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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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Auch sind Sensorsysteme bekannt, die die Temperatur des Rotors drahtlos erfassen, wobei die Stromversorgung der Temperatursensoren induktiv erfolgt. Derartige Sensorsysteme sind vergleichsweise aufwändig und daher teuer.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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.
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Das Sensorsystem umfasst mindestens einen Temperatursensor, welcher eingerichtet ist mindestens eine Temperatur des rotierenden Elements zu erfassen. Dabei weist der Temperatursensor einen Infrarotsensor auf, welcher eingerichtet ist zur Erfassung von Infrarotstrahlung, die von dem rotierenden Element emittiert wird, und zur Erzeugung eines Signals, d.h. Infrarotsensorsignals, bei erfasster Infrarotstrahlung. Das erzeugte Infrarotsensorsignal ist proportional zur Temperatur des rotierenden Elements. Der Infrarotsensor ist im Inneren einer Ummantelung angeordnet. Die Ummantelung ist zumindest teilweise aus einem Material hergestellt, das für Infrarotstrahlung durchlässig ist. Somit kann von dem rotierenden Element emittierte Infrarotstrahlung durch die Ummantelung hindurch zu dem Infrarotsensor gelangen.
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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. So kann der induktive Positionssensor insbesondere eingerichtet sein, eine Drehzahl des rotierenden Elements zu erfassen.
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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 bzw. Drehzahl, darstellt. Das erste und das zweite Signal können beide analog, beide digital oder eines analog und eines digital sein.
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Der Infrarotsensor kann dem rotierenden Element zugewandt sein. Dadurch wird ein Erfassen der Infrarotstrahlung, die von dem rotierenden Element emittiert wird, nicht behindert.
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Die Ummantelung kann im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet sein. Unter einer rohrförmigen Ausbildung ist eine Ausbildung in Form eines länglichen Hohlkörpers zu verstehen, dessen Länge wesentlich, d.h. mindestens Faktor 3, größer als sein Durchmesser ist.
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Ein dem rotierenden Element zugewandtes Ende der Ummantelung kann konvex ausgebildet sein. Dadurch lässt sich die Infrarotstrahlung des Rotors gut bündeln und an den Infrarotsensor und die entsprechende Auswerteeinheit weiterleiten.
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Bevorzugt ist ein dem rotierenden Element abgewandtes Ende der Ummantelung bevorzugt flach ausgebildet. Dadurch ist das Ende, an dem sich Infrarotaufnahme-Sensorik befindet flach und somit kompakt ausgebildet.
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Die Ummantelung kann eine Längsachse definieren, wobei die Ummantelung Seitenwände aufweist, wobei sich die Seitenwände in einer Umfangsrichtung um die Längsachse erstrecken, wobei die Seitenwände aufgeraut oder von einem für Infrarotstrahlung im Wesentlichen undurchlässigen Material umgeben sind. Dadurch wird ein guter Schutz gegen äußerliche Temperaturstrahlungen, d.h. andere Temperaturstrahlungen als die von dem rotierenden Element emittierte Infrarotstrahlung, vorgesehen.
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Das Sensorsystem kann weiterhin mindestens ein mit dem um die Rotationsachse rotierenden Element verbindbares Geberrad umfassen, wobei die Ummantelung in das Geberrad hineinragt. Somit ist die Länge der bevorzugt rohrförmigen Ummantelung so ausgeformt, dass diese ins Geberrad hineinragt. Somit lässt sich die vom rotierenden Element emittierte Infrarotstrahlung besonders gut in die Ummantelung und zu dem Infrarotsensor leiten. Dazu ist eine thermische Anbindung zwischen Geberrad und Rotor erforderlich. Im Idealfall besteht das Geberrad aus dem gleichen Material wie das rotierende Element. Falls nicht, sollte das Temperaturverhältnis zwischen Rotortemperatur und Geberradtemperatur bekannt sein. Darüber hinaus sollte der zu messende Wellenlängenbereich des Materials bekannt sein, unter Umständen muss auch eine Korrelation zwischen Rotortemperatur und der gemessenen Temperatur am Rotorende empirisch oder numerisch hergestellt werden. Da eine Verschmutzung des optischen Elements mit der Zeit nicht aus zu schließen ist sollte die Grundintensität fortlaufend gemessen und ggf. angepasst werden. Der zum Einsatz kommende Infrarotsensor muss diesem Wellenlängenbereich entsprechend ausgelegt sein.
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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.
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Das Material der Ummantelung kann unter anderem Polymethylmethacrylat, Polycarbonat oder Stoffe mit ähnlich guter Lichtdurchlässigkeit sein oder aufweisen.
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Der Infrarotsensor kann auf oder innerhalb des induktiven Positionssensors angeordnet sein. Dadurch wird eine kompakte Anordnung des Temperatursensors und des induktiven Positionssensors angegeben.
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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).
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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.
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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.
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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 vorfolgenden 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.
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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.
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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.
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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.
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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 keinen 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 die Auswerteeinheit, insbesondere eine von dem Schaltungsträger getrennt ausgestaltete Auswerteeinheit, übertragen werden.
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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.
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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.
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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 Öffnungswinkels 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.
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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 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 = sind) / cosΦ 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 Auswerteeinheit zu übermitteln.
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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,
- Erfassen von von dem rotierenden Element emittierter Infrarotstrahlung mittels Infrarotsensors des Temperatursensors,
- Erzeugen eines Infrarotsensorsignals bei erfasster Infrarotstrahlung, wobei das Infrarotsensorsignal 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.
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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.
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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.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist die Anbringung des Drehzahlsensors am Motor in axialer Richtung, was die zusätzliche Möglichkeit bietet, die Rotortemperatur zu erfassen. Dafür wird das Sensormodul (RS-E) um eine optische Temperaturauswertung ergänzt ohne zusätzliche Modifikationen am oder im Rotor vornehmen zu müssen. Hierfür wir in die bestehende Leiterplatte des RS-E ein Plexiglasröhrchen eingebracht, welche bevorzugt auf der dem Rotor zugewandten Seite konvex ausgeformt ist, um die Infrarotstrahlung des Rotors zu bündeln und an einen entsprechenden Infrarotsensor und entsprechender Auswerteeinheit weiter zu leiten.
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Vorteile der Erfindung
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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. So kann mit einer Komponente die Drehzahl und die Temperatur gemessen werden, um Platz- und Kosten zu sparen. 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 Infrarotsensoren 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.
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Figurenliste
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems und
- 2 eine perspektivische Ansicht des Sensorsystems.
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Ausführungsformen der Erfindung
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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).
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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 ohne mechanischen 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.
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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.
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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.
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Der Temperatursensor 128 weist einen Infrarotsensor 138 auf. Der Infrarotsensor 138 ist eingerichtet zur Erfassung von Infrarotstrahlung, die von dem rotierenden Element 114 emittiert wird, und zur Erzeugung eines Infrarotsensorsignals bei erfasster Infrarotstrahlung. Dabei ist das Infrarotsensorsignal proportional zur Temperatur des rotierenden Elements 114. Der Infrarotsensor 138 ist dem rotierenden Element 114 bzw. dem Geberrad 126 zugewandt. Der Infrarotsensor 138 ist im Inneren einer Ummantelung 140 angeordnet. Die Ummantelung 140 ist zumindest teilweise aus einem Material hergestellt ist, das für Infrarotstrahlung durchlässig, wie beispielsweise Polymethylmethacrylat. Die Ummantelung 140 ist im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet. Die Ummantelung 140 definiert entsprechend eine Längsachse 142. Die Ummantelung 140 weist Seitenwände 144 auf. Die Seitenwände 144 erstrecken sich in einer Umfangsrichtung um die Längsachse 142. Die Seitenwände 144 sind aufgeraut. Alternativ sind die Seitenwände 144 von einem für Infrarotstrahlung im Wesentlichen undurchlässigen Material (nicht näher gezeigt) umgeben, wie beispielsweise einem keramischen Material. Wie in 1 zu erkennen ist, ist ein dem rotierenden Element 114 zugewandtes Ende 146 der Ummantelung 140 konvex ausgebildet. Ein dem rotierenden Element 114 abgewandtes Ende 148 der Ummantelung 140 ist bevorzugt flach ausgebildet.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Sensorsystems 110. Zu erkennen ist insbesondere die Anordnung des Infrarotsensors 138 auf dem Schaltungsträger 125. Wie in 2 weiter zu erkennen ist, ragt die Ummantelung 140 in das Geberrad 126 hinein.
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Bei dem Infrarotsensor 138 wird die temperaturabhängige Intensität der Infrarotstrahlung erfasst und in ein Infrarotsensorsignal gewandelt, wie beispielsweise einen elektrischen Strom. Trifft nun Infrarotstrahlung auf den Infrarotsensor 138, hängt das Infrarotsensorsignal bzw. der elektrische Strom von der Temperatur des Strahlers ab. Bei dem erfindungsgemäßen Sensorsystem 110 ist das Infrarotsensorsignal bzw. der elektrische Strom proportional zur Temperatur des rotierenden Elements 114. Der induktive Positionssensor 124 kann mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) 150 aufweisen. Der induktive Positionssensor 124 kann mindestens eine Spulenanordnung 152, welche auf dem Schaltungsträger 125 angeordnet ist. Die Spulenanordnung 152 kann mindestens eine Erregerspule 154 und mindestens zwei Empfängerspulen 156 aufweisen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 150 ist eingerichtet, um ein Erregersignal für die Erregerspule 154 bereitzustellen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 150 kann eingerichtet sein, um von den Empfängerspulen 156 erzeugte Signale zu verarbeiten und als Ausgangssignale, beispielsweise der Auswerteeinheit 130, bereitzustellen. Beispielsweise kann das ASIC 150 genau an eine Erregerspule 154 und mindestens zwei Empfängerspulen 156 angeschlossen sein. Mit einem nicht näher dargestellten Block kann ein im Wesentlichen sinusförmiges Erregersignal bereitgestellt werden, welches die Erregerspule 154 speist. Beispielsweise kann es sich bei dem Block um eine Oszillatorschaltung handeln, welche einen LC-Oszillator treibt, bei welchen die Erregerspule 154 sowie mindestens ein nicht dargestellter Kondensator als frequenzbestimmende Elemente wirken. Die Amplitude des Erregersignals 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.
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Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 150 kann eingerichtet sein, um von den Empfängerspulen 156 erzeugte Signale zu verarbeiten Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 150 kann mindestens eine Demodulationsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, um die Signale der Empfängerspulen 156 zu demodulieren, insbesondere synchron. Das Demodulieren kann ein Multiplizieren mit dem Erregersignal umfassen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 150 kann mindestens einen Tiefpassfilter aufweisen. Der Tiefpassfilter kann eine Grenzfrequenz im Bereich von 50 kHz bis zu 500 kHz, bevorzugt 100 kHz, aufweisen. Beispielsweise kann die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 150 zunächst die Signale der Empfängerspulen 156 demodulieren und anschließend mittels des Tiefpasses filtern. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 150 kann weiterhin mindestens einen Verstärker aufweisen. Der Verstärker kann die gefilterten Signale verstärken. Optional ist es möglich sie zusätzlich mit einem DC-Offset zu beaufschlagen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 150 kann eingerichtet sein, um die verarbeiteten Signale als mindestens ein erstes Ausgangssignal an mindestens einem ersten Ausgang und mindestens ein zweites Ausgangssignal an mindestens einem zweiten Ausgang bereitzustellen. Das erste Ausgangssignal und das zweite Ausgangssignal können über das Kabel 132 an die Auswerteeinheit 130 übertagen werden. Der Infrarotsensor 138 wird entweder über seine Signale direkt mit dem der Auswerteeinheit 130 kontaktiert oder es findet eine Weiterverarbeitung derselben statt, wie z.B. mit einem nicht dargestellten Mikrocontroller.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014213103 [0004]
- DE 102017210655 [0023]
