrische Strom (I_P) proportional zur Temperatur des rotierenden Elements (114) ist, Erfassen mindestens einer Information über eine Rotationseigenschaft des rotierenden Elements (114) mit dem mindestens einen induktiven Positionssensor (124); Erzeugen mindestens eines ersten Signals (134), welches mindestens eine Information über die erfasste Temperatur aufweist, und mindestens eines zweiten Signals (136), welches mindestens eine Information über die Rotationseigenschaft des rotierenden Elements (114) aufweist, mit mindestens einer Auswerteeinheit (130).