DE102020113115A1

DE102020113115A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Positionserfassung in einem Elektromotor

Info

Publication number: DE102020113115A1
Application number: DE102020113115.1A
Authority: DE
Inventors: Frank Hiestand
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2020-05-14
Publication date: 2021-11-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionserfassung in einem Elektromotor, einen Elektromotor mit einer Vorrichtung zur Positionserfassung sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Stellung eines drehbaren Elements in einem Elektromotor. Die Vorrichtung zur Positionserfassung in einem Elektromotor umfasst ein drehbares Element zur Verwendung in dem Elektromotor sowie ein elektrisch leitfähiges Target, welches auf dem drehbaren Element angeordnet ist. Das leitfähige Target erstreckt sich in Umfangsrichtung um eine Drehachse des drehbaren Elements und eine Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets weist einen Normalenvektor auf, der in radiale Richtung zeigt.. Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein induktives Element, das der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets gegenüber liegend auf einem Halter angeordnet ist und sich in Umfangsrichtung um die Drehachse des drehbaren Elements erstreckt. Eine Form des elektrisch leitfähigen Targets und des induktiven Elements sind so gewählt, dass eine effektive Induktivität des induktiven Elements abhängig von der Stellung des drehbaren Elements in Umfangsrichtung variiert.

Description

GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionserfassung in einem Elektromotor, einen Elektromotor mit einer Vorrichtung zur Positionserfassung sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Stellung eines drehbaren Elements in einem Elektromotor.
HINTERGRUND
Elektrische Kleinmotoren wie beispielsweise bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) kommen unter anderem im Automobilbereich und in der Automatisierungstechnik zur Anwendung, zum Beispiel als Servomotor, Lüftermotor oder Antrieb für Stellaktuatoren wie Klappensteller oder Ventile, beispielsweise Nadelventile. Zur Steuerung und Überwachung können solche Elektromotoren mit Sensoren ausgestattet sein, um Motorparameter wie die Rotorstellung, die Rotordrehzahl oder die Stellung eines mit dem Rotor gekoppelten Stellglieds zu bestimmen.
Ein Elektromotor kann beispielsweise einen Hall-Sensor aufweisen, der dazu eingerichtet ist, eine Stärke und/oder Richtung eines Magnetfelds zu messen. Auf einem beweglichen Element des Elektromotors, z.B. auf einem Abtriebsrad, kann ein Magnet angebracht sein. Der Hall-Sensor kann in der Nähe des Abtriebsrads angeordnet werden, um das von dem Magneten erzeugte Magnetfeld zu messen. Wird das Abtriebsrad bewegt, ändert sich das Magnetfeld am Ort des Sensors. Anhand des gemessenen Magnetfelds kann somit die Stellung des Abtriebsrads sowie gegebenenfalls die Stellung eines damit gekoppelten Stellglieds ermittelt werden.
Alternativ kann eine induktive Positionserfassung zum Einsatz kommen, um die Stellung des beweglichen Elements zu bestimmen. Hierzu kann beispielsweise eine Scheibe mit einer darauf angeordneten Metallstruktur an dem beweglichen Element angebracht werden und die effektive Induktivität einer Spule gemessen werden, die in der Nähe des beweglichen Elements angeordnet ist. Die effektive Induktivität der Spule kann durch die Gegenwart der Metallstruktur auf der Scheibe beeinflusst werden und kann entsprechend abhängig von der Stellung des beweglichen Elements variieren.
Der Einsatz von aus dem Stand der Technik bekannten induktiven Positionserfassungsvorrichtungen kann allerdings aufgrund ihrer Abmessungen und Konstruktionsweise nicht mit den Anforderungen eines elektrischen Kleinmotors hinsichtlich Kompaktheit und Komplexität vereinbar sein.
ÜBERBLICK
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine für den Einsatz in elektrischen Kleinmotoren optimierte induktive Positionserfassung für ein bewegliches Element in dem Motor bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Positionserfassung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und ein Verfahren zur Bestimmung einer Stellung eines drehbaren Elements in einem Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird eine Vorrichtung zur Positionserfassung in einem Elektromotor vorgesehen, die ein drehbares Element zur Verwendung in dem Elektromotor sowie ein elektrisch leitfähiges Target umfasst, welches auf dem drehbaren Element angeordnet ist. Das elektrisch leitfähige Target erstreckt sich in Umfangsrichtung um eine Drehachse des drehbaren Elements, wobei eine Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets einen Normalenvektor aufweist, der in radiale Richtung zeigt. Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein induktives Element, das der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets gegenüber liegend auf einem Halter angeordnet ist und sich in Umfangsrichtung um die Drehachse des drehbaren Elements erstreckt. Eine Form des elektrisch leitfähigen Targets und des induktiven Elements sind so gewählt, dass eine effektive Induktivität des induktiven Elements abhängig von der Stellung des drehbaren Elements in Umfangsrichtung variiert.
Das drehbare Element ist drehbar gelagert, so dass das drehbare Element in Umfangsrichtung um die Drehachse rotieren kann. Das drehbare Element kann beispielsweise eine Welle, ein Schaft, ein Abtriebsrad, ein Zahnrad oder ein Rotor für einen Elektromotor oder ein entsprechendes Element in einem Elektromotor sein. In einigen Ausführungsformen kann das drehbare Element mit einem Stellglied mechanisch gekoppelt sein.
Das elektrisch leitfähige Target kann beispielsweise eine leitfähige Fläche oder einen leitfähigen Körper umfassen, die/der zum Beispiel aus Metall bestehen kann oder mit Metall beschichtet sein kann. Das elektrisch leitfähige Target kann an dem drehbaren Element befestigt sein, zum Beispiel mit dem drehbaren Element verklebt sein oder von einer geeigneten Haltevorrichtung an dem drehbaren Element gehalten werden. In anderen Ausführungsformen kann das elektrisch leitfähige Target einstückig mit dem drehbaren Element ausgebildet sein und beispielsweise eine mit Metall beschichtete Fläche des drehbaren Elements sein. Das elektrisch leitfähige Target kann auf einer Oberfläche des drehbaren Elements angeordnet sein oder kann in dem drehbaren Element eingebettet sein, beispielsweise unter einer isolierenden Schutzschicht. Das elektrisch leitfähige Target kann sich in Umfangsrichtung vollständig oder teilweise um die Drehachse des drehbaren Elements erstrecken. Das elektrisch leitfähige Target kann in Umfangsrichtung beispielsweise einen Winkel relativ zur Drehachse zwischen 10° und 360° einschließen. Die Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets verläuft parallel zur Drehachse. Bevorzugt ist die Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets gekrümmt und kann beispielsweise einem Ausschnitt aus einer Oberfläche eines Zylindersegments entsprechen, d.h. parallel zur Drehachse und zur Umfangsrichtung verlaufen.
Das induktive Element ist auf dem Halter angeordnet und kann zum Beispiel mit dem Halter verklebt sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Halter eine geeignete Haltevorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, das induktive Element aufzunehmen und zu halten. Ebenso kann es vorgesehen sein, dass der Halter einteilig mit einem Gehäuse ausgeformt ist, insbesondere an der Innenseite eines Deckels oder einer Grundplatte des Gehäuses. Bevorzugt umfasst der Halter ein isolierendes Material, beispielsweise Kunststoff. Das induktive Element ist so auf dem Halter angeordnet, dass es der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets gegenüber liegt. In einigen Ausgestaltungen kann sich das induktive Element parallel zur Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets erstrecken. Das induktive Element kann sich in Umfangsrichtung vollständig oder teilweise um die Drehachse des drehbaren Elements erstrecken. Das induktive Element kann in Umfangsrichtung beispielsweise einen Winkel relativ zur Drehachse zwischen 10° und 360° einschließen. Das induktive Element kann sich in Umfangsrichtung entlang einer gerade Linie erstrecken, beispielsweise entlang einer Tangente zur Umfangsrichtung, oder entlang einer gekrümmten Linie, beispielsweise entlang eines Kreisbogens.
Das induktive Element hat eine intrinsische Induktivität, wobei die intrinsische Induktivität die Induktivität des induktiven Elements selbst ist, d.h. die Induktivität ohne weitere Elemente in der Umgebung des induktiven Elements. Durch die Anwesenheit weiterer Elemente, insbesondere des elektrisch leitfähigen Targets, in der Umgebung des induktiven Elements kann die effektive oder tatsächlich gemessene Induktivität des Targets verändert werden, beispielsweise aufgrund von Wirbelströmen, die über das induktive Element in dem elektrisch leitfähigen Target induziert werden. Die Form des elektrisch leitfähigen Targets und des induktiven Elements sind so gewählt, dass die effektive Induktivität des induktiven Elements in der erfindungsgemäßen Vorrichtung abhängig von der Stellung des drehbaren Elements in Umfangsrichtung variiert, d.h. so dass eine Drehung des drehbaren Elements um die Drehachse die effektive Induktivität des induktiven Elements ändert.
Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung die Bestimmung der Stellung des drehbaren Elements durch eine Messung der effektiven Induktivität des induktiven Elements oder eines Maßes für die effektive Induktivität. Die effektive Induktivität oder das Maß dafür kann beispielsweise mittels einer im Voraus empirisch bestimmten und/oder anhand eines physikalischen Models berechneten Kalibrierungskurve, welche die effektive Induktivität oder das Maß für die effektive Induktivität mit einer Stellung des drehbaren Elements verknüpft, in die Stellung des drehbaren Elements umgerechnet werden. Das Maß für die effektive Induktivität kann beispielsweise die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises sein, der das induktive Element umfasst. Durch Anordnung des elektrisch leitfähigen Targets auf dem drehbaren Element selbst, so dass die Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets sich in Umfangsrichtung und parallel zur Drehachse erstreckt, wird der zusätzliche Platzbedarf für das elektrisch leitfähige Target auf ein Minimum reduziert. Dies ermöglicht es, die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in elektrischen Kleinmotoren mit kompakter Bauweise einzusetzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Halter die Form eines Zylindersegments auf, wobei die Achse des Zylindersegments parallel zur Drehachse des drehbaren Elements sein kann oder in einem Beispiel mit dieser zusammenfallen kann. In anderen Worten kann sich der Halter im Querschnitt senkrecht zur Drehachse entlang eines Kreisbogens erstrecken, wobei der Mittelpunktswinkel des Kreisbogens beispielsweise zwischen 45° und 360° betragen kann. In einigen Ausgestaltungen kann der Halter eine zylindrische Form (entsprechend einem Zylindersegment mit einem Mittelpunktswinkel von 360°) aufweisen und die Drehachse des drehbaren Elements vollständig umgeben. Das induktive Element kann auf einer Außenseite oder bevorzugt auf einer Innenseite des Zylindersegments bzw. Zylinders angeordnet sein. Die Innenfläche des Zylindersegments kann beispielsweise parallel zu einer Außenfläche des drehbaren Elements und/oder parallel zur Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets verlaufen. Sowohl das elektrisch leitfähige Target, als auch das induktive Element, können somit eine Oberfläche aufweisen, deren Normalenvektor jeweils in eine Richtung senkrecht zur Drehachse zeigt.
In einigen Ausgestaltungen kann der Halter an einer Leiterplatte befestigt sein, beispielsweise an einer Platine eines Elektromotors. Der Halter kann beispielsweise einstückig mit der Leiterplatte ausgebildet oder mit dieser verklebt sein. Bevorzugt weist der Halter eine Befestigungsvorrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, den Halter an der Leiterplatte abnehmbar zu befestigen. Die Befestigungsvorrichtung kann beispielsweise eine Rastnase oder einen Clipverbinder umfassen, die/der dazu eingerichtet ist, in ein entsprechendes Gegenstück auf der Leiterplatte einzurasten, um den Halter an der Leiterplatte zu befestigen. Alternativ oder zusätzlich kann die Befestigungsvorrichtung einen Klemmverbinder, eine Schraube und/oder ein entsprechendes Gewinde umfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das induktive Element einen flexiblen Leiter auf, der auf einem flexiblen Substrat angeordnet ist. Der flexible Leiter kann beispielsweise auf einer Oberfläche des flexiblen Substrats aufgebracht sein oder in dieses integriert sein. In einem Beispiel umfasst das flexible Substrat eine Papierfolie, Plastikfolie oder einen Plastikfilm, auf der/dem eine strukturierte Metallschicht als flexibler Leiter aufgebracht ist. In einigen Ausgestaltungen kann über der strukturierten Metallschicht eine weitere Schutz- oder Isolationsschicht aufgebracht sein, beispielsweise eine weitere Plastikfolie. Die Verwendung solcher flexibler Leiterplatten erleichtert das Aufbringen des induktiven Elements auf dem Halter, insbesondere auf einer gekrümmten Oberfläche des Halters. Zudem bietet die Strukturierung der Metallschicht eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Ausgestaltung des induktiven Elements. Desweiteren kann das induktive Element als frei tragendes Element ausgeführt sein, z.B. als Luftspule, einlagig oder mehrlagig in jeglicher beliebiger Form, direkt mit dem Aktuatorgehäuse verbunden oder durch zusätzlichen Befestigungselementen mechanisch verbunden.
Das induktive Element kann beispielsweise eine oder mehrere Spulen umfassen, die jeweils eine Anzahl von Windungen aufweisen. Die Anzahl der Windungen kann beispielsweise zwischen 1 und 1000 betragen. Die Spulen können in Reihe und/oder parallel geschaltet sein. In einigen Ausgestaltungen können die Windungen einer Spule in einer Ebene oder einer gekrümmten Fläche angeordnet sein, beispielsweise in Spiralform. Bevorzugt ist die Ebene parallel zur Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets.
In einigen Ausführungsformen ist das elektrisch leitfähige Target auf einem Außenumfang des drehbaren Elements angeordnet. Die Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets zeigt dabei bevorzugt in radialer Richtung nach außen, d.h. erstreckt sich auf der Außenseite des drehbaren Elements senkrecht zur radialen Richtung. Insbesondere kann das elektrisch leitfähige Target auf einem Außenumfang einer Hohlwelle angeordnet sein. Die Hohlwelle kann beispielsweise einstückig mit einem Zahnrad ausgebildet sein. Ferner ist es bevorzugt, dass das drehbare Element am Abtrieb eines Getriebes, insbesondere eines Untersetzungsgetriebes eines Elektromotors angeordnet ist. In manchen Ausgestaltungen umfasst das drehbare Element eine Hohlwelle, welche einstückig mit einem Abtriebszahnrad ausgebildet ist und an ihrem einen Ende oder an ihren beiden Enden Mittel zur Kopplung mit einem Stellglied umfasst.
In manchen Beispielen ist das elektrisch leitfähige Target eine Metallfolie, beispielsweise aus Aluminium, Kupfer, Bronze, Silber, Gold oder einer Aluminium-Legierung. Eine Dicke der Metallfolie kann beispielsweise zwischen 5 µm und 500 µm betragen. Die Metallfolie kann auf einer Oberfläche des drehbaren Elements aufgebracht sein, z.B. aufgeklebt sein. In einem Beispiel kann die Metallfolie auf eine Oberfläche des drehbaren Elements aufgedampft sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Form des elektrisch leitfähigen Targets und des induktiven Elements so gewählt, dass die Fläche eines Überlappungsbereichs zwischen dem induktiven Element und der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets senkrecht zur radialen Richtung von der Stellung des drehbaren Elements in Umfangsrichtung abhängt. In anderen Worten kann die Fläche der Projektion der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets in radialer Richtung auf die Querschnittsfläche des induktiven Elements senkrecht zur radialen Richtung abhängig von der Stellung des drehbaren Elements variieren. Für eine Spule als Beispiel eines induktiven Elements kann die Querschnittsfläche senkrecht zur radialen Richtung dabei beispielsweise die durch den Außenumfang der Spule eingeschlossene Fläche sein oder bevorzugt die effektive Querschnittsfläche der Spule, wobei jedes Flächenelement innerhalb der vom Außenumfang der Spule eingeschlossenen Fläche mit der Anzahl der das entsprechende Flächenelement umgebenden Windungen der Spule gewichtet ist. Die effektive Querschnittsfläche der Spule kann entsprechend durch eine Vergrößerung der Außenabmessungen und/oder durch eine Erhöhung der Wicklungsdichte oder der Lagenanzahl der Spule vergrößert werden. In einigen Ausführungsformen kann die Querschnittsfläche des elektrisch leitfähigen Targets und/oder die Querschnittsfläche des induktiven Elements entlang der Umfangsrichtung variieren. In einem Beispiel kann die zur Drehachse parallele Abmessung des elektrisch leitfähigen Targets und/oder des induktiven Elements entlang der Umfangsrichtung variieren.
In manchen Ausführungsformen kann die Vorrichtung ein kapazitives Element, z.B. einen Kondensator, umfassen. Das kapazitive Element kann mit dem induktiven Element einen elektrischen Schwingkreis bilden, d.h. parallel zu dem induktiven Element geschaltet sein. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises kann entsprechend von der effektiven Induktivität des induktiven Elements abhängen und somit als Messgröße zur Bestimmung der effektiven Induktivität herangezogen werden.
Die Vorrichtung kann zudem eine Positionserfassungseinheit umfassen, die dazu eingerichtet ist, ein Maß für die effektive Induktivität des induktiven Elements zu bestimmen. Die Positionserfassungseinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises zu ermitteln, der das induktive Element umfasst, um ein Maß für die effektive Induktivität zu bestimmen. In manchen Ausgestaltungen kann die Positionserfassungseinheit zudem dazu eingerichtet sein, weitere Schwingkreisparameter wie beispielsweise eine Resonanzbreite oder Dämpfung zu ermitteln und/oder die effektive Induktivität anhand der Resonanzfrequenz zu bestimmen.
In manchen Ausführungsformen kann die Positionserfassungseinheit dazu eingerichtet sein, das induktive Element als Sende- und/oder Empfangselement für das Abstrahlen oder Empfangen eines elektromagnetischen Signals zu verwenden. Die Positionserfassungseinheit kann dazu eingerichtet sein, mittels des induktiven Elements oder eines weiteren induktiven Elements das elektromagnetische Signal zu empfangen und eine Amplitude des empfangenen Signals als Maß für die effektive Induktivität des induktiven Elements zu bestimmen.
In einigen Ausführungsformen kann die Positionserfassungseinheit weiterhin dazu eingerichtet sein, die Stellung des drehbaren Elements und/oder eines mit dem drehbaren Element gekoppelten Stellglieds anhand der effektiven Induktivität, der Resonanzfrequenz und/oder der Resonanzbreite der Schwingkreisresonanz und/oder der Amplitude des empfangenen Signals zu bestimmen. Die Positionserfassungseinheit kann als Hardware und/oder Software implementiert sein und beispielsweise einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Speichermedium umfassen, wobei das Speichermedium maschinenlesbare Instruktionen enthält, die von dem Prozessor ausgeführt werden können, um die hierin beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Positionserfassungseinheit weitere digitale und/oder analoge Schaltungen umfassen.
In einigen Ausgestaltungen kann die Vorrichtung mehrere induktive Elemente umfassen, die jeweils auf dem Halter angeordnet sein können. Jedes der induktiven Elemente kann beispielsweise eine oder mehrere Spulen umfassen. Bevorzugt sind die induktiven Elemente rotationssymmetrisch um die Drehachse angeordnet und voneinander elektrisch isoliert. Die Vorrichtung kann zudem für jedes induktive Element ein kapazitives Element aufweisen, welches mit dem entsprechenden induktiven Element einen elektrischen Schwingkreis bildet. In einem Beispiel umfasst die Vorrichtung zwei induktive Elemente, die auf gegenüberliegenden Seiten der Drehachse angeordnet sind, z.B. um 180° in Umfangsrichtung versetzt. Die induktiven Elemente können die gleiche Form aufweisen. Dies ermöglicht beispielsweise differentielle Messungen der effektiven Induktivität, d.h. Messungen der Differenz zwischen den effektiven Induktivitäten der beiden Elemente. In einem anderen Beispiel umfasst die Vorrichtung vier induktive Elemente, die paarweise auf gegenüberliegenden Seiten der Drehachse angeordnet sind. Die vier induktiven Element können beispielsweise jeweils um 90° in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sein.
Es wird weiterhin ein Elektromotor vorgesehen, der eine Vorrichtung zur Positionserfassung wie oben beschrieben umfasst. Das drehbare Element ist dabei mit einem Rotor des Elektromotors mechanisch gekoppelt. Der Elektromotor kann ein elektrischer Kleinmotor wie beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor sein und kann mit einem Stellglied wie beispielweise einer Stellklappe oder einem Ventil gekoppelt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Halter für das induktive Element an einer Hauptplatine des Elektromotors befestigt. Der Halter kann dabei auch einteilig mit der Hauptplatine ausgebildet sein. Auf der Hauptplatine kann beispielsweise eine Steuereinheit angeordnet sein, die dazu eingerichtet ist, Antriebssignale für den Elektromotor bereitzustellen und/oder zu steuern. Insbesondere kann die Hauptplatine so ausgebildet und angeordnet sein, dass diese sich von einem Stator des Elektromotors bis zu dem drehbaren Element, beispielsweise bis zu einem Abtriebsrad oder einer Abtriebswelle erstreckt. Beispielsweise ist die Hauptplatine über einem Stator des Elektromotors liegend angeordnet und weist eine Durchgangsöffnung für ein Antriebswelle des Rotors auf. In manchen Ausgestaltungen ist wenigstens ein Zwischenrad eines Getriebes, insbesondere eines Untersetzungsgetriebes, auf einer dem Stator gegenüberliegenden Seite der Hauptplatine angeordnet. Ferner ist es in manchen Ausgestaltungen vorgesehen, dass das Abtriebsrad auf derselben Seite der Hauptplatine liegend, wie der Stator angeordnet ist. Somit kann ein besonders kompakter Stellantrieb realisiert werden.
In manchen Ausgestaltungen weist die Hauptplatine einen Arm auf, der sich von einem Hauptkörper der Hauptplatine in Richtung des drehbaren Elements erstreckt. Der Halter für das induktive Element kann an dem Arm befestigt sein, beispielsweise an einem freistehenden Ende des Arms. Die Hauptplatine und/oder der Arm können an einem Gehäuse des Elektromotors befestigt sein. Die Hauptplatine und/oder der Arm können beispielsweise mittels einer geeigneten Haltevorrichtung an dem Gehäuse befestigt sein und/oder in Kontakt mit einer Auflage- oder Stützfläche sein, z.B. einer Stützrippe des Gehäuses. In anderen Ausführungsformen kann der Halter für das induktive Element direkt an dem Gehäuse befestigt sein oder Teil des Gehäuses sein, d.h. beispielsweise einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet sein.
In einigen Ausgestaltungen ist das drehbare Element eine Welle, die mit einem Abtriebsrad des Elektromotors verbunden ist. In einem Beispiel ist die Welle ein Schaft, der einstückig mit dem Abtriebsrad ausgebildet ist und sich entlang der Drehachse des Abtriebsrads erstreckt. Die Welle kann beispielsweise eine zylindrische Form aufweisen und auf einer Seite des Abtriebsrads angeordnet sein, die einer mit dem Abtriebsrad verbundenen Abtriebswelle gegenüber liegt. Beispielsweise ist die Welle als Hohlwelle ausgebildet und ist an wenigstens einem axialen Ende zur Kopplung mit einem Stellglied ausgebildet. Die Hohlwelle kann beispielsweise an einem oder an beiden axialen Enden an an einem Gehäuse des Elektromotors ausgeformten Vorsprüngen gelagert sein.
Bevorzugt weist der Elektromotor eine Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, die Stellung des drehbaren Elements anhand eines Maßes für die effektive Induktivität des induktiven Elements zu bestimmen. Die Steuereinheit kann mit der Positionserfassungseinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden sein oder in einigen Ausgestaltungen die Positionserfassungseinheit umfassen. Die Steuereinheit kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, das im Folgenden beschriebene erfindungsgemäße Verfahren ganz oder teilweise auszuführen.
Es wird außerdem ein Verfahren zur Bestimmung einer Stellung eines drehbaren Elements in einem Elektromotor mittels einer wie oben beschriebenen Vorrichtung zur Positionserfassung vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Bestimmen eines Maßes für die effektive Induktivität des induktiven Elements sowie das Bestimmen der Stellung des drehbaren Elements anhand des Maßes für die effektive Induktivität.
Das Verfahren kann beispielsweise ganz oder in Teilen durch die Positionserfassungseinheit der erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtung und/oder durch die Steuereinheit des erfindungsgemäßen Elektromotors ausgeführt werden. Das Maß für die effektive Induktivität kann beispielsweise die effektive Induktivität selbst sein oder eine von der effektiven Induktivität abhängige Größe, beispielsweise die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises, der das induktive Element umfasst, die Impedanz eines Stromkreises, der das induktive Element umfasst, und/oder die Amplitude eines von dem induktiven Element abgestrahlten oder empfangenen elektromagnetischen Signals. Die Stellung des drehbaren Elements kann beispielsweise mittels einer Kalibrierungskurve bestimmt werden, die die Stellung des drehbaren Elements mit dem Maß für die effektive Induktivität verknüpft.
In manchen Ausgestaltungen umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Vielzahl von induktiven Elementen. Das Verfahren kann entsprechend das Bestimmen eines Maßes für die effektive Induktivität jedes einzelnen induktiven Elements umfassen und/oder das Bestimmen eines Maßes für eine differentielle effektive Induktivität zwischen zwei induktiven Elementen, d.h. das Bestimmen eines Maßes für die Differenz der effektiven Induktivitäten der entsprechenden Elemente. Entsprechend kann die Stellung des drehbaren Elements anhand des Maßes für die differentielle effektive Induktivität bestimmt werden.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen in schematischer Darstellung:

1a: eine Vorrichtung zur Positionserfassung in einem Elektromotor gemäß einem Beispiel im Querschnitt;
1b: die Vorrichtung aus 1a in Draufsicht;
2a: eine Target-Vorrichtung mit einem Target mit linear ansteigender Breite gemäß einem Beispiel;
2b: eine Target-Vorrichtung mit einem Target mit rautenförmiger Querschnittsfläche gemäß einem Beispiel;
2c: eine Target-Vorrichtung mit einem Target mit nicht-linear ansteigender Breite gemäß einem Beispiel;
3a: eine Detektionsvorrichtung mit einer Spule gemäß einem Beispiel;
3b: eine Detektionsvorrichtung mit vier Spulen gemäß einem Beispiel;
4a: eine Vorrichtung zur Positionserfassung in einem Elektromotor mit vier induktiven Elementen gemäß einem Beispiel im Querschnitt;
4b: die Vorrichtung aus 4a in Draufsicht;
5a: eine Detektionsvorrichtung mit einem Spulenelemente mit variierender Querschnittsfläche der Wicklungen gemäß einem Beispiel;
5b: eine Target-Vorrichtung mit einem streifenförmigen Target gemäß einem Beispiel;
5c: eine Target-Vorrichtung mit einer Vielzahl streifenförmiger Targets gemäß einem Beispiel;
6: einen Elektromotor mit einer Vorrichtung zur Positionserfassung gemäß einem Beispiel in Draufsicht; und
7: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer Stellung eines drehbaren Elements in einem Elektromotor gemäß einem Beispiel.

BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1a und 1b zeigen eine Vorrichtung 100 zur Positionserfassung in einem Elektromotor gemäß einem Beispiel. Die Vorrichtung ist in 1a im Querschnitt abgebildet und in 1b in Draufsicht. Die Vorrichtung 100 ist dazu eingerichtet, in einen Elektromotor wie beispielsweise den Elektromotor 600 aus 6 eingebaut zu werden, oder kann Teil eines solchen Elektromotors sein.
In dem Beispiel der 1a, 1b umfasst die Vorrichtung 100 ein Zahnrad 102 zur Verwendung in einem Elektromotor (nicht dargestellt). Das Zahnrad 102 kann beispielsweise mit einem Rotor des Elektromotors mechanisch gekoppelt werden, z.B. über einen Zahnkranz 104, und insbesondere als Abtriebsrad des Elektromotors eingesetzt werden, beispielsweise wie unten in Bezug auf 4 und 6 beschrieben. Das Zahnrad 100 ist dazu eingerichtet, sich um eine Drehachse 106 zu drehen. Im Beispiel der 1a ist die Drehachse 106 parallel zur z-Achse. In den hier beschriebenen Beispielen werden Richtungsangaben und Koordinaten entsprechend in Zylinderkoordinaten (z, r, φ) angegeben, wobei die zur Drehachse 106 senkrechte radiale Richtung mit „r“ bezeichnet wird und die azimutale oder Umfangsrichtung um die Drehachse mit „φ“ bezeichnet wird.
Das Zahnrad 100 ist mit einer Welle 108 verbunden, die sich entlang der Drehachse 106 erstreckt. Die Welle 108 kann mechanisch mit dem Zahnrad 100 gekoppelt sein und beispielsweise an dem Zahnrad 100 befestigt sein oder kann einstückig mit diesem ausgebildet sein. Die Welle 108 ist so mit dem Zahnrad verbunden, dass die Drehachse 106 des Zahnrads 100 mit der Drehachse der Welle 108 zusammenfällt. Die Welle 108 ist ein Beispiel für ein drehbares Element im Sinne dieser Offenbarung und kann daher im Folgenden auch als drehbares Element 108 bezeichnet werden. In anderen Beispielen kann auch das Zahnrad 100 oder ein Teil davon ein drehbares Element im Sinne dieser Offenbarung sein.
Auf der Welle 108 ist ein elektrisch leitfähiges Target 110 angeordnet. Das elektrisch leitfähige Target 110 kann beispielsweise eine Metallfolie sein, z.B. eine Aluminum- oder Kuperfolie, die auf einen Außenumfang der Welle 108 aufgeklebt oder aufgedampft ist. Die Metallfolie kann zum Beispiel ein Dicke zwischen 5 µm und 500 µm aufweisen. Das elektrisch leitfähige Target 110 erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Drehachse 106. In dem Beispiel der 1b erstreckt sich das elektrisch leitfähige Target 110 vollständig um die Drehachse 106. In anderen Beispielen kann sich das elektrisch leitfähige Target 110 nur teilweise um die Drehachse 106 erstrecken. Eine freiliegende Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets 110 zeigt radial nach außen und verläuft parallel zur Drehachse 106. Die Form des elektrisch leitfähigen Targets 110 in Richtung der Drehachse und in Umfangsrichtung kann beispielsweise ähnlich einem der in 2a, 2b, 2c, 5b oder 5c gezeigten elektrisch leitfähigen Targets sein.
Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin ein induktives Element 112, das auf einem Halter 114 angeordnet ist. Das induktive Element 112 kann beispielsweise eine oder mehrere Spulen umfassen und wie eines der in 3a, 3b und 5a gezeigten induktiven Elemente ausgestaltet sein. Das induktive Element 112 kann insbesondere einen auf einem flexiblen Substrat angeordneten flexiblen Leiter umfassen.
Der Halter 114 weist die Form eines Zylindersegments auf, das sich in der Draufsicht der 1b entlang eines Kreisbogens um die Drehachse 106 erstreckt, wobei der Mittelpunktswinkel des Kreisbogens beispielsweise zwischen 45° und 180° betragen kann. Die Innenfläche des Halters 114 liegt entsprechend der Außenfläche der Welle 108 gegenüber und verläuft parallel zu dieser. Das induktive Element 112 ist auf der Innenseite des Halters 114 angeordnet, so dass das induktive Element 112 der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets 110 gegenüber liegt. Das induktive Element 112 kann beispielsweise mit der Innenfläche des Halters 114 verklebt sein. Der Abstand zwischen der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets 110 und dem induktiven Element 112 kann zum Beispiel zwischen 0,2 mm und 4 mm betragen. Der Halter 114 kann beispielsweise aus Plastik geformt sein, z.B. aus einem thermoplastischen Kunststoff wie Polyethylen (PE), Polyamid (PA) oder Polyvinylchlorid (PVC). In manchen Ausgestaltungen kann auch ein metallisches Zahnrad vorgesehen sein, beispielsweise aus Messing.
Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Leiterplatte 116, an der der Halter 114 befestigt ist. In manchen Ausgestaltungen kann der Halter 114 einstückig mit der Leiterplatte 116 ausgebildet sein. In anderen Beispielen kann der Halter 114 eine Befestigungsvorrichtung aufweisen wie unten für die Vorrichtung 400 aus 4a, 4b beschrieben und/oder kann an einem anderen Element, beispielsweise einem Gehäuse eines Elektromotors. Befestigt sein oder einstückig mit diesem ausgebildet sein.
Auf der Leiterplatte 116 befindet sich ein kapazitives Element 118 in Form eines Kondensators sowie eine Positionserfassungseinheit 120. Der Kondensator 118 ist jeweils parallel zu dem induktiven Element 112 geschaltet und bildet folglich einen elektrischen Schwingkreis mit dem induktiven Element 112. Die Positionserfassungseinheit 120 ist ein integrierter Schaltkreis oder Mikrocontroller mit zwei oder mehreren Eingängen, die an gegenüberliegende Seiten des Schwingkreises angeschlossen sind. Die Positionserfassungseinheit 120 ist dazu eingerichtet, die Resonanzfrequenz des Schwingkreises als ein Maß für die effektive Induktivität des induktiven Elements 112 zu bestimmen, beispielsweise durch Induzieren einer erzwungen Schwingung mit variabler Frequenz in dem Schwingkreis. Hierzu kann die Positionserfassungseinheit 120 beispielsweise einen Wechselstrom mit variabler Frequenz zwischen den beiden Ausgängen treiben oder eine Wechselspannung mit variabler Frequenz zwischen den beiden Ausgängen anlegen und die über den Schwingkreis abfallende Spannung, den durch den Schwingkreis fließenden Strom, die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, die von dem Schwingkreis reflektierte Leistung und/oder die Verlustleistung des Schwingkreises messen. In einigen Ausgestaltungen kann die Positionserfassungseinheit 120 alternativ oder zusätzlich dazu eingerichtet sein, die Impedanz des Schwingkreises als Maß für die effektive Induktivität zu bestimmen.
In einer anderen Ausgestaltung kann das induktive Element 112 als eine Sende- oder Empfangsspule für ein elektromagnetisches Signal verwendet werden, um ein Maß für die effektive Induktivität des induktiven Elements 112 zu ermitteln. Beispielsweise kann die Positionserfassungseinheit 120 dazu eingerichtet sein, eine Wechselspannung an das induktive Element 112 und/oder den das induktive Element 112 umfassenden Schwingkreis anzulegen, um über das induktive Element 112 elektromagnetische Wellen auszusenden. Die Positionserfassungseinheit 120 kann weiterhin dazu eingerichtet sein, mit einem weiteren induktiven Element (nicht dargestellt), das beispielsweise überlappend mit oder benachbart zu dem induktiven Element 112 auf dem Halter 114 angeordnet sein kann, das von dem induktiven Element 112 ausgesandten Signal zu empfangen und eine Amplitude des Signals zu bestimmen. Die Amplitude des ausgesendeten und/oder empfangenen Signals kann von der effektiven Induktivität der Sende- und/oder Empfangsspule und damit der Stellung des drehbaren Elements 108 abhängen.
Die 2a, 2b und 2c zeigen beispielhafte Ausführungsformen von Target-Vorrichtungen 200, 210 bzw. 220, wie sie etwa auf der Welle 108 der Vorrichtung 100 angeordnet sein können. Jede der Target-Vorrichtung 200, 210, 220 umfasst ein elektrisch leitfähiges Target 110 sowie optional ein Trägersubstrat 202, auf dem das elektrisch leitfähige Target 110 angeordnet ist. Das elektrisch leitfähige Target 110 kann insbesondere eine Metallfolie sein, wobei die Metallfolie sich beispielsweise über eine Fläche zwischen 0,1 cm² und 20 cm² erstrecken kann. Das elektrisch leitfähige Target 110 kann sich in Umfangsrichtung (φ) ganz oder teilweise um die Welle 108 erstrecken, d.h. die Länge des Targets 110 in Umfangsrichtung kann kleiner oder gleich dem Außenumfang der Welle 108 sein. Das Trägersubstrat 202 kann beispielsweise eine Plastikfolie oder ein Plastikfilm sein und kann beispielsweise dazu dienen, das elektrisch leitfähige Target 110 zu schützen und/oder ein Ausrichten und Aufbringen des elektrisch leitfähigen Targets 110 auf der Welle 108 zu erleichtern. In anderen Ausgestaltungen kann das elektrisch leitfähige Target 110 direkt auf der Welle 108 aufgebracht sein.
Das elektrisch leitfähige Target 110 der Target-Vorrichtung 200 in 2a weist eine dreieckige Querschnittsfläche auf, wobei eine Breite des elektrisch leitfähigen Targets 110 entlang der Drehachse 106 bzw. in z-Richtung linear mit der Position entlang der Umfangsrichtung ansteigt. Entsprechend kann die Fläche eines Überlappungsbereichs mit einem induktiven Element wie beispielsweise der Spule 112 aus 3a von der Stellung des drehbaren Elements 108 in Umfangsrichtung abhängen und somit die effektive Induktivität des induktiven Elements abhängig von der Stellung des drehbare Elements 108 in Umfangsrichtung variieren.
Das elektrisch leitfähige Target 110 der Target-Vorrichtung 210 in 2b weist eine rautenförmige Querschnittsfläche auf, bei der die Breite des elektrisch leitfähigen Targets 110 entlang der Drehachse 106 bzw. in z-Richtung mit der Position entlang der Umfangsrichtung zunächst linear ansteigt und dann wieder linear abfällt. Eine solche Targetform ermöglicht beispielsweise eine absolute Positionsbestimmung durch paarweise differentielle Messung der effektiven Induktivität von vier induktiven Elementen wie in 3b und 4b gezeigt.
Das elektrisch leitfähige Target 110 der Target-Vorrichtung 220 in 2b weist eine Breite entlang der Drehachse 106 bzw. in z-Richtung auf, die nicht-linear mit der Position entlang der Umfangsrichtung variiert. Mittels einer solchen Form kann beispielsweise die Sensitivität der Positionserfassung für bestimmte Stellungen des drehbaren Elements 108 erhöht werden, indem die Änderung der Breite des elektrisch leitfähigen Targets 110 in den entsprechenden Bereichen vergrößert wird.
Die 3a und 3b zeigen zwei beispielhafte Ausführungsformen von Detektionsvorrichtungen 300 bzw. 310, wie sie etwa auf dem Halter 114 angeordnet sein können. Jede der Detektionsvorrichtung 300, 310 umfasst ein flexibles Substrat 302, auf dem ein flexibler Leiter 304 angeordnet ist. Das flexible Substrat 302 kann beispielsweise eine Plastikfolie oder ein Plastikfilm sein, z.B. eine Polyimidfolie. In manchen Ausgestaltungen umfasst das flexible Substrat eine Papierfolie, die beispielsweise mit Luftspulen beklebt ist. Der flexible Leiter 304 kann beispielsweise aus einer Metallschicht, z.B. einer Kupferschicht, bestehen, die auf dem flexiblem Substrat 302 aufgebracht und z.B. mittels photolithographischer Techniken geeignet strukturiert wurde, um den flexiblen Leiter 304 auszubilden. Über dem flexiblen Leiter 304 kann sich zudem eine Schutz- oder Isolationsschicht (nicht dargestellt) befinden, z.B. eine weitere Plastikfolie. Der flexible Leiter 304 kann an seinen beiden Enden zudem Anschlusspads aufweisen, die gegebenenfalls durch Öffnungen in dem flexiblen Substrat 302 oder der Schutz- oder Isolationsschicht freigelegt sein können.
In 3a bildet der flexible Leiter 304 eine spiralförmige Spule 112 als ein beispielhaftes induktives Element. Der Außenumfang der Spule 112 kann beispielsweise kreisförmig sein wie in 3a gezeigt oder eine andere Form aufweisen, z.B. rechteckig. Die Zahl der Windungen der Spule 112 kann zum Beispiel zwischen 1 und 100 liegen, bevorzugt zwischen 3 und 20. Die intrinsische Induktivität der Spule 112 kann beispielsweise zwischen 1 µH und 1 mH betragen. Der Durchmesser der Spule 112 kann beispielsweise so gewählt sein, dass die auf einem wie in 1b gezeigten Halter 114 entlang eines Kreisbogens angeordnete Spule 112 einen Mittelpunktswinkel zwischen 100 und 90° um die Drehachse 106 einschließt.
Im Beispiel der 3b bildet der flexible Leiter 304 vier spiralförmige Spulen 112-A, 112-B, 112-C, 112-D. Bevorzugt sind die Spulen 112-A bis 112-D voneinander isoliert und bilden entsprechend voneinander unabhängige induktive Elemente, die beispielsweise wie in 4b gezeigt um die Drehachse 106 angeordnet sein können. In anderen Ausgestaltung können zwei oder mehr der Spulen 112-A bis 112-D in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sein und somit ein kombiniertes induktives Element bilden. In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Spulen 112-A bis 112-D die gleiche Form und/oder die gleiche intrinsische Induktivität auf.
4a und 4b zeigen eine Vorrichtung 400 zur Positionserfassung in einem Elektromotor gemäß einem Beispiel. Die Vorrichtung ist in 4a im Querschnitt abgebildet und in 4b in Draufsicht. Die Vorrichtung 400 ist dazu eingerichtet, in einen Elektromotor wie beispielsweise den Elektromotor 600 aus 6 eingebaut zu werden, oder kann Teil eines solchen Elektromotors sein.
Ähnlich der Vorrichtung 100 aus 1a, 1b umfasst die Vorrichtung 400 ein Zahnrad 102 zur Verwendung in einem Elektromotor (nicht dargestellt). Das Zahnrad 102 kann beispielsweise als Abtriebsrad des Elektromotors eingesetzt werden und hierzu neben der Welle 108 eine Abtriebswelle 402 aufweisen, die dazu eingerichtet ist, zum Beispiel mit einem Stellglied (nicht dargestellt) mechanisch gekoppelt zu werden. Hierfür kann die Abtriebswelle 402 beispielsweise an ihrem Innen- und/oder Außenumfang ein geeignetes Mitnahmeprofil, z.B. ein Innen- oder Außensechskantprofil, aufweisen. Die Abtriebswelle 402 kann einstückig mit dem Zahnrad 102 ausgebildet sein und beispielsweise auf einer der Welle 108 gegenüberliegenden Stirnseite des Zahnrads 102 angeordnet sein. In anderen Ausgestaltungen kann das Zahnrad 102 die Abtriebswelle 402 nicht aufweisen und stattdessen die Welle 108 als Abtriebswelle ausgebildet sein.
Auf der Welle 108 ist wie bei der Vorrichtung 100 ein elektrisch leitfähiges Target 110 angeordnet, das beispielsweise ähnlich einem der in 2a, 2b, 2c, 5b oder 5c gezeigten elektrisch leitfähigen Targets sein. Die Vorrichtung 400 umfasst weiterhin einen zylinderförmigen Halter 114, der die Welle 108 und somit auch die Drehachse des Zahnrads 102 und der Welle 108 in Umfangsrichtung vollständig umgibt. Auf einer Innenseite des Halters 114 ist dem leitfähigen Target 110 gegenüberliegend eine Detektionsvorrichtung mit einer Vielzahl induktiver Elemente angeordnet, beispielsweise vier induktiven Elementen 112-A, 112-B, 112-C, 112-D wie bei der Detektionsvorrichtung 310 aus 3b. Die induktiven Elemente 112-A bis 112-D sind symmetrisch um die Drehachse 106 herum angeordnet, so dass sich die induktiven Elemente 112-A bis 112-D paarweise gegenüberliegen.
Der Halter 114 umfasst zudem eine Befestigungsvorrichtung 404, die dazu eingerichtet ist, den Halter 114 an einer Leiterplatte 116 zu befestigten. Die Befestigungsvorrichtung 404 kann beispielsweise zwei Befestigungselemente aufweisen, die jeweils dazu eingerichtet sind, den Halter 114 an einem Randbereich der Leiterplatte 116 abnehmbar zu befestigen, z.B. mittels einer Klemm-, Clip- und/oder Schraubverbindung. In manchen Ausgestaltungen kann jedes der Befestigungselemente wie in 4a gezeigt einen unteren und einen oberen Teil aufweisen, die dazu eingerichtet sind, den Randbereich der Leiterplatte 116 dazwischen aufzunehmen und den Halter 114 von oben und unten auf der Leiterplatte 116 abzustützen.
Die Vorrichtung 400 umfasst weiterhin eine Vielzahl von kapazitiven Elementen 118 sowie eine Positionserfassungseinheit 120. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung 400 ein kapazitives Element 118 für jedes der induktiven Elemente 112-A bis 112-D, wobei zugehörige kapazitive und induktive Elemente jeweils einen elektrischen Schwingkreis bilden. Die Steuereinheit 120 kann dazu eingerichtet sein, die Resonanzfrequenz jedes der Schwingkreise als Maß für die effektive Induktivität des entsprechenden induktiven Elements zu bestimmen.
In einem Beispiel ist die Steuereinheit 120 dazu eingerichtet, die Resonanzfrequenzen und/oder effektiven Induktivitäten paarweise differentiell zu bestimmen, d.h. beispielsweise die Differenz der Resonanzfrequenzen der Schwingkreise, die die gegenüberliegenden induktiven Elemente 112-A bzw. 112C enthalten, sowie die Differenz der Resonanzfrequenzen der Schwingkreise, die die gegenüberliegenden induktiven Elemente 112-B bzw. 112-D enthalten. Damit kann der Einfluss äußerer Störungen verringert werden, welche die effektive Induktivität der induktiven Element 112-A bis 112-D und/oder die gemessenen Resonanzfrequenzen verändern können. Zudem kann bei Verwendung eines geeigneten elektrisch leitfähigen Targets die absolute Position des drehbaren Elements 108 in jeder Stellung eindeutig bestimmt werden. Für ein rautenförmiges Target oder augenförmiges Target, wie die elektrisch leitfähigen Targets 110 der Target-Vorrichtungen 210 und 220 aus den 2b und 2c, und eine Spulenanordnung wie in 3b und 4b gezeigt, können die entsprechenden Differenzen der Resonanzfrequenzen beispielsweise einen näherungsweise sinus-förmigen Verlauf als Funktion des Drehwinkels des drehbaren Element 108 aufweisen, wobei die beiden Kurven um 90° zueinander versetzt sind, so dass die Kombination beider Differenzen eindeutig mit einer bestimmten Stellung des drehbaren Elements 108 verknüpft ist.
5a zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Detektionsvorrichtung 500, wie sie etwa auf dem Halter 114 der Vorrichtung 400 aufgebracht sein kann. Ähnlich den Detektionsvorrichtungen 300, 310 umfasst die Detektionsvorrichtung 500 ein flexibles Substrat 302, auf dem ein flexibler Leiter 304 angeordnet ist. Der flexible Leiter 304 bildet eine Spule 112 mit einer Vielzahl von Windungen 112-1, ..., 112-n. Die Abmessungen der Windungen 112-1 bis 112-n sind so gewählt, dass die Wicklungsdichte der Spule 112 und damit ihre (effektive) Querschnittsfläche entlang der Umfangsrichtung variiert. Im Beispiel der 5a nimmt die Ausdehnung der Windungen entlang der Umfangsrichtung beispielsweise von der Windung 112-1 zu der Windung 112-n kontinuierlich ab und die Mittelpunkte der Windungen sind zueinander entlang der Umfangsrichtung (φ) versetzt. Die Wicklungsdichte der Spule 112 und damit ihre (effektive) Querschnittsfläche nimmt entlang der Umfangsrichtung kontinuierlich zu.
In einem Beispiel sind mehrere Spulenelemente in Reihe zu einem induktiven Element zusammengeschaltet. Alternativ können jedes der Spulenelemente oder Gruppen von Spulenelementen separate induktive Elemente bilden.
Durch die variierende Querschnittsfläche einer Spulenanordnung wie in 5a gezeigt variiert die effektive Induktivität des durch die Windungen 112-1 bis 112-n gebildeten induktiven Elements abhängig von der Stellung des drehbaren Elements 108 in Umfangsrichtung auch dann, wenn ein elektrisch leitfähiges Target mit konstanter Breite verwendet wird, beispielsweise ein streifenförmiges Target 110 wie in der in 5b dargestellten Target-Vorrichtung 510. Das elektrisch leitfähige Target 110 kann beispielsweise eine rechteckige Form aufweisen, wobei eine Länge des elektrisch leitfähigen Targets 110 in Umfangsrichtung beispielsweise so gewählt sein kann, dass die Länge zwischen 2.5% und 10% des Außenumfangs der Welle 108 beträgt.
In einer anderen Ausgestaltung kann das elektrisch leitfähige Target eine Vielzahl von Targets umfassen, beispielsweise wie bei der in 5c gezeigten Target-Vorrichtung 520. Jedes der Targets 110-1, 110-2, ..., 110-n kann zum Beispiel eine rechteckige Streifenform aufweisen, wobei die Targets 110-1 bis 110-n in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen entlang der Umfangsrichtung angeordnet sein können, beispielsweise so dass sich die Gesamtheit der Targets 110-1 bis 110-n vollständig um die Drehachse 106 erstreckt. Die Länge jedes der elektrisch leitfähigen Targets 110-1 bis 110-n in Umfangsrichtung kann so gewählt sein, dass die Länge z.B. zwischen 1% und 5% des Außenumfangs der Welle 108 beträgt. Die Target-Vorrichtung der 5c kann insbesondere als Inkrementalgeber verwendet werden und eine nicht dargestellte Referenzmarke oder Referenzstruktur umfassen. Bevorzugt wird die Target-Vorrichtung 520 zusammen mit einem oder mehreren induktiven Elementen mit vergleichbaren Abmessungen verwendet, beispielsweise mit einer wie in 3a gezeigten Spule 112, die sich über eine Länge zwischen 1% und 5% des Innenumfangs des Halters 114 erstreckt. Die effektive Induktivität der Spule 112 kann entsprechend periodisch mit der Stellung des drehbaren Elements 108 variieren und somit als ein Schrittzähler bzw. Schrittkodierer zur Bestimmung der Stellung des drehbaren Elements 108 verwendet werden.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektromotors 600 mit einer Vorrichtung zur Positionserfassung in Draufsicht. Die Vorrichtung zur Positionserfassung entspricht im Beispiel der 6 der Vorrichtung 100 aus 1a, ib. In anderen Beispielen kann der Elektromotor auch eine andere Vorrichtung zur Positionserfassung aufweisen, beispielsweise die Vorrichtung 400 aus 4a, 4b.
Der Elektromotor 600 umfasst eine Motoreinheit 602 mit einem drehbar gelagerten Rotor 604 und einem Stator 606. Die Motoreinheit 602 kann beispielsweise als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet sein, wobei der Rotor 604 einen oder mehrere Permanentmagnete aufweist und der Stator 606 mehrere um den Rotor 604 herum angeordnete Phasenwicklungen 608. In anderen Ausgestaltungen können andere Elektromotor-Bauformen verwendet werden. Der Elektromotor 600 umfasst weiterhin ein Getriebe 610, über welches der Rotor 604 mit einem Abtriebsrad 612 mechanisch gekoppelt ist, so dass eine Drehbewegung des Rotors 604 in eine Drehbewegung des Abtriebsrads 612 übersetzt wird.
Das Abtriebsrad 612 kann beispielsweise ähnlich dem in 1a, 1b oder in 4a, 4b gezeigten Zahnrad 102 sein. Das Abtriebsrad 612 umfasst eine Welle 108, auf deren Außenumfang ein elektrisch leitfähiges Target 110 angeordnet ist. Die Welle 108 kann als eine Abtriebswelle ausgebildet sein, um ein Stellglied (nicht dargestellt) mit dem Elektromotor 600 mechanisch zu koppeln. Insbesondere kann die Welle 108 als Hohlwelle oder Steckwelle ausgebildet sein. In anderen Ausführungsformen kann das Abtriebsrad 612 auch eine von der Welle 108 getrennte Abtriebswelle aufweisen, z.B. wie in 4a dargestellt. Die Welle 108 kann in einigen Ausgestaltungen in Kontakt mit einem oder mehreren Führungselementen sein, beispielsweise einer Führungsrippe oder Führungsschiene, die an einem Gehäuse 618 und/oder Deckel des Elektromotors 600 befestigt ist.
Dem leitfähigen Target 110 gegenüber ist ein induktives Element 112 auf einem Halter 114 angeordnet, der an einer Leiterplatte 116 befestigt ist, auf der sich eine Positionserfassungseinheit 120 befindet. Die Positionserfassungseinheit 120 ist dazu eingerichtet, ein Maß für die effektive Induktivität des induktiven Elements 112 zu ermitteln. In manchen Ausgestaltungen ist die Positionserfassungseinheit 120 in der Steuereinheit, beispielsweise einem Mikrocontroller zur Motorsteuerung, integriert. In dem in 6 gezeigten Beispiel ist die Leiterplatte 116 Teil einer Hauptplatine 614 des Elektromotors 600, auf der sich auch eine Steuereinheit 616 für den Elektromotor 600 befindet. Die Steuereinheit 616 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, geeignete Antriebssignale für die Motoreinheit 602 bereitzustellen und Steuersignale wie beispielsweise eine Solldrehzahl oder ein Start-/Stoppsignal von außerhalb des Elektromotors 600 zu empfangen. Die Steuereinheit 616 kann weiterhin dazu eingerichtet sein, von der Positionserfassungseinheit 120 das Maß für die effektive Induktivität des induktiven Elements 112 zu empfangen und anhand dieses Maßes für die effektive Induktivität eine Stellung der drehbaren Welle 108, des Abtriebsrads 612 und/oder eines mit dem Abtriebsrad 612 gekoppelten Stellglieds zu bestimmen, z.B. wie unten in Bezug auf 7 beschrieben. In manchen Ausführungsformen kann die Steuereinheit 616 die Positionserfassungseinheit 120 ganz oder teilweise umfassen.
Die Hauptplatine 614 hat einen Hauptkörper 614A, auf dem beispielsweise die Steuereinheit 616 angeordnet sein kann. Zudem weist die Hauptplatine 614 einen Arm 614B auf, der sich von dem Hauptkörper 614A in Richtung des Abtriebsrads 612 und der Welle 108 erstreckt. Bevorzugt ist der Arm 614B einstückig mit dem Hauptkörper 614A ausgebildet. Der Halter 114 ist dabei an einem freistehenden Ende des Arms 614B befestigt, z.B. wie oben in Bezug auf 4 beschrieben. Die Positionserfassungseinheit 120 und/oder ein kapazitives Element können auf dem Arm 614B angeordnet sein.
Die Hauptplatine 614 ist über einen oder mehrere Platinenhalter 620 an dem Gehäuse 618 des Elektromotors 600 befestigt. Bevorzugt wird auch der Arm 614B durch mindestens einen der Platinenhalter 620 gehalten, um eine Bewegung des Arms 614B und insbesondere Vibrationen zu unterdrücken. Ein Platinenhalter 620 kann beispielsweise eine Auflagefläche umfassen, auf der der Arm 614B oder der Hauptkörper 614A der Hauptplatine 614 aufliegt, beispielsweise eine Stützrippe oder Stützfläche an einer Seitenwand des Gehäuses 618. Alternativ oder zusätzlich kann der Platinenhalter 620 ein Befestigungsmittel wie eine Clip-, Klemm-, Schraub- und/oder Klebeverbindung umfassen, um den Arm 614B oder den Hauptkörper 614A an dem Gehäuse zu befestigen. In manchen Ausgestaltungen kann alternativ oder zusätzlich auch der Halter 114 selbst an dem Gehäuse 618 befestigt sein oder einstückig mit diesem ausgebildet sein.
7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 700 zur Bestimmung der Stellung eines drehbaren Elements in einem Elektromotor. Das Verfahren 700 wird mittels einer erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtung ausgeführt, z.B. mittels der Vorrichtung 100 oder 400. Das Verfahren 700 wird im Folgenden beispielhaft anhand des Abtriebsrads 612 bzw. der Welle 108 und der Vorrichtung 100 in dem Elektromotor 600 als Beispiele für ein drehbares Element bzw. eine Positionserfassungsvorrichtung beschrieben. Das Verfahren 700 kann zum Beispiel ganz oder teilweise von der Positionserfassungseinheit 120 und/oder der Steuereinheit 616 ausgeführt werden.
Das Verfahren 700 umfasst das Bestimmen eines Maßes für die effektive Induktivität des induktiven Elements 112. Hierzu kann beispielsweise in Block 702 die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises aus dem induktiven Element 112 und dem kapazitiven Element 118 bestimmt werden. In einem idealen Parallelschwingkreis beträgt die Resonanzfrequenz beispielsweise $f_{0} = \frac{1}{2 π \sqrt{L C}}$
wobei L die effektive Induktivität des induktiven Elements 112 und C die Kapazität des kapazitiven Elements 118 ist. In einem realen Schwingkreis kann die Resonanzfrequenz aufgrund endlicher Widerstände des induktiven Elements 112 und der Zuleitungen von diesem Wert abweichen.
Um die Resonanzfrequenz zu bestimmen, kann die Positionserfassungseinheit 120 beispielsweise einen Wechselstrom oder eine Wechselspannung mit variabler Frequenz an den Schwingkreis anlegen und die an dem Schwingkreis abfallenden Spannung bzw. den durch den Schwingkreis fließenden Strom, eine Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung, die vom Schwingkreis reflektierte Leistung und/oder die Verlustleistung im Schwingkreis als Funktion der variablen Frequenz messen.
In manchen Ausführungsformen wird die Resonanzfrequenz ohne weitere Umrechnung als Maß für die effektive Induktivität herangezogen. In anderen Ausgestaltungen kann das Verfahren 700 zudem in Block 704 das Bestimmen der effektiven Induktivität anhand der Resonanzfrequenz umfassen, z.B. mittels der oben angegebenen Formel, mittels einer entsprechenden Formel für einen realen Schwingkreis und/oder mittels einer im Voraus bestimmten Kalibrierungskurve, die die Resonanzfrequenz mit der effektiven Induktivität verknüpft.
In Block 706 wird anschließend anhand des Maßes für die effektive Induktivität die Stellung des drehbaren Elements, d.h. der Welle 108 bzw. des Abtriebsrads 612, bestimmt. Hierzu kann beispielsweise die Steuereinheit 616 das Maß für die effektive Induktivität aus der Positionserfassungseinheit 120 auslesen und anhand einer im Voraus empirisch bestimmten und/oder berechneten Kalibrierungskurve die Stellung des drehbaren Elements 108 ermitteln. Die Steuereinheit 616 kann zudem anhand der Stellung des drehbaren Elements 108 die Stellung eines mit dem drehbaren Element 108 gekoppelten Stellglieds bestimmen. In manchen Ausführungsformen, z.B. bei Verwendung eines elektrisch leitfähigen Targets wie in 5c dargestellt, kann die Steuereinheit 616 dazu eingerichtet sein, den zeitlichen Verlauf des Maßes für die effektive Induktivität und daraus beispielsweise eine Anzahl von Schritten bzw. von an dem induktiven Element 112 vorbeibewegten Targets 110-1 bis 110-n zu ermitteln, um die Stellung des drehbaren Elements 108 zu bestimmen.
In manchen Ausgestaltungen kann das Verfahren 700 alternativ oder zusätzlich das Bestimmen eines anderen Maßes für die effektive Induktivität des induktiven Elements 112 umfassen. Beispielsweise kann die Positionserfassungseinheit 120 das induktive Element 112 als ein Sendeelement für ein elektromagnetisches Signal verwenden, z.B. durch Anlegen einer Wechselspannung an das induktive Element 112 und/oder den mit dem kapazitiven Element 118 gebildeten Schwingkreis. Die in den Schwingkreis eingekoppelte sowie die von dem induktiven Element 112 abgestrahlte Leistung können von der effektiven Induktivität des induktiven Elements 112 und damit von der Stellung des drehbaren Elements 108 abhängen. Das abgestrahlte Signal kann von der Positionserfassungseinheit 120 z.B. mittels eines weiteren induktiven Elements empfangen werden und eine Amplitude des empfangenen Signals als Maß für die effektive Induktivität ermittelt werden. Alternativ kann das induktive Element 112 als Empfangselement verwendet werden, wobei eine von dem induktiven Element 112 empfangenen Leistung sowie eine aus dem Schwingkreis ausgekoppelte Leistung von der effektiven Induktivität der induktiven Elements 112 und damit von der Stellung des drehbaren Elements 108 abhängen können.
Die beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen und die Figuren dienen nur zur rein beispielhaften Illustration. Die Erfindung kann in ihrer Gestalt variieren, ohne dass sich das zugrundeliegende Funktionsprinzip ändert. Der Schutzumfang des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich allein aus den folgenden Ansprüchen.
Bezugszeichenliste

100: Vorrichtung zur Positionserfassung
102: Zahnrad
104: Zahnkranz
106: Drehachse
108: drehbares Element/Welle
110: elektrisch leitfähiges Target
112: induktives Element
114: Halter
116: Leiterplatte
118: kapazitives Element
120: Positionserfassungseinheit
200, 210, 220: Target-Vorrichtung
202: Trägersubtrat
300, 310: Detektionsvorrichtung
302: flexibles Substrat
304: flexibler Leiter
112-A, 112-B, 112-C, 112-D: induktive Elemente
400: Vorrichtung zur Positionserfassung
402: Abtriebswelle
404: Befestigungsvorrichtung
500: Detektionsvorrichtung
510, 520: Target-Vorrichtung
112: Spule
112-1, 112-n: Windungen
110-1, 110-2, 110-n: Targetelemente
600: Elektromotor
602: Motoreinheit
604: Rotor
606: Stator
608: Phasenwicklung
610: Getriebe
612: Abtriebsrad
614: Hauptplatine
614A: Hauptkörper der Hauptplatine 612
614B: Arm der Hauptplatine 612
616: Steuereinheit
618: Gehäuse
620: Platinenhalter
700: Verfahren zur Bestimmung einer Stellung eines drehbaren Elements
702: Messen der Schwingkreis-Resonanz
704: Bestimmen der effektiven Induktivität
706: Bestimmen der Zahnradstellung

Claims

Vorrichtung (100, 400) zur Positionserfassung in einem Elektromotor (600), wobei die Vorrichtung (100, 400) umfasst: ein drehbares Element (108) zur Verwendung in dem Elektromotor (600); ein elektrisch leitfähiges Target (110), welches auf dem drehbaren Element (108) angeordnet ist, wobei das elektrisch leitfähige Target (110) sich in Umfangsrichtung um eine Drehachse (106) des drehbaren Elements (108) erstreckt und wobei eine Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets (110) einen Normalenvektor aufweist, der in radiale Richtung zeigt; und ein induktives Element (112), das der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets (110) gegenüber liegend auf einem Halter (114) angeordnet ist und sich in Umfangsrichtung um die Drehachse (106) des drehbaren Elements (108) erstreckt, wobei eine Form des elektrisch leitfähigen Targets (110) und des induktiven Elements (112) so gewählt sind, dass eine effektive Induktivität des induktiven Elements (112) abhängig von der Stellung des drehbaren Elements (108) in Umfangsrichtung variiert.
Vorrichtung (100, 400) nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitfähige Target (110) und/oder das induktive Element (112) sich in Umfangsrichtung vollständig um die Drehachse (106) des drehbaren Elements (108) erstrecken.
Vorrichtung (100, 400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Halter (114) die Form eines Zylindersegments aufweist und das induktive Element (112) auf einer Innenseite des Zylindersegments angeordnet ist.
Vorrichtung (400) nach Anspruch 3, wobei der Halter (114) eine zylindrische Form aufweist und die Drehachse (106) des drehbaren Elements (108) vollständig umgibt.
Vorrichtung (100, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halter (114) an einer Leiterplatte (116) befestigt ist.
Vorrichtung (400) nach Anspruch 5, wobei der Halter (114) eine Befestigungsvorrichtung (404) aufweist, die dazu eingerichtet ist, den Halter (114) an der Leiterplatte (116) abnehmbar zu befestigen.
Vorrichtung (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das induktive Element (112) einen flexiblen Leiter (304) aufweist, der auf einem flexiblen Substrat (302) angeordnet ist.
Vorrichtung (100, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das induktive Element (112) eine oder mehrere Spulen umfasst.
Vorrichtung (100, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrisch leitfähige Target (110) eine Metallfolie ist.
Vorrichtung (100, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Form des elektrisch leitfähigen Targets (110) und des induktiven Elements (112) so gewählt sind, dass die Fläche eines Überlappungsbereichs zwischen dem induktiven Element (112) und der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Targets (110) senkrecht zur radialen Richtung von der Stellung des drehbaren Elements (108) in Umfangsrichtung abhängt.
Vorrichtung (100, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100, 400) ein kapazitives Element (118) umfasst, welches mit dem induktiven Element (112) einen elektrischen Schwingkreis bildet.
Vorrichtung (100, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100, 400) eine Positionserfassungseinheit (120) umfasst, die dazu eingerichtet ist, ein Maß für die effektive Induktivität des induktiven Elements (112) zu bestimmen.
Vorrichtung (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (400) zwei induktive Elemente (112-A, 112-C) umfasst, die auf dem Halter (114) auf gegenüberliegenden Seiten der Drehachse (106) angeordnet sind.
Elektromotor (600) mit einer Vorrichtung (100) zur Positionserfassung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das drehbare Element (108) mit einem Rotor (604) des Elektromotors (600) mechanisch gekoppelt ist.
Elektromotor (600) nach Anspruch 14, wobei der Halter (114) für das induktive Element (112) an einer Hauptplatine (614) des Elektromotors (600) befestigt ist.
Elektromotor (600) nach Anspruch 15, wobei die Hauptplatine (614) einen Arm (614B) aufweist, der sich in Richtung des drehbaren Elements (108) erstreckt, und wobei der Halter (114) an dem Arm (614B) befestigt ist.
Elektromotor (600) nach Anspruch 16, wobei der Arm (614B) der Hauptplatine (614) an einem Gehäuse (618) des Elektromotors (600) befestigt ist.
Elektromotor (600) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das drehbare Element (108) eine Welle ist, die mit einem Abtriebsrad (612) des Elektromotors (600) verbunden ist.
Elektromotor (600) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei der Elektromotor (600) eine Steuereinheit (616) aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Stellung des drehbaren Elements (108) anhand eines Maßes für die effektive Induktivität des induktiven Elements (112) zu bestimmen.
Verfahren (700) zur Bestimmung einer Stellung eines drehbaren Elements (108) in einem Elektromotor (600) mittels der Vorrichtung (100, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen eines Maßes für die effektive Induktivität des induktiven Elements (112); und Bestimmen der Stellung des drehbaren Elements (108) anhand des Maßes für die effektive Induktivität.