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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit Positionserfassung, aufweisend ein mit einem stirnseitigen Ende eines Rotors des Elektromotors verbundenes magnetisches Positionsgabemittel und eine magnetometrische Sensoreinheit. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors sowie eine Antriebseinheit für ein verstellbares Fahrzeugteil.
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Für den Betrieb von Elektromotoren ist es von zentraler Bedeutung, die am Abtrieb ausgegebene Drehzahl sowie die Richtung der ausgegebenen Rotation zu erfassen. Anhand dieser Informationen kann dann der Motor gesteuert werden, insbesondere um beim Verstellen eines Bauteils mithilfe des Motors eine bestimmte Position oder Lage zu erreichen.
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1 zeigt schematisch denjenigen Teil eines herkömmlichen Elektromotors, in welchem eine Positionserfassung seines Rotors und damit seiner Abtriebswelle stattfindet. Zum Ermitteln der Position des Rotors des Elektromotors dient beim dargestellten Stand der Technik eines entsprechenden Elektromotors eine Hall-Sensor-Anordnung, die im Falle von bürstenlosen Gleichstrommotoren (brushless direct current, BLDC-Motoren) typischerweise drei Hall-Sensoren umfasst, von denen in 1 ein Sensor 10 dargestellt ist. Der Sensor 10 ist auf derjenigen Seite einer fest mit dem Getriebegehäuse 12 des Elektromotors verbundenen Schaltungsplatine 13 angeordnet, die zum Rotor 14 des Motors weist. Auf dem Rotor 14 sitzt ein fest mit diesem verbundener Multipol-Ringmagnet 11 als Positionsgabemittel für den Sensor 10. Um den Multipol-Ringmagneten 11 herum sind die drei Sensoren 10 angeordnet, wobei benachbarte Sensoren 10 mit der Rotorachse insbesondere einen genau definierten Winkel einschließen.
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Diese herkömmliche Art der Positionsermittlung für die Abtriebswelle von Elektromotoren ist unter anderem mit den folgenden Nachteilen behaftet:
- - Um die für die Positionserfassung durch Hall-Sensoren erforderliche Feldstärke zu gewährleisten werden Neodym-Ringmagnete und im Fall der BLDG-Motorsteuerung drei Sensoren benötigt.
- - Wenn der Elektromotor zum Antrieb von Fahrzeugkomponenten, wie etwa Schiebdächern, verwendet wird, ist eine hohe Betriebsgeschwindigkeit erforderlich. Entsprechend viele Umdrehungen werden pro Zeiteinheit detektiert, etwa bei 8000 Umdrehungen pro Minute je 16 zu verarbeitende Impulse pro Umdrehung bei einem vierpoligen Ringmagneten, sodass ein Mikrocontroller zur Motorsteuerung über eine große Reservekapazität verfügen muss, um die Motorpositionen in kürzeren Zeitabständen auszuwerten.
- - Die große Zahl der benötigten Komponenten führt zu einer Erhöhung der Produktions- und Qualitätskomplexität, da der Elektromotor beim Einsatz im Fahrzeugen, vor allem der BLDG-Motor geringe Toleranzen benötigt, um die erwünschten niedrigen Schallpegel zu erreichen.
- - Höhere Kosten ergeben sich ferner durch die aufwendigen Prozesse für die Montage der zusätzliche Komponenten. Insbesondere müssen die Sensoren sehr genau relativ zum Ringmagneten beziehungsweise zu dessen Rotationsachse montiert werden, um korrekte Messwerte zu erhalten. Die so bedingten niedrigen Toleranzen bei der Leiterplattenbestückung sowie gegebenenfalls der Anordnung mehrerer Leiterplatten relativ zueinander führen zu einem entsprechend erhöhten Arbeits- und Kostenaufwand.
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Aus der
WO 03/008747 A1 ist eine Getriebe-Antriebseinheit bekannt, bei der eine Drehzahlerfassung erfolgt, indem ein mindestens 2-poliger Magnet als Positionsgeber an einer freien Stirnseite eines Sensorrads angeordnet wird, das mit einem Abtriebsrad der Antriebseinheit kämmt. Mittels eines Hallsensors wird dann die Drehzahl erfasst.
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Es besteht ein Bedarf an einem Elektromotor mit Positionserfassung, der mit geringerem Fertigungs- und Kostenaufwand eine besonders gute Positionsermittlung des Rotors beziehungsweise der Abtriebswelle des Elektromotors gewähreistet. Ferner soll auch der Bauraum für die Positionserfassung möglichst effizient ausgenutzt werden.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Elektromotor mit Positionserfassung sowie ein Verfahren zu seinem Betrieb bereitzustellen, die mit geringerem Aufwand eine besonders gute Positionsermittlung des Rotors beziehungsweise einer Abtriebswelle des Elektromotors gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird durch einen Elektromotor der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben des Elektromotors mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und eine Antriebseinheit für ein verstellbares Fahrzeugteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor mit Positionserfassung weist ein mit einem stirnseitigen Ende eines Rotors des Elektromotors verbundenes magnetisches Positionsgabemittel und eine magnetometrische Sensoreinheit auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die magnetometrische Sensoreinheit ein erstes und ein zweites Sensorelement umfasst, wobei das erste und das zweite Sensorelement dazu eingerichtet sind, einen magnetischen Fluss in jeweils verschiedene Richtungen zu erfassen. Anhand des erfassten magnetischen Flusses sind eine Rotationsgeschwindigkeit und eine Rotationsrichtung einer Rotation des Rotors bestimmbar. Dabei ist das magnetische Positionsgabemittel insbesondere rotationsfest mit dem Rotor verbunden.
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Die Positionserfassung kann dadurch vorteilhafterweise besonders einfach erfolgen. Bei der Montage des Elektromotors ist zudem vorteilhafterweise die exakte Positionierung der Sensoren von geringerer Bedeutung als bei Motoren gemäß dem Stand der Technik, da sich die Fertigungstoleranzen weniger kritisch auf die erfassten Parameter auswirken.
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Insbesondere wird der vom ersten beziehungsweise zweiten Sensorelement erfasste magnetische Fluss durch das magnetische Positionsgabemittel erzeugt. Das magnetische Positionsgabemittel kann beispielsweise eine diametral magnetisierte Magnetscheibe umfassen, die beispielsweise aus einem Ferrit-Magnet-Material oder als Neodym-Magnet ausgebildet sein kann. Diese ist insbesondere an einem stirnseitigen Ende eines Rotors des Elektromotors angeordnet. Dadurch ist es bei der Erfindung nicht nötig, einen den Rotor umschließenden Ringmagneten vorzusehen. Die Magnetscheibe kann insbesondere zweipolig ausgebildet sein.
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Mit der Erfindung werden unter anderem die folgenden Vorteile erreicht:
- - eine Reduzierung der Anzahl der Komponenten;
- - magnetisierte Magnetscheiben sind im Handel vergleichsweise günstiger verfügbar als die üblicherweise verwendeten Ringmagnete;
- - die Montagetoleranz für die Positionserfassung, insbesondere für die Positionierung der Sensorelemente, ist weniger eng als beim Stand der Technik;
- - mit lediglich zwei Magnetpolen, einem magnetischen Nordpol und einem magnetischen Südpol, kann die Rotorposition genauso gut erfasst werden wie mit einem Multipol-Magnetring;
- - durch die magnetisierte Magnetscheibe, die insbesondere zweipolig magnetisiert ist, wird kein so hoher Reserve-Speicherplatz des Mikrocontrollers für die Positionsdatenverarbeitung wie im Fall des Standes der Technik mit einem Multipol-Magnetring benötigt.
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Zugunsten einer einfachen Montage kann das magnetische Positionsgabemittel, insbesondere die Magnetscheibe, an das stirnseitige Ende des Rotors geklebt sein. Insbesondere ist das magnetische Positionsgabemittel an demjenigen Ende des Rotors angeordnet, an dem sich eine Ausgabeseite des Elektromotors befindet.
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Die Sensorelemente können den magnetischen Fluss erfassen, indem beispielsweise ein zum magnetischen Fluss entlang einer Richtung proportionales Signal ausgeben wird. Ferner können die Sensorelemente eine Veränderung des magnetischen Flusses erfassen.
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Die Sensoreinheit umfasst insbesondere genau zwei Sensorelemente beziehungsweise die Positionserfassung erfolgt mittels der Signale des ersten und des zweiten Sensorelements.
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Zum Bestimmen der Rotationsgeschwindigkeit und -richtung des Rotors können die Sensorelemente mit einer Auswertungseinheit gekoppelt sein, welche die von den Sensorelementen erfassten Sensorsignale empfängt und die Rotationsgeschwindigkeit und Rotationsrichtung bereitstellt.
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Zur präzisen Positionserfassung mittels des magnetischen Positionsgabemittels, insbesondere der diametral magnetisierten Magnetscheibe mit einem magnetischen Südpol und einem magnetischen Nordpol, sind das erste und zweite Sensorelement als Hall-Sensoren ausgebildet.
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Das erste und das zweite Sensorelement erfassen den magnetischen Fluss entlang einer ersten beziehungsweise zweiten Richtung. Das heißt, die Richtungen verlaufen nicht parallel; sie können insbesondere senkrecht zueinander verlaufen. Insbesondere sind die Sensorelemente schräg oder senkrecht zueinander ausgerichtet, um den magnetischen Fluss in verschiedene Richtungen zu erfassen. Zum Beispiel sind die Sensorelemente nahe beieinander angeordnet und in zueinander senkrechte Richtungen ausgerichtet.
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Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind die Hall-Sensoren als ratiometrische lineare Hall-Sensoren ausgebildet. Bei der Erfassung erfolgt die Messwertaufnahme insbesondere beim Einsatz der Sensoren in Kombination mit A/D-Wandlern, um Störeinflüsse bei der Messwertaufnahme zu reduzieren. Bei einer Rotation des Rotors mit dem Positionsgabemittel verändert sich der magnetische Fluss entlang der beiden Richtungen, wie er von den beiden Sensorelementen erfasst wird. Insbesondere werden zeitlich veränderliche, gegebenenfalls periodisch verlaufende Signale durch die Sensorelemente erfasst. Aus dem Verhältnis der Signale, etwa anhand ihrer Amplitude und/oder einer Phasenverschiebung, werden Parameter einer Rotation des Rotors bestimmt.
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Bei einer Rotation mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ergibt sich insbesondere ein Sinus-förmiger Verlauf der gemessenen Signale. Anhand des gemessenen Signalverlaufs, insbesondere anhand einer Frequenz eines gemessenen Sinus-Signals, wird die Rotationsfrequenz bestimmt, etwa durch eine mit der Sensoreinheit gekoppelte Auswertungseinheit.
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Die Messungen des magnetischen Flusses erfolgen mit einer Phasenverschiebung zwischen den beiden Sensorelementen, insbesondere bedingt durch die Abweichung der ersten von der zweiten Richtung beziehungsweise durch einen räumlichen Abstand der Sensorelemente zueinander. Anhand der Phasenverschiebung kann dann die Rotationsrichtung bestimmt werden. Auch dies erfolgt insbesondere durch die Auswertungseinheit.
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Es kann vorgesehen sein, dass zur Auswertung der erfassten Daten Kalibrationsdaten verwendet werden, die etwa in einem Kalibrationsschritt für den Elektromotor bestimmt und beispielsweise gespeichert und der Auswertungseinheit bereitgestellt werden.
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Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung umfasst der Rotor eine Schneckenwelle, durch die ein Schneckenrad des Motors antreibbar ist. Dadurch kann vorteilhafterweise ein besonders einfacher und robuster Antrieb realisiert werden.
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In diesem Fall kann der magnetische Positionsgeber beispielsweise an einem stirnseitigen Ende der Schneckenwelle angeordnet sein. Die Schneckenwelle kann als Abtriebswelle fungieren, wobei in diesem Fall vorteilhafterweise als Messergebnis direkt die Umdrehungszahl und -richtung der ausgegebenen Motordrehungen erhalten wird, insbesondere ohne zusätzliche Umrechnungsfaktoren durch die Übertragung auf andere Elemente einer Motor- oder Getriebeanordnung. Die Erfassung wird dadurch weiter vereinfacht und robuster ausgestaltet.
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Bei einer Weiterbildung sind das erste und das zweite Sensorelement auf einer gemeinsamen Leiterplatine angeordnet, die an einem Getriebegehäuse des Elektromotors befestigt ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors mit Positionserfassung umfasst der Elektromotor einen Rotor und ein mit dem Rotor verbundenes magnetisches Positionsgabemittel. Es werden ein erster und ein zweiter magnetischer Fluss in jeweils verschiedene Richtungen erfasst und die Rotationsgeschwindigkeit und Rotationsrichtung einer Rotation des Rotors werden bestimmt.
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Das Verfahren ist insbesondere geeignet, den erfindungsgemäßen Elektromotor zu betreiben. Es weist daher dieselben Vorteile auf wie der erfindungsgemäße Elektromotor.
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Bei dem Verfahren kann eine ratiometrische Verarbeitung der von Sensorelementen erfassten Signale betreffend den magnetischen Fluss vorgesehen sein. Bei einer Ausbildung des Verfahrens wird anhand einer Phasenverschiebung des ersten und zweiten magnetischen Flusses eine Rotationsrichtung bestimmt. Dadurch können die erfassten Signale vorteilhafterweise besonders einfach ausgewertet werden.
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Die erfindungsgemäße Antriebseinheit für ein verstellbares Fahrzeugteil, insbesondere ein Sonnendach, ein Schiebedach oder eine Sonnenschutzeinrichtung, umfasst einen Elektromotor gemäß der vorliegenden Beschreibung.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine herkömmliche Anordnung zur Positionsermittlung des Rotors eines Elektromotors mithilfe eines mehrpoligen Ringmagneten;
- 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elektromotors;
- 3 eine Detailansicht des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Elektromotors; und
- 4 eine Detailansicht der diametral magnetisierten Magnetscheibe gemäß dem Ausführungsbeispiel.
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Die in 1 gezeigte Anordnung ist einleitend in Bezug auf den Stand der Technik erläutert. Die Position des Rotors beziehungsweise seine Rotation wird mittels einer Anordnung von Sensoren 10 gemessen, die in genau definierten Winkeln relativ zur Achse des Rotors 14 und des Multipol-Ringmagneten 11 angeordnet sind, wobei sehr niedrige Fertigungstoleranzen zu beachten sind.
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Mit Bezug zu den 2 bis 4 wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elektromotors sowie des Verfahrens zu seinem Betrieb erläutert.
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Der Elektromotor weist ein Gehäuse 212 auf, in dem die weiteren Bauteile montiert und gelagert sind. Als Rotor 214 ist ein Schaft 214 einer Schneckenwelle in einem Kugellager 217 drehbar gelagert und wird von einer Motoreinheit angetrieben und dabei in Rotation versetzt. Bei dem Ausführungsbeispiel ist eine Schneckenwelle vorgesehen, der Rotor 214 kann jedoch in anderen Ausführungsbeispielen auch anders gebildet sein. Durch die Rotation des Schafts 214 wird über ein in das Schneckengewinde eingreifendes Schneckenrad 216 ein Getriebe 216 angetrieben.
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An der Stirnfläche des Rotors 214 ist ein magnetisches Positionsgabemittel 215 angeordnet. Bei dem Ausführungsbeispiel ist das Positionsgabemittel 215 als runde Magnetscheibe 215 ausgebildet, die aus einem Ferrit-Magnet-Material gebildet und mit einer diametralen Polarisierung magnetisiert ist. Die Magnetscheibe 215 kann aus einem anderen Material gebildet sein oder es kann eine entsprechende Magnetisierung des Materials des Rotors 214 im Bereich der Stirnfläche vorgesehen sein. Nahe bei der Stirnfläche des Rotors 214 sind Sensorelemente 210 angeordnet, die unten näher erläutert werden.
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4 zeigt schematisch die Magnetscheibe 215 und ihre Polarisierung. Die Polarisierung wird durch einen Pfeil 221 angedeutet. Sie verläuft diametral, sodass den Hälften 220 des Magnetscheibe 215 je eine Süd(S)-beziehungsweise Nord(N)-Polarisierung zugeordnet werden kann.
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3 zeigt eine Detailansicht der für die Positionserfassung wesentlichen Komponenten: Auf einer gemeinsamen Schaltungsplatine 213 sind zwei Sensorelemente 210 angeordnet, die als Hall-Sensoren 210 ausgebildet sind und gemeinsam eine magnetometrische Sensoreinheit bilden. Die Hall-Sensoren 210 sind auf der gleichen Platine 213 angeordnet und in zueinander senkrecht verlaufenden Richtungen ausgerichtet, sodass sie jeweils einen magnetischen Fluss entlang einer der beiden Richtungen messen. Bei dem Ausführungsbeispiel verläuft eine der Richtungen parallel zur Längsachse des Rotors 214, während die andere Richtung senkrecht dazu verläuft. Bei einer Rotation des Rotors 214 dreht sich die Magnetscheibe 215, die an der den Sensorelementen 210 zugewandten Stirnseite des Rotors 214 festgeklebt ist, mit dem Rotor 214, sodass sich der magnetische Fluss im Bereich der Sensorelemente 210 periodisch verändert.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen können die Sensorelemente 210 auf andere Weise angeordnet sein.
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Die von den Sensorelementen 210 gemessenen Signale werden an eine Auswertungseinheit (nicht dargestellt) übertragen, die insbesondere auf der gleichen Platine 213 angeordnet ist und anhand der Signale die Drehfrequenz und die Drehrichtung des Rotors 214 bestimmt und zur weiteren Verarbeitung bereitstellt, etwa für eine Steuereinheit des Elektromotors. Die Auswertung der Signale erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel ratiometrisch. Insbesondere wird anhand der Signale der beiden Sensorelemente 210 ein Quotient gebildet und ausgewertet, insbesondere um die Rotationsfrequenz zu bestimmen beziehungsweise um die Anzahl der Umdrehungen zu zählen. Ferner wird eine Phasenverschiebung zwischen den Signalen der Sensorelemente 210 bestimmt und anhand der Phasenverschiebung wird die Rotationsrichtung des Rotors 214 bestimmt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sensor
- 11
- Multipol-Ringmagnet
- 12
- Getriebegehäuse
- 13
- Schaltungsplatine
- 14
- Rotor
- 210
- Sensorelement; Hall-Sensor
- 212
- Gehäuse
- 213
- Schaltungsplatine
- 214
- Rotor; Schaft
- 215
- Magnetisches Positionsgabemittel; Magnetscheibe
- 216
- Schneckenrad; Getriebe
- 217
- Kugellager
- 220
- Hälfte
- 221
- Magnetisierungsrichtung (Pfeil)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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