DE102020132585A1

DE102020132585A1 - Elektrische maschine mit induktiver positionssensor-anordnung und verfahren zu deren zusammenbau und ausrichtung

Info

Publication number: DE102020132585A1
Application number: DE102020132585.1A
Authority: DE
Inventors: Suresh Gopalakrishnan; Chandra S. Namuduri; Alexandru Rajala; Thomas W. Nehl; Xiaohui Du; Edward L. Kaiser
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-01-28
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2021-07-29
Also published as: US11356006B2; US20210234447A1; CN113258726A

Abstract

Eine elektrische Maschine umfasst einen Maschinenrotor, der von einem Maschinenstator umschlossen ist und eine Rotorwelle, ein Rotorpaket und eine Endkappe aufweist, die sich um eine Achse drehen. Die Endkappe enthält Keulen, deren Anzahl der Anzahl der Polpaare des Maschinenrotors entspricht. Eine Positionssensorbaugruppe hat eine vorbestimmte Ausrichtung mit dem Maschinenrotor und -stator. Die Sensorbaugruppe umfasst einen Sensorrotor, der durch die Keulen gebildet wird, und einen Sensorstator mit einer gedruckten Leiterplatte mit leitfähigen Sinus- und Cosinusbahnen . Die Drehung des Maschinenrotors bewirkt, dass die Sensorbaugruppe ein unmoduliertes Sinus- und Cosinussignal an eine Steuerung ausgibt, die dann einen kalibrierten Referenzwinkel berechnet. Eine magnetische Achse einer elektrischen Phase der Maschine ist mit einer Spitze der Sinusspur ausgerichtet und halbiert diese. Eine direkte Achse des Maschinenrotors ist mit einer Kante einer Keule ausgerichtet.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Positionssensorbaugruppe zur Verwendung mit einer rotierenden elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor sowie auf Verfahren zum Zusammenbau und Verfahren zum Ausrichten einer solchen Sensorbaugruppe mit dem Stator und dem Rotor. Die offenbarten Ansätze ermöglichen es einer zugehörigen elektronischen Steuerung, einen kalibrierten Referenzwinkel für die Steuerung des Rotors festzulegen, wobei die Steuerung dies unter Verwendung reiner/unmodulierter Sinus- und Cosinussignale tut, die von der Sensorbaugruppe bereitgestellt werden. Als solcher kann der Sensor optional als induktiv-basierter Sensor eingerichtet werden, der so eingerichtet ist, dass er solche unmodulierten Sinus/CosinusSignale ausgibt. Auf diese Weise ist die Steuerung in der Lage, die aktuelle Winkelposition und Drehzahl des Rotors genau zu ermitteln. Die Verwendung der vorliegenden Sensorbaugruppe soll den Aufwand für die Kalibrierung und Echtzeitsteuerung der elektrischen Maschine vereinfachen und gleichzeitig die strukturelle Gesamtkomplexität der elektrischen Maschine reduzieren.
Wie diejenigen mit gewöhnlichen handwerklichen Fähigkeiten zu schätzen wissen werden, verwenden elektrische Maschinen häufig einen residenten Positionssensor, der mit dem Rotor der Maschine verbunden ist. Wenn die Statorwicklungen der elektrischen Maschine erregt werden, um den Rotor zu drehen, gibt der Positionssensor Sensordaten aus, die die Winkelstellung des Rotors anzeigen. Die Sensordaten werden in der Regel an eine Steuerung übertragen, der wiederum über die erforderliche Logik zur Verarbeitung der Positionssignale und zur Ableitung der Winkelposition und Drehzahl des Rotors verfügt. Die Position und Geschwindigkeit werden danach von der Steuerung in Echtzeit verwendet, um das Ausgangsdrehmoment und die Geschwindigkeit der elektrischen Maschine zu regeln.
Ein elektrischer Antriebsstrang nutzt das von einer oder mehreren elektrischen Maschinen erzeugte Ausgangsdrehmoment, um Arbeit zu verrichten. In einer mehrphasigen elektrischen Maschine mit Wechselstrom (AC) wird beispielsweise die sequentielle Erregung der einzelnen Statorwicklungen verwendet, um ein rotierendes Magnetfeld in Bezug auf den Stator zu erzeugen. Das rotierende Statorfeld interagiert mit einem festen Magnetfeld des Rotors der Maschine, wobei eine solche Stator-Rotor-Feldwechselwirkung letztendlich eine nützliche Maschinendrehung erzeugt. Das Ausgangsdrehmoment aus der Maschinendrehung wird anschließend über Zahnradsätze, Riemenscheiben oder andere geeignete Drehmomentübertragungsmechanismen nutzbar gemacht und an eine angeschlossene Last abgegeben. In einem elektrischen oder hybridelektrischen Fahrzeug, das beispielsweise einen elektrischen Antriebsstrang verwendet, kann das Ausgangsdrehmoment eines elektrischen Fahrmotors verwendet werden, um Straßenräder anzutreiben und dadurch das Fahrzeug anzutreiben.
BESCHREIBUNG
Eine Positionssensorbaugruppe wird hier zur Verwendung als verbesserter Drehpositionssensor innerhalb eines elektrischen Antriebsstrangs beschrieben. Wie oben erwähnt, werden Drehpositionssensoren zur Bestimmung der momentanen Winkelposition und Drehzahl eines Maschinenrotors in einer elektrischen Maschine verwendet. Zu diesem Zweck wird typischerweise ein Resolver verwendet, der nach dem Prinzip der Reluktanz und Erregung im Bereich von 4-10kHz arbeitet, wobei ein Resolver normalerweise aus einem laminierten Sensorstator und -rotor aufgebaut ist. Da einem Resolver die zugehörige Steuerlogik fehlt, werden modulierte Sinus/Cosinus-Signale vom Resolver an eine Steuerung und/oder Leistungsumrichter zur Demodulation und anschließenden Ableitung der momentanen Winkelposition und Drehzahl der elektrischen Maschine übermittelt. Die wie hier beschrieben konstruierte und ausgerichtete Positionssensorbaugruppe kann anstelle eines solchen Resolvers verwendet werden, um den Aufwand für die Sensorkalibrierung zu vereinfachen und neben anderen Vorteilen die Gesamtkomplexität des Aufbaus und der Steuerung zu minimieren.
In bestimmten Ausführungsformen kann die elektrische Maschine als Mehrphasen-/AC-Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) konstruiert sein, der für die Verwendung als Traktions- oder Antriebsmotor an Bord eines Kraftfahrzeugs oder einer anderen mobilen Plattform eingerichtet ist und mit Hilfe eines bordeigenen Steuergeräts, z.B. eines Motorsteuerungsprozessors und des zugehörigen Speichers, gesteuert wird. In einer solchen Ausführungsform wird das Ausgangsdrehmoment des PMSM auf ein oder mehrere Laufräder geleitet. Die elektrische Maschine kann einen zylindrischen Rotor und Stator umfassen, wobei der Stator den Rotor in einer repräsentativen Radialflussmaschinenkonfiguration umgibt.
Die elektrische Maschine und die offen gelegte Sensorbaugruppe verfügen über einen entsprechenden Rotor und Stator, die der besseren Übersichtlichkeit halber im Folgenden jeweils als Maschinenrotor, Maschinenstator, Sensorrotor oder Sensorstator bezeichnet werden. Der Sensorrotor kann auf die hier beschriebene Weise in die Struktur des Maschinenrotors integriert werden. Die Positionssensorbaugruppe kann mit dem Maschinenstator und dem Maschinenrotor in einer Weise ausgerichtet werden, die ausreicht, um einen kalibrierten Referenzwinkel festzulegen. Der kalibrierte Referenzwinkel wird danach von der Steuerung verwendet, um den laufenden Betrieb der elektrischen Maschine zu regeln.
In einer offenbarten Ausführungsform umfasst die rotierende elektrische Maschine einen Maschinenrotor, der von einem Maschinenstator umschlossen ist und eine Rotorwelle, ein Rotorpaket und eine ringförmige Endkappe aufweist. Die Rotorwelle, der Rotorstapel und die Endkappe sind gemeinsam so eingerichtet, dass sie sich gemeinsam um eine Drehachse drehen. Die Endkappe kann mehrere Keulen aufweisen, die sich in radialer und axialer Richtung erstrecken. Die Anzahl der Keulen entspricht einer Anzahl von Magnetpolpaaren des Maschinenrotors.
Die elektrische Maschine in dieser speziellen Ausführung umfasst auch eine induktive Positionssensorbaugruppe, die eine vorbestimmte Ausrichtung mit dem Maschinenrotor bzw. dem Maschinenstator hat. Die Sensorbaugruppe umfasst einen Sensorrotor, der durch die Keulen gebildet wird, und einen Sensorstator mit einer Leiterplatte (PCB) mit einer Hauptfläche. Elektrisch leitende Sinus- und Cosinusbahnen , z.B. Kupferbahnen, sind auf der Hauptoberfläche der Leiterplatte ausgebildet. Die Sensorbaugruppe ist so eingerichtet, dass sie, sobald sie richtig ausgerichtet und erregt ist, als Reaktion auf die Drehung des Maschinenrotors und die daraus resultierende Drehung der Rotorkeulen in Bezug auf die Sinus- und Cosinusbahnen unmodulierte Sinus/Cosinus-Signale erzeugt und an die Steuerung ausgibt.
Das Rotorpaket kann Permanentmagnete enthalten, die abwechselnd in Nord- und Südpolausrichtung um einen Umfang des Maschinenrotors herum angeordnet sind. Die elektrische Maschine in einer solchen Ausführung kann als Synchronmotor mit Permanentmagneten eingerichtet sein.
Die Keulen können in einigen Ausführungsformen aus Kupfer, Aluminium oder Stahl bestehen, wobei die Keulen eine axiale Dicke von mindestens 0,5 mm aufweisen.
Die rotierende elektrische Maschine dieser oder anderer Ausführungsformen kann als ein mehrphasiger/wechselstrombetriebener elektrischer Fahrmotor konstruiert sein, und die Sinus- und Cosinusbahnen weisen entsprechende Spitzen und Täler auf. In der vorgegebenen Ausrichtung mit dem Maschinenstator wird eine magnetische Achse einer vorgegebenen elektrischen Phase des elektrischen Fahrmotors, z.B. die A-Phase in einer beispielhaften ABC/Dreiphasen-Implementierung, mit einer Spitze der Sinusspur ausgerichtet und halbiert diese.
In der vorgegebenen Ausrichtung mit dem Maschinenrotor wird eine direkte Achse (d-Achse) des Maschinenrotors mit einer Kante eines der Keulen des Sensorrotors ausgerichtet.
Auch ein elektrischer Antriebsstrang wird hier offenbart. Eine Ausführungsform des elektrischen Antriebsstrangs umfasst eine Steuerung, ein Traktionsleistungs-Inverter-Modul (TPIM), das mit einem Batteriepack verbunden ist, und eine mehrphasige rotierende elektrische Maschine, die mit dem TPIM verbunden ist. Die elektrische Maschine ist wie oben beschrieben konstruiert, wobei der Rotor in dieser Ausführungsform mit einer angetriebenen Last, wie z.B. einem oder mehreren Laufrädern eines Kraftfahrzeugs, verbunden ist. Der Stator des Sensors steht in Kommunikation mit der Steuerung, die wiederum so eingerichtet ist, dass sie einen Drehmoment- und/oder Drehzahlbetrieb der elektrischen Maschine unter Verwendung des kalibrierten Referenzwinkels steuert, der von den unmodulierten Sinus/Cosinus-Signalen der Sensorbaugruppe abgeleitet wird.
Hier wird auch ein Verfahren zum Zusammenbau einer induktiven Positionssensorbaugruppe zur Verwendung mit einer rotierenden elektrischen Maschine vorgestellt. Das Verfahren kann das Bereitstellen eines Sensorstators mit einer Leiterplatte mit elektrisch leitfähigen Sinus- und Cosinusbahnen , die auf einer Hauptoberfläche der Leiterplatte ausgebildet sind, und das Bereitstellen einer ringförmigen Endkappe mit Keulen, deren Anzahl gleich der Anzahl der Polpaare des Maschinenrotors ist, umfassen. Das Verfahren kann auch das Verbinden des Sensorstators mit dem Maschinenstator mit einer vorbestimmten Stator-Stator-Ausrichtung und das Verbinden der ringförmigen Endkappe mit dem Maschinenrotor mit einer vorbestimmten Rotor-Rotor-Ausrichtung umfassen. Als Reaktion auf die Drehung des Maschinenrotors und eine daraus resultierende Drehung der Keulen in Bezug auf die Sinus- und Cosinusbahnen umfasst das Verfahren die Erzeugung und Ausgabe eines unmodulierten Sinus/Cosinus-Datenpaares an die Steuerung zur Steuerung der elektrischen Maschine.
Die obige Zusammenfassung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung darstellen. Vielmehr veranschaulicht die vorstehende Zusammenfassung bestimmte neuartige Aspekte und Merkmale, wie sie hier dargelegt sind. Die oben genannten und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der repräsentativen Ausführungsformen und Modi zur Durchführung der vorliegenden Offenbarung leicht ersichtlich sein, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Figuren und den beigefügten Ansprüchen genommen wird.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften mobilen Plattform mit einer rotierenden elektrischen Maschine und einer Positionssensorbaugruppe, die wie hier beschrieben aufgebaut und ausgerichtet ist.
2 ist eine schematische Darstellung eines Sensorstators und Sensorrotors einer induktiven Sensorbaugruppe zur Verwendung mit der rotierenden elektrischen Maschine aus 1.
3 ist eine perspektivische Darstellung einer ringförmigen Endkappe mit integrierten Keulen, die als Teil der hier beschriebenen induktiven Positionssensorbaugruppe verwendet werden kann.
4 ist eine explodierte schematische perspektivische Darstellung einer induktiven Positionssensorbaugruppe mit der in 3 dargestellten ringförmigen Endkappe.
5 ist eine schematische Grundrissdarstellung eines Teils eines Maschinenstators und eines Sensorstators, in der die Stator-Stator-Ausrichtung dargestellt ist.
6 ist eine schematische Draufsicht auf einen Teil eines Maschinenrotors und eines Sensorrotors, die die Rotor-Rotor-Ausrichtung darstellt.

Die vorliegende Offenbarung ist anfällig für Änderungen und alternative Formen, wobei in den Zeichnungen repräsentative Ausführungsformen beispielhaft gezeigt und im Folgenden ausführlich beschrieben werden. Erfinderische Aspekte dieser Offenbarung sind nicht auf die besonderen Formen der Offenbarung beschränkt. Vielmehr soll die vorliegende Offenbarung Modifikationen, Äquivalente, Kombinationen und Alternativen umfassen, die in den Anwendungsbereich der Offenbarung fallen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Figuren, wobei sich die Bezugsziffern auf die gleichen oder ähnliche Komponenten in den verschiedenen Figuren beziehen, ist in 1 eine mobile Plattform 10 mit einem elektrischen Antriebsstrang 12 dargestellt. Die mobile Plattform 10 kann wahlweise als Kraftfahrzeug, z.B. als Hybrid- oder batterieelektrisches Fahrzeug, Kettenfahrzeug, Motorrad oder Gelände-/All-Terrain-Fahrzeug gebaut werden. Alternativ kann der elektrische Antriebsstrang 12 als Teil eines Antriebssystems eines Roboters, Kraftwerks, Hebezeugs oder eines anderen mobilen oder stationären Systems verwendet werden. Weitere beispielhafte Fahrzeuganwendungen des elektrischen Antriebsstrangs 12 sind Traktoren und andere landwirtschaftliche Fahrzeuge sowie Flugzeuge, Wasserfahrzeuge und Schienenfahrzeuge. Zur Veranschaulichung wird jedoch die in 1 dargestellte mobile Plattform 10 im Folgenden im Zusammenhang mit einem Kraftfahrzeug beschrieben, ohne die vorliegenden Lehren auf eine solche Ausführungsform zu beschränken.
In der repräsentativen Fahrzeugausführungsform von 1 umfasst die mobile Plattform 10 ein oder mehrere Laufräder 14, die in Rollkontakt mit einer Straßenoberfläche stehen (nicht abgebildet). Der elektrische Antriebsstrang 12 in einer solchen Konfiguration kann mindestens eine rotierende elektrische Maschine (M_E) 16 umfassen, die als elektrischer Fahrmotor betrieben werden kann und einen Maschinenrotor 16R und einen Maschinenstator 16S aufweist. In einer möglichen Radialflusskonfiguration umschreibt der Maschinenstator 16S den Maschinenrotor 16R und ist koaxial zu diesem ausgerichtet. Unmodulierte Drehpositionssignale (Pfeil θ₁₆) in Form von reinen Sinus- und Cosinussignalen werden von einer mit dem Maschinenrotor 16R verbundenen Positionssensorbaugruppe 25 gemessen und ausgegeben. Eine Ausführungsform der vorliegenden Sensorbaugruppe 25 ist in 2-4 dargestellt, wobei die hier beschriebene Sensorbaugruppe 25 gemäß 5 bzw. 6 gezielt auf den Maschinenstator 16S und den Maschinenrotor 16R ausgerichtet ist.
Ferner kann die elektrische Maschine 16 im Hinblick auf den repräsentativen elektrischen Antriebsstrang 12 von 1 als Mehrphasen-Wechselstrom-Fahrmotor (AC) ausgeführt werden. In einer solchen Ausführungsform ist der Maschinenstator 16S über einen Wechselspannungsbus 20 mit einem Traktionsstrom-Umrichtermodul (TPIM) 18 verbunden, oder das TPIM 18 kann direkt auf die elektrische Maschine 16 montiert werden. Das TPIM 18 wiederum ist über einen Gleichspannungs-Bus 24 elektrisch mit einem Hochspannungs-Batteriepack (B_HV) 22 verbunden. Die elektrische Maschine 16 wird selektiv durch das Batteriepaket 22 über das dazwischenliegende TPIM 18 und einen Steuerung (C) 50 mit Strom versorgt, um ein Motorausgangsdrehmoment (Pfeil T_O) an einem Ausgangselement 13 zu erzeugen, das mit dem Maschinenrotor 16R gekoppelt ist, um sich zusammen mit diesem zu drehen. Das Ausgangsdrehmoment (Pfeil T_O) in der abgebildeten Ausführungsform wird danach an eines oder mehrere der Laufräder 14 abgegeben, um die mobile Plattform 10 anzutreiben. Obwohl zur Veranschaulichung in 1 aus Gründen der Einfachheit weggelassen, kann das Abtriebselement 13 ein Eingangselement eines Getriebes oder Getriebes antreiben, oder das Abtriebselement 13 kann die Laufräder 14 direkt und ohne Einschränkung antreiben.
Der Batteriepack 22 kann optional als mehrzelliger Hochenergie-Energiespeicher aus Lithium-Ionen-, Zink-Luft-, Nickel-Metallhydrid- oder einer anderen anwendungsgerechten Akkuchemie ausgeführt werden. Eine Gleichspannung (VDC), die auf dem Gleichspannungsbus 24 auf einem für die Anwendung geeigneten Niveau, z.B. 60V-400V oder mehr, vorhanden ist, wird invertiert, um eine Wechselstrom-Wellenform durch Schaltsteuerung von Halbleiterschaltern (nicht abgebildet) zu erzeugen, die sich innerhalb des TPIM 18 befinden, wie es von denjenigen mit gewöhnlichen Fertigkeiten in der Kunst geschätzt wird. Als Ergebnis dieser schnellen Schaltsteuerung wird eine Wechselspannung (VAC) auf dem Wechselspannungsbus 20 bereitgestellt. Einige Ausführungsformen des elektrischen Antriebsstrangs 12 können auch ein Hilfsversorgungsmodul (APM) 26 enthalten, das an den Gleichspannungsbus 24 und an eine Hilfsbatterie (B_AUX) 22A angeschlossen ist. Das APM 26 kann als DC-DC-Spannungswandler eingerichtet werden, der so eingerichtet und gesteuert wird, dass er den auf dem DC-Spannungsbus 24 vorhandenen Spannungspegel auf Hilfsspannungspegel (V_AUX) reduziert, z.B. 12-15V in einer typischen Kraftfahrzeugausführungsform der mobilen Plattform 10.
Die Steuerung 50 aus 1 ist in Software programmiert und über ausreichende Hardware eingerichtet, um den laufenden Drehmoment- und Drehzahlbetrieb der elektrischen Maschine 16 zu regeln. Zu diesem Zweck ist die Steuerung 50 mit einem Prozessor (P) und ausreichend Speicher (M) ausgestattet, einschließlich eines greifbaren, nichtflüchtigen Speichers, wie z.B. ein Nur-LeseSpeicher, z.B. ein optischer, magnetischer und/oder Flash-Speicher. Die Steuerung 50 enthält auch anwendungsgerechte Mengen an Speicher mit wahlfreiem Zugriff, elektrisch löschbaren, programmierbaren Festwertspeicher und dergleichen sowie einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog-Digital- und Digital-Analog-Schaltkreise, Ein-/Ausgabeschaltkreise und Bausteine sowie geeignete Signalkonditionierungs- und Pufferschaltkreise.
Motorsteuerungsroutinen werden von der Steuerung 50 als Reaktion auf den Empfang von Eingangssignalen (Pfeil CCI) von verschiedenen Sensoren und/oder vernetzten Steuermodulen durch die Steuerung 50 ausgeführt, einschließlich der oben erwähnten unmodulierten Drehpositionssignale, θ₁₆, wie sie von der Positionssensorbaugruppe 25 gemessen und ausgegeben werden. Die Eingangssignale (Pfeil CC_I) können zusätzlich andere Motorregelparameter enthalten, z.B. Temperatur und Direktachsen- (d-Achse) und Quadraturachsen- (q-Achse) Befehle, wie sie von gewöhnlichen Fachleuten geschätzt werden. Die Steuerung 50 erzeugt schließlich Ausgangssignale (Pfeil CCo), die zur Steuerung des Betriebs der elektrischen Maschine 16 verwendet werden, z.B. deren Drehmoment und/oder Drehzahl.
Unter kurzer Bezugnahme auf 2 sind ein Sensorrotor 28 und ein Sensorstator 32 der induktiven Positionssensorbaugruppe 25 aus 1, 3 und 4 schematisch in Draufsicht dargestellt, um die allgemeine Funktionsweise der Positionssensorbaugruppe 25 zu veranschaulichen. In einer tatsächlichen Ausführung der Positionssensorbaugruppe 25 würden sich der Sensorrotor 28 und der Sensorstator 32 direkt überlappen, wie durch den Pfeil BB angezeigt wird, und zwar übereinander, so dass der Sensorrotor 28 und der Sensorstator 32 koaxial entlang einer gemeinsamen Drehachse AA des in 1 dargestellten Maschinenrotors 16R ausgerichtet sind. Im Gegensatz zu Resolvern, die auf dem Reluktanzprinzip und der Anregung im Bereich von 4-10kHz beruhen, um ein moduliertes Sinus/Cosinus-Datenpaar zu erzeugen, wie oben erwähnt, verwendet ein induktiver Sensor stattdessen eine höherfrequente Anregung von etwa 4MHz und verlässt sich auf das Wirbelstromprinzip, um die in 1 gezeigten unmodulierten Drehpositionssignale (Pfeil θ₁₆) zu erzeugen.
In einer Beispielkonfiguration kann der Sensorrotor 28 aus einem festen, leitfähigen Material, z.B. Stahl, Kupfer oder Aluminium, oder aus einem anderen Material mit mindestens einem für die Anwendung ausreichenden Mindestleitfähigkeitsgrad bestehen. Der Sensorrotor 28, der in die Struktur des Maschinenrotors 16R integriert werden kann, wie unten mit Bezug auf 3 und 4 beschrieben, enthält mehrere gleich beabstandete Rotorkeulen 30. Jede Rotorkeule 30 ist mit einer ringförmigen Rotornabe 29 verbunden oder einstückig mit dieser ausgebildet, wobei die Rotorkeulen 30 radial von einer ringförmigen Rotornabe 29 vorstehen. Die Anzahl der Rotorkeulen 30 entspricht der Anzahl der Magnetpolpaare des Maschinenrotors 16R, wobei die in 2 dargestellte Anzahl der Keulen 30 repräsentativ für die vorliegenden Lehren ist und keine Begrenzung darstellt.
In einer induktiven Ausführung der Positionssensorbaugruppe 25 enthält die Sensorbaugruppe 25 eine Leiterplatte oder PCB 26 mit einer Hauptoberfläche 260, die mit Leiterbahnen 33 und 34, z.B. dünnen Kupferbahnen, geätzt ist. Die Leiterbahnen 33 und 34 bilden jeweils Sinus- (SIN) und Cosinus- (COS) Signalbahnen des Sensorstators 32. Obwohl der Einfachheit halber weggelassen, enthalten der Sensor-Stator 32 und/oder die Steuerung 50 auch einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) und/oder eine geeignete Steuerlogik zur Erzeugung von Sensor-Anregungssignalen und zur Verarbeitung der unmodulierten Drehpositionssignale (Pfeil θ₁₆) während der laufenden Drehung des Sensor-Rotors 28 in Bezug auf die Leiterbahnen 33 und 34. Die unmodulierten Drehstellungssignale (Pfeil θ₁₆) von 1 sind somit indikativ für die momentane Winkelposition des Maschinenrotors 16R.
Unter Bezugnahme auf 3 und 4, als Teil des vorliegenden Ansatzes, können die in 2 schematisch dargestellten Rotorkeulen 30 in die Struktur des Maschinenrotors 16R integriert werden. Zum Beispiel kann eine ringförmige Endkappe 40 neben einem zylindrischen Rotorpaket 216 des Maschinenrotors 16R positioniert werden, wobei das Rotorpaket 216 aus einer anwendungsgerechten Anzahl von dünnen Stahlblechen konstruiert ist, wie sie von denjenigen mit gewöhnlichem handwerklichen Geschick geschätzt wird. Die Endkappe 40, die aus nichtmagnetischen Materialien hergestellt sein kann, definiert in einigen Ausführungsformen die oben beschriebenen Keulen 30, wobei die Gesamtzahl dieser Keulen 30 der Anzahl der Magnetpolpaare des Maschinenrotors 16R entspricht. Eine vereinfachte, nicht begrenzende 8-polige Ausführung des Maschinenrotors 16R ist in 3 und 4 dargestellt, in der die ringförmige Endkappe 40 mit vier der Drehkolben 30 einstückig ausgebildet ist. In einer möglichen Ausführungsform kann jeder der Keulen 30 eine Dicke (T) entlang der Drehachse AA von mindestens etwa 0,5 mm haben, z.B. mindestens 3-5 mm in einigen Ausführungsformen, und somit weisen die Keulen 30 in axialer Seitenansicht ein niedriges Profil auf. Zusätzlich wären die Keulen 30 mit einer solchen Dicke dick genug, dass ein Wirbelstrom auf einer Oberfläche des Keulens 30 entsteht, aber nicht so dick, dass eine unerwünschte Menge an Gewicht und Masse hinzukommt.
4 ist eine Explosionsdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform der PositionssensorBaugruppe 25 aus 3 einschließlich der oben beschriebenen Endkappe 40. Die Positionssensorbaugruppe 25, der Maschinenrotor 16R und der Sensorstator 32 sind koaxial entlang der Drehachse AA ausgerichtet. Eine Rotorwelle 160 des Maschinenrotors 16R ist ebenfalls entlang der Drehachse AA angeordnet, wobei die Endkappe 40 und ein Maschinenrotor 16R mit der Rotorwelle 160 verkeilt sind, um sich zusammen mit dieser zu drehen, wenn die rotierende elektrische Maschine 16 aus 1 durch das TPIM 18 und den Batteriepack 22 mit Strom versorgt wird. Die gesamte Positionssensorbaugruppe 25 kann durch einen Satz gegenüberliegend angeordneter Lager 44A und 44B drehbar gelagert werden, wobei ein ringförmiger Adapterring 42 möglicherweise in der Nähe der Lager 44B in einigen Konfigurationen verwendet wird, um die erforderliche Toleranz und Passung zu gewährleisten. Die Integration der Keulen 30 in die in 3 und 4 gezeigte Endkappe 40 soll verschiedene Vorteile bieten, einschließlich, aber nicht notwendigerweise beschränkt auf eine geringere Anzahl von Teilen, eine erhöhte Robustheit des Sensors und eine vereinfachte Integration in die rotierende elektrische Maschine 16.
Damit die oben beschriebene Positionssensorbaugruppe 25 aus 4 im elektrischen Antriebsstrang 12 aus 1 eingesetzt werden kann, wird die Sensorbaugruppe 25 zunächst richtig auf den Maschinenrotor 16R und den Maschinenstator 16S ausgerichtet. Eine solche Ausrichtung, wie sie hier verwendet wird, kann das Ausrichten des Sensorstators 32 auf die magnetische Achse des Maschinenstators 16S („Stator-Stator-Ausrichtung“), das Ausrichten des Sensorrotors 28 auf die d-Achse eines Südpols des Maschinenrotors 16R („Rotor-Rotor-Ausrichtung“) und möglicherweise das Ausrichten eines Rotorkeils 55 (siehe 6) auf die Rotorkeule 30 umfassen. Eine solche Ausrichtung ermöglicht die Festlegung eines kalibrierten Referenzwinkels, der von der Steuerung 50 bei der Festlegung einer genauen laufenden Regelung der elektrischen Maschine 16 von 1 verwendet wird.
Die korrekte Ausrichtung der Positionssensorbaugruppe 25 wird hier als Teil einer anfänglichen Sensorkalibrierung verwendet, um einen kalibrierten Referenzwinkel des Maschinenrotors 16R festzulegen, wobei der kalibrierte Referenzwinkel danach von der Steuerung 50 aus 1 verwendet wird, um einen Drehmoment- und/oder Drehzahlbetrieb der elektrischen Maschine 16 zu regeln. Wie zu schätzen ist, führt die Einbeziehung der Sensorbaugruppe 25 als Bestandteil des Maschinenrotors 16R der elektrischen Maschine 16 aus 1, ohne dass auch die offenbarte Ausrichtung von 5 und 6 durchgeführt wird, zu einem zufälligen Referenzwinkel und infolgedessen zu einer verminderten Genauigkeit. In Ermangelung der gegenwärtigen Lehren würde die Steuerung 50 daher die Anwendung einer Offset-Lernroutine erfordern, um einen Anschein von Regelgenauigkeit zu erreichen. Die vorliegende Methodik zur Ausrichtung der PositionssensorBaugruppe 25 auf die elektrische Maschine 16 soll daher die Notwendigkeit eines solchen Offset-Lernens beseitigen, den gesamten Kalibrierungsaufwand vereinfachen und die Regelgenauigkeit verbessern.
In Bezug auf 5 ist der Sensor-Stator 32 so dargestellt, wie er aussehen würde, wenn er richtig auf die Drehachse AA ausgerichtet wäre und wenn er vom Maschinen-Stator 16S umgeben oder umschrieben wäre. Während der Maschinenstator 16S einen Zylinder bildet, der den Sensorstator 32 und die Drehachse AA vollständig umgibt, ist der Einfachheit halber eine radial obere Hälfte des Maschinenstators 16S dargestellt, wobei die Statorwicklungen 16W in den Statornuten 17 angeordnet oder gewickelt sind. Wie oben mit Bezug auf 2 erläutert, enthält der Sensor-Stator 32 die entsprechenden Sinus- und Cosinusbahnen 33 und 34 sowie einen ASIC (nicht dargestellt) zur Erzeugung eines geeigneten Anregungssignals. Die Bahnen 33 und 34 folgen einem vorgegebenen Muster, wobei die Anzahl der Zyklen mit der Anzahl der Polpaare der rotierenden elektrischen Maschine 16 übereinstimmt, wie oben erwähnt. Wie zu schätzen ist, haben die Sinus- und Cosinus-Bahnen 33 und 34 entsprechende Spitzen 37 und 39 und Täler 137 und 139. Unter Verwendung des vorliegenden Ansatzes wird einer der Spitzen 37 der Sinusbahnen 33 mit der magnetischen Achse einer vorbestimmten elektrischen Phase des Maschinenstators 16S ausgerichtet und halbiert, z.B. der Phase A (ϕ_A) von in einer dreiphasigen Ausführungsform der elektrischen Maschine 16 unter Verwendung der Nennphasen A, B und C.
6 zeigt den Maschinenrotor 16R der elektrischen Maschine 16. Wie beim Maschinenstator 16S von 5 ist der Einfachheit halber die obere Hälfte des Maschinenrotors 16R dargestellt. Wenn die rotierende elektrische Maschine 16 als Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) ausgeführt ist, sind Sätze von Innenrotor-Magneten 52 in gleichem Abstand um den Umfang des Maschinenrotors 16R angeordnet, z.B. in der dargestellten V-Konfiguration, in der die V-Winkel der Magnete 52 sich zu einer äußeren Durchmesserfläche 160 des Maschinenrotors 16R hin öffnen. Sätze solcher Rotormagnete 52 sind so angeordnet, dass sie abwechselnd Nord-Süd-Rotorpole bilden, wobei die Nord- und Südpole zur Verdeutlichung mit N bzw. S abgekürzt sind.
Um den Sensorrotor 28 mit dem Maschinenrotor 16R auszurichten, wird eine Kante 30E einer der Keulen 30 und möglicherweise eines Rotorkeils 55 mit der d-Achse eines Südpols des Maschinenrotors 16R ausgerichtet. Das heißt, die d-Achse und die Kante 30E sind koaxial und überlappen einander direkt. Wie in 3 am besten dargestellt, können die Keulen 30 des Sensorrotors 28 in den Maschinenrotor 16R integriert werden, z.B. in die Endkappe 40, und daher verwendet der abgebildete Sensorrotor 28 von 6 die schematische Darstellung von 2 zur Veranschaulichung der vorliegenden Lehre.
Im Hinblick auf die vorstehende Offenbarung wird eine Methode zur Montage der Positionssensorbaugruppe 25 für die rotierende elektrische Maschine 16 von 1 ermöglicht. Eine mögliche Umsetzung umfasst die Bereitstellung des Sensorstators 32 mit der Leiterplatte 29 aus 5 mit den elektrisch leitenden Sinus- und Cosinusbahnen 33 und 34, die auf einer Hauptfläche 26 davon ausgebildet sind, und die Bereitstellung der ringförmigen Endkappe 40 aus 3, d.h. mit einer Vielzahl von Keulen 30, deren Anzahl gleich einer Anzahl von Polpaaren des Maschinenrotors 16R ist. Das Verfahren kann das Verbinden des Sensorstators 32 mit dem Maschinenstator 16S mit einer vorbestimmten Stator-Stator-Ausrichtung sowie das Verbinden der ringförmigen Endkappe 40 mit dem Maschinenrotor 16R mit einer vorbestimmten Rotor-Rotor-Ausrichtung umfassen. Als Reaktion auf die Drehung des Maschinenrotors 16R und eine daraus resultierende Drehung der Keulen 30 in Bezug auf die Sinus- und Cosinusbahnen 33 und 34 beinhaltet das Verfahren die Erzeugung und Ausgabe eines unmodulierten Sinus/Cosinus-Datenpaares an die Steuerung 50, wobei ein solches Datenpaar durch den Pfeil θ₁₆ in 1 angezeigt wird.
Das Anschließen des Sensorstators 32 an den Maschinenstator 16S mit der oben erwähnten vorbestimmten Stator-Stator-Ausrichtung kann das Ausrichten einer magnetischen Achse einer vorbestimmten elektrischen Phase der Maschine 16 mit einer Spitze 37 der Sinusbahn 33 umfassen, wie in 5 dargestellt. Das Verbinden der ringförmigen Endkappe 40 mit dem Maschinenrotor 16R mit der vorbestimmten Rotor-Rotor-Ausrichtung kann das Ausrichten der d-Achse des Maschinenrotors 16R mit einer Kante 30E einer der Keulen 30 umfassen, wie in 6 dargestellt. Während die Integration der Drehkolben 30 in den Maschinenrotor 16R, wie oben erwähnt, gewisse Leistungsvorteile bietet, sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen die Drehkolben 30 nicht in den Maschinenrotor 16R integriert sind. In solchen Ausführungsformen kann die vorgegebene Rotor-Rotor-Ausrichtung die Ausrichtung der d-Achse mit einer Kante des in 6 dargestellten Rotorkeils 55 nach sich ziehen.
Als Reaktion auf den Empfang des unmodulierten Sinus/Cosinus-Datenpaares durch die Steuerung 50 umfasst das Verfahren das Festlegen eines kalibrierten Referenzwinkels des Maschinenrotors 16R unter Verwendung der unmodulierten Drehpositionssignale (Pfeil θ₁₆) von der Sensorbaugruppe 25 und danach das Steuern eines Betriebs der elektrischen Maschine 16 unter Verwendung des kalibrierten Referenzwinkels. Wie oben angemerkt, kann das Verfahren den Anschluss des Maschinenrotors 16R an eine angetriebene Last, z.B. eines oder mehrere der in 1 gezeigten Laufräder 14, und dann das Antreiben der angetriebenen Last unter Verwendung des Ausgangsdrehmoments (Pfeil To) von der elektrischen Maschine 16 umfassen. Wenn die Sensorbaugruppe 25 wie oben beschrieben konstruiert ist, wird das Sinussignal, das von der Sensorbaugruppe 25 ausgegeben wird, mit der gegenelektromotorischen Kraft/Rück-EMK einer bestimmten elektrischen Phase, z.B. Phase A, ausgerichtet, um eine kalibrierte Referenz zur Verwendung durch die Steuerung 50 bereitzustellen.
Während einige der bevorzugten Ausführungsformen und andere Ausführungsformen ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen für die Ausübung der in den beigefügten Ansprüchen definierten gegenwärtigen Lehren. Diejenigen, die sich in der Kunst auskennen, werden erkennen, dass Änderungen an den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus schließen die vorliegenden Konzepte ausdrücklich Kombinationen und Unterkombinationen der beschriebenen Elemente und Merkmale ein. Die detaillierte Beschreibung und die Figuren sind unterstützend und beschreibend für die vorliegenden Lehren, wobei der Geltungsbereich der vorliegenden Lehren allein durch die Ansprüche definiert wird.

Claims

Eine rotierende elektrische Maschine, umfassend: einen Maschinenstator; einen Maschinenrotor, der von dem Maschinenstator umschrieben wird und eine Rotorwelle, einen Rotorstapel und eine ringförmige Endkappe aufweist, die gemeinsam so eingerichtet sind, dass sie sich um eine Drehachse drehen, wobei die Endkappe eine Vielzahl von Keulen aufweist, deren Anzahl gleich einer Anzahl von Magnetpolpaaren des Maschinenrotors ist; und eine Positionssensorbaugruppe, die eine vorbestimmte Ausrichtung mit dem Maschinenrotor und eine vorbestimmte Ausrichtung mit dem Maschinenstator aufweist, wobei die Sensorbaugruppe umfasst: einem Sensorrotor, der durch die Vielzahl von Keulen gebildet wird; und einen Sensorstator mit einer Leiterplatte mit einer Hauptoberfläche und mit elektrisch leitenden Sinus- und Cosinusbahnen , die auf der Hauptoberfläche ausgebildet sind; wobei die Sensorbaugruppe so eingerichtet ist, dass sie in Reaktion auf die Drehung des Maschinenrotors und eine resultierende Drehung der Keulen in Bezug auf die Sinus- und Cosinusbahnen unmodulierte Sinus- und Cosinussignale erzeugt und an eine Steuerung ausgibt, und wobei die vorbestimmte Ausrichtung mit dem Maschinenrotor und die vorbestimmte Ausrichtung mit dem Maschinenstator zusammen das unmodulierte Sinussignal mit einer gegenelektromotorischen Kraft einer vorbestimmten elektrischen Phase des Maschinenstators ausrichten.
Die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Maschinenrotor Permanentmagnete enthält, die abwechselnd in Nordpol- und Südpol-Ausrichtung um einen Umfang des Maschinenrotors herum angeordnet sind, und wobei die elektrische Maschine ein Permanentmagnet-Synchronmotor ist.
Die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die rotierende elektrische Maschine ein mehrphasiger/wechselstrombetriebener elektrischer Fahrmotor ist und die Sinus- und Cosinusbahnen entsprechende Spitzen und Täler aufweisen und wobei in der vorbestimmten Ausrichtung mit dem Maschinenstator eine magnetische Achse einer vorbestimmten elektrischen Phase des elektrischen Fahrmotors mit einer Spitze der Sinusspur ausgerichtet ist und diese halbiert.
Die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei in der vorbestimmten Ausrichtung mit dem Maschinenrotor eine direkte Achse (d-Achse) des Maschinenrotors koaxial mit einer Kante eines der Drehkolben ausgerichtet ist.
Die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, bei der die Positionssensorbaugruppe eine induktive Positionssensorbaugruppe ist.
Ein elektrischer Antriebsstrang, umfassend: eine Steuerung; einen Batteriepack; ein Traktionsstromrichter-Modul, TPIM, das mit dem Batteriepack verbunden ist; eine elektrische Mehrphasen-Wechselstrom-Rotationsmaschine, die elektrisch mit dem TPIM verbunden ist, wobei die elektrische Maschine umfasst: einen Maschinenstator; einen Maschinenrotor, der mit einer angetriebenen Last verbunden ist, die von dem Maschinenstator umschrieben wird, und der eine Rotorwelle, einen Rotorstapel und eine ringförmige Endkappe aufweist, die gemeinsam so eingerichtet sind, dass sie sich um eine Drehachse drehen, wobei die Endkappe eine Vielzahl von Keulen aufweist, deren Anzahl gleich einer Anzahl von Magnetpolpaaren des Maschinenrotors ist; und eine induktive Positionssensorbaugruppe, die eine vorbestimmte Ausrichtung mit dem Maschinenrotor und eine vorbestimmte Ausrichtung mit dem Maschinenstator aufweist, wobei die Sensorbaugruppe enthält: einem Sensorrotor, der von den Drehkolben gebildet wird; und einen Sensorstator mit einer Leiterplatte mit einer Hauptoberfläche und elektrisch leitfähigen Sinus- und Cosinusbahnen, die auf der Hauptoberfläche ausgebildet sind, wobei der Sensorstator mit dem Steuerung in Verbindung steht; wobei die Sensorbaugruppe so eingerichtet ist, dass sie in Reaktion auf die Drehung des Maschinenrotors und die daraus resultierende Drehung der Keulen in Bezug auf die Sinus- und Cosinusbahnen unmodulierte Sinus- und Cosinussignale erzeugt und ausgibt, wobei die vorbestimmte Ausrichtung mit dem Maschinenrotor und die vorbestimmte Ausrichtung mit dem Maschinenstator zusammen das unmodulierte Sinussignal mit einer gegenelektromotorischen Kraft einer vorbestimmten elektrischen Phase des Maschinenstators ausrichten, und wobei die Steuerung so eingerichtet ist, dass sie einen kalibrierten Referenzwinkel des Maschinenrotors unter Verwendung der unmodulierten Sinus- und Cosinussignale festlegt und danach einen Betrieb der elektrischen Maschine unter Verwendung des kalibrierten Referenzwinkels steuert.
Der elektrische Antriebsstrang nach Anspruch 6, wobei der Maschinenrotor eine Vielzahl von Permanentmagneten enthält, die abwechselnd in Nordpol- und Südpolausrichtung um einen Umfang des Maschinenrotors herum angeordnet sind, und wobei die elektrische Maschine ein Permanentmagnet-Synchronmotor ist.
Der elektrische Antriebsstrang nach Anspruch 6, wobei die rotierende elektrische Maschine ein mehrphasiger/wechselstrombetriebener elektrischer Traktionsmotor ist und die Sinus- und Cosinusbahnen entsprechende Spitzen und Täler aufweisen und wobei in der vorbestimmten Ausrichtung mit dem Maschinenstator eine magnetische Achse der vorbestimmten elektrischen Phase des elektrischen Traktionsmotors mit einer Spitze der Sinusspur ausgerichtet ist und diese halbiert.
Der elektrische Antriebsstrang nach Anspruch 8, wobei in der vorgegebenen Ausrichtung mit dem Maschinenrotor eine direkte Achse, d-Achse, des Maschinenrotors koaxial mit einer Kante eines der Keulen ausgerichtet ist.
Der elektrische Antriebsstrang nach Anspruch 8, wobei der Maschinenrotor mit einer Last verbunden ist und der Betrieb der elektrischen Maschine die Steuerung eines Ausgangsdrehmoments umfasst, das von der elektrischen Maschine an die Last abgegeben wird.