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Die Erfindung betrifft eine Maschine mit mindestens einem Maschinenbauteil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Zur Überwachung von Maschinenparametern, wie z.B. Temperatur, einer Maschine, insbesondere elektrischer Antriebsmaschinen, werden in der Regel ein oder mehrere Sensoren eingesetzt, welche zur Erfassung der einzelnen Parameter an relevanten Punkten an oder in der Maschine angeordnet sind. Üblicherweise werden die Maschinenparamater kabelgebunden durch die Sensoren erfasst. Dabei ist die Erfassung von Paramatern an drehenden Bauteilen, insbesondere auf einem Rotor einer elektrischen Antriebsmaschine nur mit hohem Aufwand möglich, weshalb empfindliche Maschinenbauteile meist überdimensioniert werden oder die Maschine mit einem Sicherheitsabstand zu der oberen Temperaturgrenze betrieben wird.
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Die
CN 109687805 A zeigt eine Steuerung für einen geschalteten Reluktanzmotor eines Kraftwagens. Die Steuerung umfasst einen Mikrocontroller, einen Leistungswandler, einen Geschwindigkeitssensor, ein Netzwerkverbindungsmodul, ein drahtloses Datenübertragungsmodul und eine Positionserfassungseinheit. Ein Ausgang des Mikrocontrollers ist mit einem Eingang des geschalteten Reluktanzmotors verbunden. Ein Eingang des Mikrocontrollers ist mit einem X-Kondensator versehen. Ein Eingang des X-Kondensators ist an eine Gleichtaktinduktivität angeschlossen. Es ist zudem ein Y-Kondensator vorhanden. Das Gleichtaktrauschen im Mikrocontroller soll dadurch unterdrückt werden, dass der X-Kondensator, die Gleichtaktinduktivität und der Y-Kondensator in Reihe mit der Eingangsschaltung des Mikrocontrollers geschaltet sind und der Y-Kondensatorausgang extern an ein Elektroaggregat im Fahrzeugsystem angeschlossen ist.
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Die
CN 109515207 A zeigt ein intelligentes Fahrsteuerungssystem für ein unbemanntes Fahrzeug. Das Fahrsteuerungssystem umfasst eine Achse, ein Rad, einen Raddrehzahlsensor, einen Antriebsmotor, ein Radsteuerungssystem, einen Lenkmotor, eine Leistungssteuerungseinheit, eine Fernbedienungseinheit, eine drahtlose Datenübertragungseinheit, eine Kommunikationsschnittstelle und eine Hauptsteuerung. An beiden Enden der Achse ist jeweils ein Rad angebracht. An den Rädern ist jeweils einer der Raddrehzahlsensoren angeordnet. Der Lenkmotor ist in der Mitte der Achse installiert. Das Rad ist mit dem Antriebsmotor verbunden, während der Antriebsmotor und der Raddrehzahlsensor mit dem Radsteuersystem und dem Rad verbunden sind. Das Steuersystem ist über eine Kommunikationsschnittstelle mit der Hauptsteuerung verbunden. Die Hauptsteuerung ist jeweils auch mit der Energieverwaltungseinheit, dem Lenkmotor, der Fernbedienungseinheit und der drahtlosen Datenübertragungseinheit verbunden.
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Aus der
US 9,834,114 B2 sind Systeme und Verfahren zum Bestimmen von Batterieheizbedingungen und Vorheizzeiten von Batterien in Elektro- und Hybridfahrzeugen bekannt. Die Vorheizzeiten betragen mindestens eine Minute oder mehr und werden auf der Grundlage von Eingabeparametern und Sätzen von Eingabeparametern bestimmt. Entsprechend der so bestimmten Vorheizzeit wird eine Sekundärbatterie dynamisch erwärmt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine zu schaffen, welche sich durch eine verbesserte Erfassung und Übertragung von Messgrößen in der Maschine auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Maschine mit den Merkmalen das Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Maschine, welche insbesondere zur Erzeugung und/oder Übertragung und/oder Übersetzung eines Drehmomentes und/oder einer Kraft dient. Beispielsweise ist die Maschine für ein Fahrzeug, eine Arbeitsmaschine, eine Windkraftanlage oder dergleichen geeignet.
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Die Maschine weist mindestens oder genau einen ersten und einen zweiten Maschinenabschnitt auf. Insbesondere sind die mindestens zwei Maschinenabschnitte als innere Maschinenabschnitte ausgebildet, wobei die inneren Maschinenabschnitte im Inneren der Maschine gebildet sind. Alternativ kann jedoch auch mindestens einer der Maschinenabschnitte als ein äußerer Maschinenabschnitt ausgebildet sein, wobei der äußere Maschinenabschnitt außerhalb der Maschine gebildet ist.
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Die beiden Maschinenabschnitte können räumlich voneinander getrennt sein. Insbesondere sind die beiden Maschinenabschnitte über eine Trennwand und/oder ein oder mehrere Maschinenbauteile und/oder weitere zwischenliegende Maschinenabschnitte voneinander getrennt. Alternativ können die Maschinenabschnitte jedoch auch einen gemeinsamen Raum, insbesondere einen gegenüber einer Umgebung abgeschlossenen Raum, bilden. Im Speziellen sind der erste und/oder der zweite Maschinenabschnitt durch ein Metallgehäuse gebildet und/oder mitgebildet. Alternativ oder optional ergänzend können der erste und/oder zweite Maschinenabschnitt jeweils durch ein separates, insbesondere in sich geschlossenes Gehäuse, gebildet sein. Vorzugsweise sind die beiden Maschinenabschnitte in axialer Richtung in Bezug auf eine Bauteil- und/oder Maschinenachse nebeneinander und/oder angrenzend zueinander angeordnet.
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Die Maschine weist mindestens oder genau ein Maschinenbauteil auf, wobei das Maschinenbauteil zumindest abschnittsweise in dem ersten und/oder dem zweiten Maschinenabschnitt angeordnet ist. Insbesondere erstreckt das Maschinenbauteil in axialer Richtung in Bezug auf die Bauteil- und/oder Maschinenachse von dem ersten Maschinenabschnitt in den zweiten Maschinenabschnitt. Beispielsweise kann die Bauteilachse durch eine Längsachse, Mittelachse, Rotationsachse und/oder Symmetrieachse des Maschinenbauteils definiert sein. Insbesondere kann das Maschinenbauteil ein bewegliches, insbesondere rotierendes, oder stationäres Maschinenbauteil ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Maschinenbauteil durch das Drehmoment und/oder die Kraft beaufschlagbar und/oder antreibbar. Das Maschinenbauteil kann einstückig, beispielsweise aus einem Guss und/oder einer Aluminiumlegierung gefertigt, ausgebildet sein. Alternativ kann das Maschinenbauteil jedoch auch mehrteilig ausgebildet sein.
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Die Maschine weist mindestens oder genau zwei Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen auf, welche zum Senden- und/oder Empfangen von Daten ausgebildet und/oder geeignet sind. Insbesondere dient zumindest die eine Sende- und/oder Empfangsvorrichtung dazu Daten, insbesondere maschinenspezifische Messdaten, zu erfassen und an die andere Sende- und/oder Empfangsvorrichtung zu übermitteln. Die eine Sende- und/oder Empfangsvorrichtung ist dabei in dem ersten Maschinenabschnitt und die andere Sende- und/oder Empfangsvorrichtung ist in dem zweiten Maschinenabschnitt angeordnet. Insbesondere sind die beiden Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen über den ersten und/oder den zweiten Maschinenabschnitt und/oder mindestens ein weiteres Maschinenbauteil und/oder das Maschinenbauteil voneinander abgegrenzt. Alternativ können die Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen jedoch auch gemeinsam in dem durch die Maschinenabschnitte gebildeten Raum angeordnet sein.
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Optional kann die Maschine mindestens oder genau eine weitere Sende- und/oder Empfangsvorrichtung aufweisen, wobei die weitere Sende- und/oder Empfangsvorrichtung wahlweise in dem ersten oder zweiten Maschinenabschnitt oder in einem weiteren Maschinenabschnitt angeordnet ist. Dabei sind die mehreren Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen über eine drahtlose Verbindung, insbesondere über ein Netzwerk, signaltechnisch miteinander verbunden. Vorzugsweise ist zumindest eine, einige oder alle der Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen für einen passiven Betrieb ausgebildet, wobei die entsprechende Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen zur Reflexion eines von der anderen Sende- und/oder Empfangsvorrichtung gesendeten Signals in Abhängigkeit von den zu erfassenden Daten ausgebildet sind. Beispielsweise sendet eine der Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen ein Signal an die andere(n) Sende- und/oder Empfangsvorrichtung(en), welche dieses Signal, insbesondere den Wert einer Frequenz und/oder einer Amplitude und/oder einer Phasenlage dieses Signals, entsprechend einem Maß der jeweils zu erfassenden Daten verändert und zurück zu der einen Sende- und/oder Empfangsvorrichtung reflektiert bzw. sendet.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine Hauptübertragungstrecke der drahtlosen Verbindung über eine Oberfläche des Maschinenbauteils verläuft. Insbesondere dient das Maschinenbauteil dazu, das von der einen zu der anderen Sende- und/oder Empfangsvorrichtung gesendete Signal abschnittsweise über die Oberfläche des Maschinenbauteils zu übertragen. Vorzugsweise dient das Maschinenbauteil somit als eine Übertragungsleitung, um das Signal zumindest abschnittsweise von dem einen Maschinenabschnitt in den anderen Maschinenanschnitt und/oder von der einen Sende- und/oder Empfangsvorrichtung zu der bzw. den anderen Sende- und/oder Empfangsvorrichtung(en) leitungsgebunden zu übertragen. Prinzipiell kann das Maschinenbauteil als ein Hohlkörper ausgebildet und/oder zumindest größtenteils hohl ausgebildet. Bevorzugt jedoch ist das Maschinenbauteil als ein Vollkörper ausgebildet und/oder aus einem Vollmaterial gefertigt.
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Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass über die Oberfläche des Maschinenbauteils eine verbesserte Signalübertragung zwischen den beiden voneinander getrennten Maschinenabschnitten ermöglicht wird. Zudem kann durch das Maschinenbauteil selbst die Signalreichweite, Signalausbreitung und Signalintensität der drahtlosen Verbindung deutlich verbessert werden. Somit kann eine besonders kostengünstige drahtlose Verbindung geschaffen werden, da das Signal zwischen den Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen nicht oder nur geringfügig zusätzlich verstärkt werden muss.
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In einer konkreten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen jeweils eine Übertragungseinrichtung aufweisen. Insbesondere kann die Übertragungseinrichtung als eine Antenne und/oder ein Koppelelement ausgebildet sein oder diese umfassen. Insbesondere dient die Antenne zur Herstellung der drahtlosen Verbindung und das Koppelelement zur Übertragung und/oder Einkopplung und/oder Auskopplung des Signals, insbesondere in Form von elektromagnetischen Wellen, in das Maschinenbauteil. Vorzugsweise dienen die Übertragungseinrichtungen sowohl zum Senden als auch zum Empfangen der Signale. Insbesondere kann das Signal von der einen Übertragungseinrichtung an die andere Übertragungseinrichtung übertragen und ggf. wieder zu der einen Übertragungseinrichtung reflektiert werden kann. Dabei liegt eine der Sende- und/oder Empfangsvorrichtung mit der zugehörigen Übertragungseinrichtung, insbesondere der Antenne und/oder dem Koppelelement, an der Oberfläche des Maschinenbauteils an, sodass das Maschinenbauteil zur Verstärkung der Übertragungseinrichtung bzw. als Übertragungsleitung nutzbar ist. Insbesondere wird bei einer unidirektionalen Übertragung das Signal innerhalb des einen Maschinenabschnitts durch die an dem Maschinenbauteil anliegende Übertragungseinrichtung unmittelbar in das Maschinenbauteil eingekoppelt und innerhalb des anderen Maschinenabschnitts wieder ausgekoppelt, sodass das Signal über die drahtlose Verbindung von der bzw. den in dem anderen Maschinenabschnitt angeordneten anderen Übertragungseinrichtungen empfangen werden kann. Optional wird bei einer bidirektionalen Übertragung das Signal von der bzw. den anderen Übertragungseinrichtungen reflektiert und über die drahtlose Verbindung in das Maschinenbauteil eingekoppelt, sodass das Signal über das Maschinenbauteil von der anliegenden Übertragungseinrichtung empfangen werden kann. Somit wird eine Maschine vorgeschlagen, welche sich durch die Nutzung vorhandener Bauteile zur Signalübertragung durch eine besonders kostengünstige und kompakte Ausgestaltung auszeichnet.
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In einer weiteren Konkretisierung ist vorgesehen, dass die an dem Maschinenbauteil angeordnete Übertragungseinrichtung, insbesondere die Antenne und/oder das Koppelelement, ringförmig ausgebildet ist. Die Übertragungseinrichtung ist hierzu umlaufend zu dem Maschinenbauteil angeordnet. Insbesondere liegt die Antenne bzw. das Koppelement umlaufend an einem Außenumfang des Maschinenbauteils an. Vorzugsweise ist die ringförmige Übertragungseinrichtung koaxial und/oder konzentrisch zu dem Maschinenbauteil angeordnet. Insbesondere ist die Antenne als eine kreisringförmige Antenne, insbesondere als eine Ringantenne, oder als eine spiralförmige Antenne, insbesondere eine Spule, ausgebildet. Vorzugsweise ist das Maschinenbauteil aus einem ferromagnetischen Material gefertigt. Das Maschinenbauteil bildet somit einen Kern, wobei die ringförmige Übertragungseinrichtung, insbesondere die Antenne, mit diesem induktiv gekoppelt ist. Durch die ringförmige Ausgestaltung der Übertragungseinrichtung, kann die Signalintensität und die Übertragung über das Maschinenbauteil weiter verbessert werden.
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In einer weiteren Konkretisierung ist vorgesehen, dass das Maschinenbauteil als eine Welle ausgebildet ist. Insbesondere dient die Welle zur Übertragung des Drehmoments von dem einen Maschinenabschnitt auf den anderen Maschinenabschnitt. Die Welle kann in dem ersten und/oder zweiten Maschinenabschnitt drehbar gelagert sein. Insbesondere ist das Maschinenbauteil als eine Vollwelle oder als eine Hohlwelle oder eine Welle mit mindestens teilweise hohlen Bereichen und/oder Bohrungen ausgebildet. Alternativ kann das Maschinenbauteil jedoch auch als eine starre Achse ausgebildet sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die andere(n) Sende- und/oder Empfangsvorrichtung(en) beabstandet zu der Oberfläche des Maschinenbauteils angeordnet sind. Bevorzugt sind die Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen relativ zueinander bewegbar und/oder voneinander bewegungsentkoppelt. Vorzugsweise ist bzw. sind die andere(n) Sende- und/oder Empfangsvorrichtung(en) jeweils einem Maschinenbauteil der Maschine zugeordnet bzw. an diesem angeordnet. Bevorzugt ist bzw. sind die andere(n) Sende- und/oder Empfangsvorrichtung(en) in Bezug auf die Bauteilachse radial beabstandet zu dem Maschinenbauteil bzw. dessen Oberfläche angeordnet. Im Speziellen ist bzw. sind die andere(n) Sende- und/oder Empfangsvorrichtung(en), insbesondere deren Antenne(n) bzw. Koppelelement(e), in unmittelbarerer Nähe und/oder benachbart zu dem Maschinenbauteil angeordnet. Somit wird sichergestellt, dass das Signal bzw. die drahtlose Verbindung zwischen dem Maschinenbauteil und der bzw. den dazu beabstandeten Sende- und/oder Empfangsvorrichtung(en) nicht oder nur geringfügig durch umliegende Bauteile beinträchtig wird.
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In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest eine, einige oder alle der Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen eine Sensoreinrichtung aufweisen. Die Sensoreinrichtung ist zur Erfassung mindestens oder genau einer physikalischen Messgröße der Maschine ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere dient die Sensoreinrichtung zur Überwachung und/oder Regelung und/oder Steuerung der Maschine. Die Sensoreinrichtung ist in der Maschine an einem Maschinenbauteil der Maschine angeordnet, um eine an dem Bauteil auftretende bzw. einwirkende physikalische Messgröße zu erfassen. Dabei ist die mindestens eine physikalische Messgröße über die drahtlose Verbindung übermittelbar. Insbesondere ist die Sende- und/oder Empfangsvorrichtung ausgebildet, die durch die Sensoreinrichtung erfasste physikalische Messgröße über die Übertragungseinrichtung drahtlos an eine Auswerteeinheit zur Auswertung der Messgröße zu übermitteln. Besonders bevorzugt ist eine der Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen signaltechnisch mit der Auswerteeinheit zur Auswertung der Messgröße verbunden und/oder in die Auswerteeinheit integriert. Insbesondere kann die Auswerteeinheit modular aufgebaut sein. Die Auswerteeinheit kann dabei ein Rechenmodul, z.B. ein Mikrocontroller, und/oder ein Speichermodul, und/oder ein Energiewandlermodul, auch als „Energy Harvester“ bekannt, umfassen. Wenn die physikalische Messgröße mittelbar gemessen wird, ist der Messwert bevorzugt durch die Auswerteinheit auf der Grundlage mindestens eines Messsignals von der mindestens einen Sensoreinrichtung bestimmbar. Im Speziellen sind die mehreren Sensoreinrichtungen über ein Sensornetzwerk miteinander und/oder mit der Auswerteeinheit verbunden sind. Prinzipiell ist die Sensoreinrichtung ausgebildet, beispielsweise eine auf ein Maschinenbauteil der Maschine einwirkende Kraft und/oder Drehzahl und/oder Drehmoment und/oder Drehwinkel und/oder Körperschall zu erfassen.
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Bevorzugt jedoch ist die Sensoreinrichtung als ein Temperatursensor ausgebildet, welcher zur Erfassung einer Temperatur in der Maschine ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere sind einige, mehrere oder alle der Sensoreinrichtungen als Temperatursensoren ausgebildet, wobei die mehreren Temperatursensoren an unterschiedlichen Positionen in der Maschine angeordnet sind, um die Temperatur in der Maschine bzw. dem jeweils zugehörigen Maschinenbauteil zu überwachen. Es wird somit eine kabellose Sensorik, insbesondere Temperatursensorik, vorgeschlagen, welche sich durch eine besonders einfache und kompakte Anordnung an temperaturkritischen und/oder bewegbaren Maschinenbauteilen auszeichnet.
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In einer weiteren Umsetzung ist vorgesehen, dass die Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen, insbesondere deren Übertragungseinrichtungen, ausgebildet sind, die Daten, insbesondere die Messsignale der Sensoreinrichtung(en), als ein elektromagnetisches Funksignal über die drahtlose Verbindung zu übertragen. Insbesondere ist die drahtlose Verbindung somit als eine Funkverbindung ausgebildet. Besonders bevorzugt sind sämtliche Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen über die Funkverbindung miteinander verbunden.
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In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Maschine eine Antriebsvorrichtung aufweist, wobei das Maschinenbauteil als ein Antriebsbauteil ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Antriebsvorrichtung ausgebildet, ein Antriebsmoment bereitzustellen. Die Antriebsvorrichtung kann durch mindestens oder genau einen Elektro- und/oder Verbrennungsmotor gebildet sein. Vorzugsweise ist die Sende- und/oder Empfangsvorrichtung, insbesondere zumindest deren Sensoreinrichtung, in das Antriebsbauteil integriert und/oder an dem Antriebsbauteil angeordnet. Das Antriebbauteil kann beispielsweise als ein Rotor, eine Rotorwelle oder ein Rotorlager ausgebildet sein.
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Alternativ oder optional ergänzend weist die Maschine eine Getriebevorrichtung auf, wobei das Maschinenbauteil als ein Getriebebauteil ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Getriebevorrichtung ausgebildet, das Antriebsmoment zu übersetzen und/oder zu verteilen. Die Getriebevorrichtung kann mindesten oder genau ein Übersetzungsgetriebe, z.B. ein Planetengetriebe und/oder Stirnradgetriebe, und/oder mindestens oder genau ein Verteilergetriebe, z.B. ein Differenzialgetriebe, und/oder eine Synchronisierungseinrichtung zur Synchronisierung des Getriebes und/oder eine Kupplungseinrichtung aufweisen. Alternativ ist die Sende- und/oder Empfangsvorrichtung, insbesondere zumindest deren Sensoreinrichtung, oder optional eine weitere Sende- und/oder Empfangsvorrichtung, insbesondere zumindest deren weitere Sensoreinrichtung, an einem Getriebebauteil der Getriebevorrichtung angeordnet. Das Getriebebauteil kann beispielsweise als eine Getriebewelle, ein Getriebelager, ein Getrieberad, ein Kupplungselement oder ein Synchronisierungselement sein.
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Die Maschine kann für einen Wankstabilisator, ein Differential und/oder einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs oder eine Windkraftanlage ausgebildet und/oder geeignet sein. Im Speziellen kann die Antriebsvorrichtung in dem einen Maschinenabschnitt und die Getriebevorrichtung in dem anderen Maschinenabschnitt angeordnet sein, wobei die Antriebsvorrichtung und die Getriebevorrichtung über das Maschinenbauteil miteinander wirkverbunden sind. Vorzugsweise ist das Maschinenbauteil hierzu als eine Antriebswelle zur Übertragung des Antriebsmoments von der Antriebsvorrichtung auf die Getriebevorrichtung ausgebildet. Um mehrere Bauteile der Maschine unabhängig voneinander hinsichtlich der einwirkenden Belastung und/oder Temperatur zu überwachen, können mindestens zwei Sensoreinrichtungen an unterschiedlichen Bauteilen der Maschine angeordnet sein.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Maschine mit mehreren Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 ein Blockschaltbild der Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen aus der 1.
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1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung eine Maschine 1 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Beispielsweise ist die Maschine 1 für ein Fahrzeug, z.B. ein Elektrofahrzeug, ausgebildet und/oder geeignet. Die Maschine 1 weist einen ersten und einen zweiten Maschinenabschnitt 2, 3 auf, wobei die beiden Maschinenabschnitte 2, 3 räumlich voneinander getrennt sind. Ferner weist die Maschine 1 eine Antriebsvorrichtung 4 und eine Getriebevorrichtung 5 auf, wobei die Antriebsvorrichtung 4 in dem ersten Maschinenabschnitt 2 und die Getriebevorrichtung 5 in dem zweiten Maschinenabschnitt 3 angeordnet ist.
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Die Antriebsvorrichtung 4 ist als eine elektrische Maschine, z.B. ein Elektromotor, ausgebildet und dient zur Erzeugung und/oder Bereitstellung eines Traktionsmoments, insbesondere eines Haupttraktionsmoments, für das Fahrzeug. Die Antriebsvorrichtung 4 weist einen Rotor 6 und einen Stator 7 auf, welche in Bezug auf eine Bauteilachse A koaxial und/oder konzentrisch zueinander angeordnet sind. Beispielsweise kann die Antriebsvorrichtung 4 mit einer Energieeinrichtung, z.B. eine Batterie oder ein Akku, elektrisch verbunden sein, um Energie zur Erzeugung des Traktionsmoments zu erhalten.
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Ferner weist die Antriebsvorrichtung 4 eine Antriebswelle 8 zur Übertragung des Traktionsmoments auf die Getriebevorrichtung 5 auf. Der Rotor 6 ist mit der Antriebswelle 8 antriebstechnisch verbunden, sodass die Antriebswelle 8 über und/oder durch den Rotor 6 angetrieben wird. Die Antriebswelle 8 ist somit als eine Rotorwelle ausgebildet und ist hierzu mechanisch, z.B. drehfest, und elektrisch mit dem Rotor 6 verbunden. Die Antriebswelle 8 definiert dabei mit ihrer Rotationsachse die Bauteilachse A.
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Die Getriebevorrichtung 3 weist ein erstes und ein zweites Übersetzungsgetriebe 9, 10 auf, wobei das erste Übersetzungsgetriebe 9 als ein Planetengetriebe und das zweite Übersetzungsgetriebe 10 als ein Stinradgetriebe ausgebildet ist. Beispielsweise bildet das erste Übersetzungsgetriebe 9 eine erste Gangstufe und das zweite Übersetzungsgetriebe 10 eine zweite Gangstufe. Die Antriebswelle 8 ist in dem ersten und dem zweiten Maschinenabschnitt 2, 3 angeordnet, wobei die Antriebswelle 8 getriebetechnisch mit dem ersten und dem zweiten Übersetzungsgetriebe 9, 10 verbunden und/oder verbindbar ist.
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Des Weiteren weist die Getriebevorrichtung 3 eine Synchronisierungseinrichtung 11 sowie ein Verteilergetriebe 12 auf. Die Synchronisierungseinrichtung 11 dient insbesondere dazu, wahlweise die erste oder die zweite Gangstufe zu schalten, wobei das Traktionsmoment in der ersten Gangstufe über das erste Übersetzungsgetriebe 9 und in der zweiten Gangstufe über das zweite Übersetzungsgetriebe 10 auf das Verteilergetriebe 12 übertragen wird. Beispielsweise ist das Verteilergetriebe 12 als ein Differentialgetriebe ausgebildet, wobei das Traktionsmoment durch das Verteilergetriebe 12 auf zwei Abtriebswellen 13a, b aufgeteilt wird.
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Die Antriebsvorrichtung 4 weist ein Antriebsgehäuse 14 und die Getriebevorrichtung 5 ein Getriebegehäuse 15 auf, wobei der erste Maschinenabschnitt 2 durch das Antriebsgehäuse 14 und der zweite Maschinenabschnitt 3 durch das Getriebegehäuse 15 gebildet ist. Beispielsweise ist das Antriebsgehäuse 14 fest, z.B. durch eine Schraubverbindung, mit dem Getriebegehäuse 15 verbunden. Die Antriebswelle 8 erstreckt sich dabei in axialer Richtung in Bezug auf die Bauteilachse A von dem Antriebsgehäuse 14 in das Getriebegehäuse 15, wobei die Antriebswelle 8 über ein oder mehrere Lagereinrichtungen 16a, b drehbar in dem Antriebsgehäuse 14 und/oder dem Getriebegehäuse 15 gelagert ist. Das erste Übersetzungsgetriebe 9 weist einen erste Getrieberadsatz 17, z.B. mehrere Planetenräder, und das zweite Übersetzungsgetriebe 9 weist einen zweiten Getrieberadsatz 18, z.B. mehrere Stirnräder, auf, wobei die Antriebswelle 8 über den ersten und den zweiten Getrieberadsatz 17, 18 mit dem jeweiligen Übersetzungsgetriebe 9, 10 in Eingriff steht und/oder bringbar ist.
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Um die Antriebsvorrichtung 4 und die Getriebevorrichtung 5 optimal, insbesondere hinsichtlich Wirkungskrad und Kosten, betreiben zu können, ergibt sich der Bedarf bestimmte Maschinenparameter, wie z.B. Temperatur, Drehzahl, Drehmoment, Biegekräfte etc., der Maschine 1 zu erfassen. In aktuellen Anwendungen erfolgt die Erfassung der Maschinenparameter mittels kabelgebundener Sensoren. Beispielsweise wird die Temperatur kabelgebunden im Ölsumpf der Getriebevorrichtung 5 oder am Stator 7 der Antriebsvorrichtung 4 gemessen und mithilfe von Softwaremodellen berechnet. Die Erfassung der Temperatur an drehenden Maschinenbauteilen sowie an schwer zugänglichen Stellen in der Maschine 1 ist dabei aufgrund der kabelgebundenen Sensoren nicht oder nur mit hohem Aufwand möglich. So besteht aktuell keine Möglichkeit auf Temperaturspitzen zu reagieren, da die bestehende Temperaturermittlung zu träge und zu ungenau ist. Um eine Überhitzung der Maschine 1 vorzubeugen, werden deren temperaturempfindlichen Maschinenbauteile häufig überdimensioniert. Beispielsweise kommt es bei zu hohen Temperaturen im Rotor 6 zu einer Entmagnetisierung der Magnete und so zu einer Beschädigung der Antriebsvorrichtung 4, weshalb in vielen Fällen auf ein teureres Magnetmaterial der Magnete zurückgegriffen werden muss.
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Die Maschine 1 weist mehrere Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen 19a-c auf, wobei die mehreren Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen 19a-c in den beiden Maschinenabschnitten 2, 3 verteilt angeordnet sind. Die Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen 19a-c sind über eine drahtlose Verbindung 20 miteinander verbunden, wobei die Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen 19a-c ausgebildet sind, Daten, insbesondere Messsignale, berührungslos zu empfangen und/oder zu senden.
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2 zeigt in einem stark schematisierten Blockschaltbild die Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen 19a-c. Die Sende- und/oder Empfangseinrichtungen 19a-c weisen jeweils eine Übertragungseinrichtung 21 für die drahtlose Verbindung 20 untereinander auf. Beispielsweise ist die Übertragungseinrichtung 21 als eine Antenne und/oder als ein Koppelement ausgebildet, wobei die Antenne zur Herstellung der drahtlosen Verbindung und das Koppelelement zur Einkopplung des Signals in eine Struktur der Maschine 1 dient. Die Sende- und/oder Empfangseinrichtungen 19a-c sind dabei ausgebildet, die Messsignale über die drahtlose Verbindung 20 zu übertragen. Die drahtlose Verbindung 20 basiert dabei bevorzugt auf elektromagnetischen Wellen, sodass es sich bei der drahtlosen Verbindung 20 um eine Funkverbindung handelt. Bevorzugt wird das Messsignal zwischen den Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen 19a-c reflektiert, so dass die Übertragungseinrichtungen 21 der Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen 19a-c sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Signalen dienen.
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Die Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen 19b, c weisen jeweils eine Sensoreinrichtung 22 auf, wobei die Sensoreinrichtung 22 ausgebildet ist, eine physikalische Messgröße zu erfassen. Prinzipiell können die Sensoreinrichtungen 22 als Drehmoment-, Kraft- und/oder Drehzahlsensor ausgebildet sein. Bevorzugt jedoch sind die Sensoreinrichtungen 22 jeweils als ein Temperatursensor ausgebildet, um eine Temperatur in dem jeweiligen Maschinenabschnitt 2, 3 zu erfassen.
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Dabei ist eine erste Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen 19a mit einer Auswerteeinheit 23 verbunden, welche ausgebildet, die von einer zweiten und dritten Sende- und/oder Empfangsvorrichtung 19b, c, insbesondere deren Sensoreinrichtungen 22, erfassten Messsignale auszuwerten und anwendungsspezifisch zu verarbeiten. Beispielsweise können die durch die Auswerteeinheit 23 ausgewerteten Messsignale zur Steuerung und/oder Regelung der Antriebsvorrichtung 4 herangezogen werden. So kann eine optimale Systemregelung realisiert werden.
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Es wird somit eine kabellose Temperatursensorik vorgeschlagen, welche besonders einfach an beliebigen, insbesondere temperaturkritischen Stellen, in der Maschine 1 integriert werden kann. Eine Herausforderung stellt dabei der Aufbau einer stabilen drahtlosen Verbindung 20 zwischen den einzelnen Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen 19a-c dar, da diese nicht durch metallische Gegenstände hindurchgeleitet werden können und das Signal zudem an den Oberflächen reflektiert wird. Insbesondere bei geschlossenen Maschinen 1, wie in der 1 gezeigt, welche durch ein metallisches Gehäuse (Antriebsgehäuse 14, Getriebegehäuse 15) begrenzt werden und viele metallische Maschinenbauteile (Wellen, Zahnräder, Schaltelemente, etc.) enthalten, kommt es vermehrt zu einer starken Beeinträchtigung der Signalstärke. Des Weiteren sind die Maschinenbauteile häufig sehr kompakt in die Maschine 1 integriert, so dass kein Freiraum für die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen bzw. der Funkwellen verbleibt. Ein besonderer Fall stellt die Signalübertragung von dem einen Maschinenabschnitt 2 zum anderen Maschinenabschnitt 3 dar, wenn diese durch eine Trennwand vollständig voneinander getrennt sind. Bei Verwendung herkömmlicher Systeme muss sich das Signal den Weg durch die in der Trennwand verbauten Lagereinrichtungen 16a suchen, was die Signalintensität stark beeinflusst.
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Wie in der 1 dargestellt, ist die Übertragungseinrichtung 21 der ersten Sende- und/oder Empfangsvorrichtung 19a an einer Oberfläche 24, insbesondere einem Außenumfang, der Antriebswelle 8 angeordnet. Dabei ist die erste Sende- und/oder Empfangsvorrichtung 19a koaxial und/oder konzentrisch zu der Bauteilachse A an einem Wellenende der Antriebswelle 8 in dem zweiten Maschinenabschnitt 3 platziert. Die Übertragungseinrichtung 21 ist dabei als eine ring- und/oder spulenförmige Sende- und Empfangsantenne bzw. Koppelelement ausgebildet, welche in Bezug auf die Bauteilachse A umlaufend zu der Antriebswelle 8 platziert ist und/oder an dem Außenumfang der Antriebswelle 8 anleigt. Das elektromagnetische Signal wird somit über die Oberfläche 24 der Antriebswelle 8 übertragen, so dass eine Hauptübertragungstrecke der drahtlosen Verbindung 20 abschnittsweise über die Oberfläche 24 verläuft. Die Antriebswelle 8 dient somit als eine Übertragungsleitung, welche das Signal verstärkt und/oder in alle Bereiche der beiden Maschinenabschnitte 2, 3 verbreitet. Somit kann das Signal in einfacher Weise über die Oberfläche 24 der Antriebswelle 8 von dem einem Maschinenabschnitt 3 in den anderen Maschinenabschnitt 2 übertragen werden, wenn diese räumlich voneinander getrennt sind.
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Die zweite und die dritte Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen 19b, c sind in der Maschine 1, insbesondere dem ersten Maschinenabschnitt 2, verteilt angeordnet, wobei die elektromagnetischen Funkwellen zwischen den Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen 19a-c entlang der Hauptübertragungsstrecke bzw. über die drahtlose Verbindung 20 nahezu unterbrechungsfrei übertragen werden können. Beispielsweise ist die zweite Sende- und/oder Empfangsvorrichtung 19b an dem Rotor 6 und die dritte Sende- und/oder Empfangsvorrichtung 19c an dem Stator 7 der Antriebsvorrichtung 4 angeordnet. Dabei erfassen die Sensoreinrichtungen 22 der zweiten und dritten Sende- und/oder Empfangsvorrichtung 19b, c eine Temperatur an dem jeweils angeordneten Maschinenbauteil. Ein besonderer Vorteil liegt dabei in der Ermittlung der Rotortemperatur des Rotors 6, wobei die Temperatur mittels der kabellosen Temperaturerfassung durch die Sensoreinrichtung 22 der zweiten Sende- und/oder Empfangsvorrichtung 19b direkt an den Magneten des Rotors 6 gemessen werden kann, sodass die maximale Temperatur der Antriebsvorrichtung 4 exakt angesteuert werden kann.
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Die erste Sende- und/oder Empfangsvorrichtung 19a ist dabei signaltechnisch, insbesondere über ein Kabel, mit der Auswerteeinheit 23 verbunden und bildet somit einen Knotenpunkt für die von der zweiten und dritten Sende- und/oder Empfangsvorrichtung 19b, c übertragenen Messsignale. Beispielsweise ist die Auswerteeinheit 23 an einer radialen Außenseite des Getriebegehäuses 15 angeordnet. Durch die Übertragung der Signale über die Oberfläche 24 der Antriebswelle 8, kann die Signalausbreitung zwischen den einzelnen Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen 19a-c innerhalb der Maschine 1 entscheidend verbessert werden. Somit wird eine drahtlose Verbindung 20 zwischen den räumlich voneinander getrennten Maschinenabschnitten 2, 3 ermöglicht, deren Signalausbreitung, Signalreichweite und Signalintensität deutlich verbessert ist. Des Weiteren sind für die Signalübertragung weniger Übertragungseinrichtungen notwendig, sodass eine kostengünstige und kompakte Sensorik realisiert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Maschine
- 2
- erster Maschinenabschnitt
- 3
- zweiter Maschinenabschnitt
- 4
- Antriebsvorrichtung
- 5
- Getriebevorrichtung
- 6
- Rotor
- 7
- Stator
- 8
- Antriebswelle
- 9
- erstes Übersetzungsgetriebe
- 10
- zweites Übersetzungsgetriebe
- 11
- Synchronisierungseinrichtung
- 12
- Verteilergetriebe
- 13a, b
- Abtriebswellen
- 14
- Antriebsgehäuse
- 15
- Getriebegehäuse
- 16a, b
- Lagereinrichtungen
- 17
- erster Getrieberadsatz
- 18
- zweiter Getrieberadsatz
- 19a-c
- Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen
- 20
- drahtlose Verbindung
- 21
- Übertragungseinrichtungen
- 22
- Sensoreinrichtungen
- 23
- Auswerteeinheit
- 24
- Oberfläche
- A
- Bauteilachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 109687805 A [0003]
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- US 9834114 B2 [0005]
