DE102019110888B4

DE102019110888B4 - Vorrichtung zur Bestimmung der Absolutumdrehungen eines sich drehenden Bauteiles und eine Aktoranordnung

Info

Publication number: DE102019110888B4
Application number: DE102019110888.8A
Authority: DE
Inventors: Raphael Künzig
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2022-11-10
Anticipated expiration: 2039-04-27
Also published as: DE102019110888A1; WO2020216393A1

Abstract

Vorrichtung (12) zur Bestimmung der Absolutumdrehung eines sich drehenden Bauteils, wobei zwei Kondensatorschleifen (13, 14) zueinander beabstandet ineinander geschoben sind, wobei ein Ende jeder der beiden Kondensatorschleifen (13, 14) an dem sich drehenden Bauteil (6) zur Veränderung eines räumlichen Abstandes zwischen den beiden Kondensatorschleifen (13, 14) während der Drehbewegung des Bauteiles (6) befestigt sind und das jeweilige andere Ende jeder der beiden Kondensatorschleifen (13, 14) unbeweglich fixiert ist und beide Kondensatorschleifen (13, 14) elektrisch kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kondensatorschleife (13, 14) jeweils über ihre ganze Länge spiralförmig ausgebildet ist, wobei die beiden Kondensatorschleifen (13, 14) in einer Fläche, jeweils über ihre ganze Länge radial ineinander verschachtelt sind und das innere Ende jeder Kondensatorschleife (13, 14) mit dem sich drehenden Bauteil (6) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Absolutumdrehungen eines sich drehenden Bauteiles sowie eine Aktoranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.
DE 10 2008 036 377 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung der Absolutumdrehung eines sich drehenden Bauteils.
Aus der DE 10 2016 217 826 B3 ist ein Kupplungsaktor bekannt, bei welchem der Drehwinkel und Mehrfachumdrehungen eines Rotors eines Elektromotors anhand eines Positionssensors, wie beispielsweise eines 2D-Hall-Sensors erfasst und berechnet werden. Hierzu erfasst eine Auswerteeinheit beispielsweise Messsignale in Form von Sinus- und Cosinus-Signalen zweier analoger Ausgänge des Positionssensors. Aus den Winkelinformationen kann eine axiale Bewegung eines die Kupplung betätigenden Kolbens erfasst werden, der von einem Elektromotor mittels eines Spindeltriebes axial verlagert wird. Bei solchen Aktuatoren, die mithilfe von Elektromotoren und Spindeltrieb direkt oder hydraulisch Bewegungen generieren, ist es hilfreich, den absoluten Verfahrweg zu kennen. Da keine Sensoren bekannt sind, die den absoluten Verfahrweg des Aktuators bestimmen, können zwar die Umdrehungen des Elektromotors gezählt und gespeichert werden, bei Verlust der Versorgungsspannung geht die gespeicherte Information der Absolutumdrehung und damit die absolute Position des Aktuators verloren, was aufwändige Referenzierungen notwendig macht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Absolutumdrehung eines sich drehenden Bauteiles anzugeben, bei welcher auf eine Referenzierung bei Verlust der Spannungsversorgung verzichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Aktoranordnung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 4 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 8.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe also mittels des Verfahrens dadurch gelöst, dass durch eine Bewegung des sich drehenden Bauteils Kapazitätsänderungen eines Kondensators hervorgerufen werden, aus welchen auf die Absolutumdrehung des sich drehenden Bauteiles geschlossen wird. Mittels eines solchen Verfahrens können Referenzierungen bei Verlust der Versorgungsspannung entfallen, da sich eine Absolutumdrehung des sich drehenden Bauteiles zuverlässig ohne weitere Hilfsmittel ermitteln lässt.
Die Erfindung betrifft also auch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Absolutumdrehungen eines sich drehenden Bauteils. Bei einer Vorrichtung, bei welcher Referenzierungen bei Verlust der Versorgungsspannung entfallen, sind zwei Kondensatorschleifen zueinander beabstandet ineinander geschoben, wobei ein Ende jeder der beiden Kondensatorschleifen an dem sich drehenden Bauteil zur Veränderung eines räumlichen Abstandes zwischen den beiden Kondensatorschleifen während der Drehbewegung des Bauteils zueinander befestigt sind und das jeweilige andere Ende jeder der beiden Kondensatorschleifen unbeweglich fixiert ist und beide Kondensatorschleifen elektrisch kontaktiert sind. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Vorrichtung einen Kondensator darstellt, welcher abhängig von mehreren Umdrehungen des sich drehenden Bauteiles seine Kapazität ändert, aus welcher einfach die Absolutumdrehungen des sich drehenden Bauteiles bestimmt werden können. Auf eine aufwändige Referenzierung bei Verlust der Versorgungsspannung kann somit verzichtet werden.
Erfindungsgemäß ist jede Kondensatorschleife jeweils über ihre ganze Länge spiralförmig ausgebildet, wobei die beiden Kondensatorschleifen in einer Fläche, jeweils über ihre ganze Länge radial ineinander verschachtelt sind und das innere Ende jeder Kondensatorschleife mit dem sich drehenden Bauteil verbunden ist. Durch das sich drehende Bauteil wird der Abstand zwischen den spiralförmig ausgebildeten Kondensatorschleifen verändert, wodurch sich die Kapazität der Vorrichtung ändert. Die radiale Verschachtelung der Kondensatorschleifen reduziert den benötigten Bauraum.
In einer Ausgestaltung ist jede Kondensatorschleife elektrisch leitend ausgebildet und nach außen elektrisch isoliert, wobei die elektrische Isolierung und/oder ein durch einen Abstand zwischen den beiden Kondensatorschleifen gebildeter Luftspalt ein Dielektrikum bilden. Ein solcher Kondensator lässt sich sehr platzsparend ausbilden und kann somit in Vorrichtungen eingesetzt werden, die ein sich drehendes Bauteil aufweisen und deren Position überwacht werden soll, die nur wenig Bauraum besitzen.
In einer Ausführungsform wird als sich drehendes Bauteil ein Rotor eines Elektromotors verwendet. Insbesondere bei der Verwendung von elektrisch kommutierten Elektromotoren stellt ein Verzicht auf eine Referenzierung bei einem Spannungsausfall einen großen Vorteil dar.
Die Erfindung betrifft also auch eine Aktoranordnung für ein Fahrzeug, vorzugsweise einen Kupplungsaktor, bei welchem eine Bewegung der Aktoranordnung durch ein sich drehendes Bauteil generierbar ist und eine Umdrehung des sich drehenden Bauteils von einem Sensor detektierbar ist, welcher mit einer Auswerteschaltung zur Bestimmung eines aktuellen Verfahrweges der Aktoranordnung bei sich drehenden Bauteil verbunden ist. Bei einer Aktoranordnung, bei welcher auf eine Referenzierung der Nullposition des sich drehenden Bauteiles bei Spannungsausfall verzichtet werden kann, ist die als Sensor ausgebildete Vorrichtung nach mindestens einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Merkmal ausgebildet. Die so ausgestalteten Aktoranordnungen können eine große Vielfalt aufweisen, bei welchen durch eine definierte Anzahl von Umdrehungen eine Bewegung eines Stellantriebes generiert wird.
Vorteilhafterweise ist die Auswerteschaltung zur Bestimmung des Verfahrweges mit einem einen relativen Winkel des sich drehenden Bauteiles detektierenden Winkelsensor verbunden. Mit einer solchen Aktoranordnung lässt sich insbesondere bei der Verwendung eines Winkelsensors mit einer höheren Auflösung die absolute Verdrehung des Rotors des Elektromotors und damit entsprechend der Verfahrweg der Aktoranordnung zuverlässig bestimmen.
In einer Ausgestaltung ist das sich drehende Bauteil als Elektromotor oder als Spindeltrieb ausgebildet. Bei der Verwendung nur eines Elektromotors lässt sich direkt eine Bewegung der Aktoranordnung generieren. Der Einsatz von von Elektromotoren angetriebenen Spindeltrieben ist insbesondere beim Einsatz einer Hydraulikflüssigkeit in einer hydraulischen Aktoranordnung hilfreich, um den absoluten axialen Verfahrweg des Spindeltriebes und somit der Aktoranordnung zu bestimmen.
In einer besonders kostengünstigen Ausführungsform sind die elektrischen Anschlüsse der Vorrichtung zum Anschluss an eine Spannungsversorgung auf eine die Auswerteschaltung tragende Trägereinheit geführt. Dadurch ist wenig konstruktiver Aufwand nötig, wodurch der Bauraum der Aktoranordnung reduziert werden kann.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung,
2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 ein Ausführungsbeispiel eines Elektromotors mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung in Form eines hydraulischen Kupplungsaktors 1 dargestellt. Der hydraulische Kupplungsaktor 1 umfasst ein Steuergerät 2, das einen Elektromotor zur Betätigung des Kupplungsaktors 1 ansteuert. Das Steuergerät 2 ist als Modul ausgebildet, welches mit einem Hydraulikmodul 3 zur Betätigung einer Kupplung verbunden ist. Bei einer Lageveränderung des Elektromotors ist eine Spindel 4 entlang eines axialen Aktorweges beidseitig bewegbar. Die Spindel 4 wird von dem Elektromotor angetrieben, der einen Stator 5 aufweist. Radial innerhalb des Stators 5 ist ein Rotor 6 gelagert, der über ein nicht weiter gezeigtes Planetenwälzgetriebe mit der Spindel 4 im Eingriff steht. Das Planetenwälzgetriebe ist von einer Hülse 7 ummantelt. An der dem Steuergerät 2 abgewandten Ende 4.1 der Spindel 4 ist ein Druckstück 8 befestigt, welches auf ein nicht weiter dargestelltes Element einer hydraulischen Strecke, wie einen Geberzylinder, wirkt. Zwischen dem Druckstück 8 und dem Hydraulikmodul 3 erstreckt sich ein Faltenbalg 11, der den Kupplungsaktor 1 vor Verschmutzung schützt.
Um die Spindel 4 auf eine gewünschte Position verfahren zu können, wodurch die Kupplung einen vorgegebene Position einnehmen kann, wird der Elektromotor kommutiert angesteuert. Dazu muss die Rotationsbewegung des Rotors 6 erfasst und abgespeichert werden. Zur Bestimmung des Verfahrweges der Spindel 4 wird aus den erfassten Absolutumdrehungen des Rotors 6 des Elektromotors in einer Auswerteschaltung 9 der Verfahrweg der Spindel 4 bestimmt.
Zur Bestimmung der Absolutumdrehungen wird eine Vorrichtung 12 verwendet, die in 2 dargestellt ist. Dabei zeigt 2a die Vorrichtung 12 in einer Ausgangsposition, während 2b die Vorrichtung 12 in einer verdrehten Position zeigt. Die Vorrichtung 12 umfasst zwei spiralförmige Kondensatorschleifen 13, 14, wobei die Kondensatorschleife 13 die Anode und die Kondensatorschleife 14 die Kathode bildet. Die spiralförmigen Kondensatorschleifen 13, 14 sind in einer Fläche radial ineinander geschachtelt angeordnet, indem die Windungen der Kondensatorschleifen 13, 14 abwechselnd aufeinanderfolgen. Zwischen den einzelnen Windungen der Kondensatorschleife 13, 14 ist ein Abstand vorhanden. Dieser Abstand bildet einen Luftspalt, der als Dielektrikum für diesen von den Kondensatorschleifen 13, 14 gebildeten Kondensator genutzt wird.
Jede der beiden Kondensatorschleifen 13, 14 ist elektrisch leitend und mit einer elektrischen Isolierung umgeben, die ebenfalls als Dielektrikum benutzt werden kann. Die inneren ersten Enden 13.1 und 14.1 der jeweiligen Kondensatorschleife 13, 14 sind an dem Rotor 6 befestigt. Die äußeren zweiten Enden der jeweiligen Kondensatorschleife 13, 14 sind am Stator 5 des Elektromotors oder an einem Gehäuse des Kupplungsaktors 1 fest fixiert. Ausgehend von der in 2a gezeigten Darstellung werden bei einer Drehung des Rotors 6 in Richtung des Pfeils P die Kondensatorschleifen 13, 14 über mehrere Umdrehungen hinweg gespannt, wodurch sich kontinuierlich der Abstand zwischen den Windungen der spiralförmigen Kondensatorschleifen 13, 14 verändert. Ein solcher Zustand ist in 2b gezeigt, bei welchem eine Draufsicht auf die Kondensatorschleifen 13, 14 dargestellt ist. Je nachdem, in welche Richtung sich der Rotor 6 des Elektromotors dreht, werden die Abstände größer oder kleiner. Durch die variierenden Abstände zwischen den Windungen der Kondensatorschleifen 13, 14 wird die Kapazität zwischen den Kondensatorschleifen 13, 14 bestimmt und dadurch ein Kondensator geschaffen, welcher umdrehungsabhängig seine Kapazität ändert. Da die Kondensatorschleifen 13, 14 elektrisch leitfähig und nach außen hin elektrisch isoliert sind, kann sich ein elektrisches Feld zwischen den Kondensatorschleifen 13, 14 ausbilden.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Elektromotors mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 gemäß 2 dargestellt. Die Kondensatorschleifen 13, 14 überspannen flächig eine Leiterplatte 15 , auf welcher eine Auswerteschaltung 9 positioniert ist. Diese Auswerteschaltung 9 ist elektrisch mit der Vorrichtung 12 verbunden, so dass diese die Kapazitätsveränderungen der Vorrichtung 12 detektiert und daraus einen absoluten Drehwinkel des Rotors 6 des Elektromotors über mehrere Umdrehungen hin errechnet. Um die Auflösung einer Umdrehung zu verbessern, ist an dem Elektromotor ein Winkelsensor 10 zur Bestimmung eines relativen Winkels des Rotors 6 dem Rotor 6 gegenüberliegend gelagert.
Die Trägerplatte 15 mit der Auswerteschaltung 9 und die Kondensatorschleifen 13, 14 können in einem eigenen Gehäuse auf dem Elektromotor platziert werden, welches vorzugsweise in dem Hydraulikmodul 3 positioniert ist. Alternativ können Trägerplatte 15 und die Kondensatorschleifen 13, 14 platzsparend, wie in 1 gezeigt, in dem Modul des Steuergerätes gelagert werden, wobei der Rotor 6, insbesondere die Rotorwelle, in diese Modul hineinragen. Dadurch kann ein zusätzliches Gehäuse entfallen.
Mithilfe dieser Vorrichtung 12 ist es möglich, die absolute Verdrehung des Rotors 6 des Elektromotors und damit entsprechend den axialen Verfahrweg der Spindel 4 des Kupplungsaktors 1 zu bestimmen.
Die vorliegende Lösung ist nicht nur auf hydraulische Kupplungsaktoren beschränkt, sondern kann bei elektrischen Kupplungsaktoren eingesetzt werden, wo der Elektromotor direkt zur Einstellung der Kupplung verwendet wird.
Bezugszeichenliste

1: Aktoranordnung
2: Steuergerät
3: Hydraulikmodul
4: Spindel
5: Stator
6: Rotor
7: Hülse
8: Druckstück
9: Auswerteschaltung
10: Winkelsensor
11: Faltenbalg
12: Vorrichtung
13: Kondensatorschleife
14: Kondensatorschleife
15: Leiterplatte

Claims

Vorrichtung (12) zur Bestimmung der Absolutumdrehung eines sich drehenden Bauteils, wobei zwei Kondensatorschleifen (13, 14) zueinander beabstandet ineinander geschoben sind, wobei ein Ende jeder der beiden Kondensatorschleifen (13, 14) an dem sich drehenden Bauteil (6) zur Veränderung eines räumlichen Abstandes zwischen den beiden Kondensatorschleifen (13, 14) während der Drehbewegung des Bauteiles (6) befestigt sind und das jeweilige andere Ende jeder der beiden Kondensatorschleifen (13, 14) unbeweglich fixiert ist und beide Kondensatorschleifen (13, 14) elektrisch kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kondensatorschleife (13, 14) jeweils über ihre ganze Länge spiralförmig ausgebildet ist, wobei die beiden Kondensatorschleifen (13, 14) in einer Fläche, jeweils über ihre ganze Länge radial ineinander verschachtelt sind und das innere Ende jeder Kondensatorschleife (13, 14) mit dem sich drehenden Bauteil (6) verbunden ist.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kondensatorschleife (13, 14) elektrisch leitfähig ausgebildet und nach außen elektrisch isoliert ist, wobei die elektrische Isolierung und/oder ein durch den Abstand zwischen den beiden Kondensatorschleifen (13, 14) gebildeter Luftspalt ein Dielektrikum bilden.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als sich drehendes Bauteil ein Rotor (6) eines Elektromotors verwendet wird.
Aktoranordnung für ein Fahrzeug, vorzugsweise ein Kupplungsaktor, bei welchem eine Bewegung der Aktoranordnung (1) durch ein sich drehendes Bauteil (6) generierbar ist und eine Umdrehung des sich drehenden Bauteils (6) von einem Sensor (12) detektierbar ist, welcher mit einer Auswerteschaltung (9) zur Bestimmung eines aktuellen Verfahrweges der Aktoranordnung (1) bei sich drehendem Bauteil (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die als Sensor ausgebildete Vorrichtung (12) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Aktoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (9) zur Bestimmung des Verfahrweges mit einem einen relativen Winkel des sich drehenden Bauteiles detektierenden Winkelsensor (10) verbunden ist.
Aktoranordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das sich drehende Bauteil als Elektromotor (5, 6) oder als Spindeltrieb (4) ausgebildet ist.
Aktoranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlüsse der Vorrichtung (12) zum Anschluss an eine Spannungsversorgung auf eine die Auswerteschaltung (9) tragende Trägereinheit (15) geführt sind.
Verfahren zur Bestimmung von Absolutumdrehungen eines sich drehenden Bauteiles, vorzugsweise eines Bauteiles zur Betätigung eines Kupplungs- und/oder Getriebeaktors, bei welchem die Absolutumdrehungen sensorisch detektiert werden, wobei durch eine Bewegung des sich drehenden Bauteiles (6) Kapazitätsänderungen eines Kondensators (13, 14) hervorgerufen werden, aus welchen auf die Absolutumdrehung des sich drehenden Bauteiles (3) geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die als Sensor ausgebildete Vorrichtung (12) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet ist.