DE102020213593A1

DE102020213593A1 - Sensorsystem zur Bestimmung einer Temperatur und mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements

Info

Publication number: DE102020213593A1
Application number: DE102020213593.2A
Authority: DE
Inventors: Paul Mehringer; Stefan Gaier; Andre Yashan; Thomas Preiss; Joachim Schaefer; Andreas Herzberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2022-05-05
Also published as: CN114427924A

Abstract

Es wird ein Sensorsystem (110) zur Bestimmung einer Temperatur und mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements (114) vorgeschlagen. Das Sensorsystem (110) umfasst mindestens einen Temperatursensor (128), welcher eingerichtet ist mindestens eine Temperatur des rotierenden Elements (114) zu erfassen, wobei der Temperatursensor (128), ein Temperatursensorelement (129), eine Sendereinheit (140) mit mindestens einer Senderspule (142) und eine Empfängereinheit (144) mit mindestens einer Empfängerspule (146) aufweist, wobei das Temperatursensorelement (129) und die Empfängereinheit (144) an dem rotierenden Element (114) anbringbar sind, wobei die Empfängereinheit (140) zum induktiven Übertragen eines Signals des Temperatursensorelements (129) an die Sendereinheit (144) ausgebildet ist. Das Sensorsystem (110) umfasst weiterhin mindestens einen induktiven Positionssensor (124), welcher eingerichtet ist zur Erfassung mindestens einer Information über die Rotationseigenschaft des rotierenden Elements (114), und mindestens eine Auswerteeinheit (130), welche eingerichtet ist mindestens ein erstes Signal (134), welches mindestens eine Information über die erfasste Temperatur aufweist, und mindestens ein zweites Signal (136), welches mindestens eine Information über die Rotationseigenschaft aufweist, zu erzeugen.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensoren bekannt, welche mindestens eine Rotationseigenschaft rotierender Elemente erfassen. Beispiele derartiger Sensoren sind in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, 2012, Seiten 63-74 und 120-129 beschrieben. Beispielsweise kann eine Lage einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine relativ zu einer Kurbelwelle mit einem so genannten Phasengeber mittels eines Hall-Sensors bestimmt werden.
Beispielsweise für eine Realisierung einer Traktion in Elektrofahrzeugen werden häufig entweder Asynchronmaschinen oder Synchronmaschinen verwendet, welche jeweils aus einem ortsfesten Stator und einem sich drehenden Rotor bestehen. Der Stator trägt in der Regel drei, beispielsweise um 120°/p zueinander versetzte Wicklungsstränge, wobei p eine Anzahl von Polpaaren repräsentiert. Bei Asynchronmaschinen besteht der Rotor üblicherweise aus an Enden ringförmig kurzgeschlossenen elektrisch leitfähigen Stäben. Bei einer Drehung eines Rotorfeldes kann so in den Stäben eine Spannung induziert werden, welche einen Stromfluss hervorruft, welcher wiederum ein Gegenmagnetfeld aufbaut und es zu einer rotatorischen Bewegung kommt. Die induzierte Spannung ist Null, wenn sich Rotorfeld und Stator gleich schnell drehen. Es stellt sich eine Drehzahldifferenz ein, welche als Schlupf bezeichnet wird und welche das Moment des Motors definiert. Bei Synchronmaschinen umfasst der Rotor einen Läufer, welcher eine Erregerspule trägt, in welchem ein Gleichstrom fließt und ein statisches Magnetfeld erzeugt. Alternativ dazu kann ein Permanentmagnet als Rotor verwendet werden. Es handelt sich dann um eine permanent erregte Synchronmaschine, welche aufgrund der leistungslosen Erregung einen höheren Wirkungsgrad aufweist und so für Traktionsanwendungen geeigneter sein kann. Eine Drehzahl des Rotors kann prinzipbedingt identisch zur Drehzahl eines Erregerfelds sein. Das Drehmoment kann von einem Phasenversatz, also einer Winkeldifferenz zwischen Statorfeld und Rotor, abhängen. Zur Regelung des Moments, Ansteuerung eines Inverters und entsprechender Bereitstellung von Statorspulensignalen muss für Asynchronmaschinen die Drehzahl des Rotors und für Synchronmaschinen eine Absolutwinkelstellung des Rotors bekannt sein. In beiden Fällen, Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen, ist insbesondere aus Gründen der funktionalen Sicherheit zusätzlich die Drehrichtung zu bestimmen. Die maximale Leistung der Maschine kann zudem durch eine Stator- und Rotortemperatur begrenzt sein.
Um die Rotorlage zu ermitteln, ist es bekannt, so genannte Resolver zu verwenden. Bei diesem handelt es sich um einen elektromagnetischen Messumformer, bei dem ein Rotorpaket drehzahlfest auf der Welle des Motors montiert ist. Kreisringförmig umlaufend sind auf einem Stator eine Erregerspule sowie mehrere Empfängerspulen montiert. Die Erregerspule wird mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt und durchsetzt die gesamte Anordnung mit einem elektromagnetischen Wechselfeld. Drehwinkelabhängig kann in einer ersten Empfängerspule eine sinusförmig amplitudenmodulierte Spannung induziert werden, während in einer zweiten Empfängerspule eine cosinusförmig amplitudenmodulierte Spannung induziert wird. Die Bereitstellung des Erregersignals sowie das Auslesen der Signale kann innerhalb der Leistungselektronik bzw. dedizierten Bausteinen innerhalb eines Steuergerätes zur Motorregelung realisiert werden. Resolver benötigen jedoch relativ viel Bauraum, erfordern eine komplexe Signalbereitstellung und -aufbereitung und müssen mit sehr geringen mechanischen Toleranzen montiert werden, um eine ausreichend hohe Genauigkeit zu erreichen. Aus diesen genannten Gründen können Systemkosten entsprechend hoch sein. Weiterhin kann es aus Platzgründen nicht möglich sein, auf den Stator des Resolvers ein redundantes Empfangsspulensystem zu montieren, um eine Verfügbarkeit des Sensors zu erhöhen. So kann ein Ausfall des Sensors zum „Liegenbleiben“ des Fahrzeugs führen.
Die Statortemperatur kann aufgrund der begrenzten Temperaturfestigkeit des Isolationslackes der Statorwicklungen bestimmend für die maximale Stromstärke in den Statorspulen, und damit für das abgegebene Drehmoment, sein. Es ist bekannt, zur Bestimmung der Temperatur einen Temperatursensor zu verwenden, welcher in die Statorspulen gewickelt wird. Mittels Modellen kann auf eine Temperaturverteilung geschlossen werden. Die Rotortemperatur, welche vor allem bei Asynchronmaschinen kritisch sein kann, da im Käfigläufer permanent hohe Ströme fließen, wird bisher nicht ermittelt und lediglich über Modelle berechnet. Vor allem die fehlende Messinformation über die Rotortemperatur begrenzt die Performance der elektrischen Maschine und macht eine Modellierung mit entsprechendem Aufwand und Ungenauigkeiten unabdingbar, siehe DE 10 2014 213 103 . Im Fall der permanent erregten Synchronmaschine kann eine zu hohe Rotortemperatur zu einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete führen. Im Falle der Asynchronmaschine bestimmt die Rotortemperatur die Güte der Drehmomentgenauigkeit.
Trotz der durch diese Sensoren bewirkten Vorteile beinhalten diese noch verbesserungspotential. So ist aufgrund der komplexen Technik, des erforderlichen Bauraums und der relativ hohen Kosten die Integration dieser Arten von Sensoren in Serienfahrzeuge bisher nicht wirtschaftlich.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher ein Sensorsystem zur Bestimmung einer Temperatur und mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements vorgeschlagen, welches die obigen Nachteile zumindest verringert. Insbesondere wird ein Sensorsystem vorgeschlagen, das eine wirtschaftliche und baulich akzeptable Kombination aus Positionssensor und Temperatursensor darstellt. Unter einem „Sensor“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden, welche geeignet ist, mindestens eine Messgröße zu erfassen. Unter einem „System“ kann eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche mindestens zwei Komponenten aufweist. Unter einem Sensorsystem zur Bestimmung der Temperatur und der Rotationseigenschaft wird dementsprechend ein Sensorsystem verstanden, welches eingerichtet ist, um die mindestens eine Temperatur und mindestens eine Rotationseigenschaft zu erfassen, beispielsweise zu messen, und welche beispielsweise mindestens ein elektrisches Signal entsprechend der erfassten Eigenschaft erzeugen kann, wie beispielsweise eine Spannung oder einen Strom. Auch Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Unter einer „Rotationseigenschaft“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Eigenschaft verstanden werden, welche die Rotation des rotierenden Elements zumindest teilweise beschreibt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Winkelgeschwindigkeit, eine Drehzahl, eine Winkelbeschleunigung, eine Winkelposition oder eine andere Eigenschaft handeln, welche eine kontinuierliche oder diskontinuierliche, gleichförmige oder ungleichförmige Rotation oder Drehung des rotierenden Elements zumindest teilweise charakterisieren kann. Beispielsweise kann es sich bei der Rotationseigenschaft um eine Position, insbesondere eine Winkelposition, eine Drehzahl, eine Winkelbeschleunigung oder um eine Kombination von mindestens zwei dieser Größen handeln. Auch andere Eigenschaften und/oder andere Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein. Unter einer „Winkelposition“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein Drehwinkel einer rotationsfähigen Vorrichtung, beispielsweise des rotierenden Elements oder eines Geberrads, bezüglich einer senkrecht auf der Rotationsachse stehenden Achse verstanden.
Das Sensorsystem kann insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet sein, insbesondere für Traktionsanwendungen für elektrische Maschinen. Unter einem „rotierenden Element“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Element verstanden, welches um mindestens eine Achse rotiert. Beispielsweise kann das rotierende Element eine Welle sein, beispielsweise eine Welle in einer Antriebsmaschine, beispielsweise eine Nockenwelle oder eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine bzw. Rotorwelle eines Elektromotors. Beispielsweise kann eine Winkelposition einer Nockenwelle oder eine Drehzahl einer Nockenwelle oder eine Winkelbeschleunigung einer Nockenwelle oder eine Kombination von mindestens zwei dieser Größen bestimmt werden. Auch andere Eigenschaften und/oder andere Kombinationen von Eigenschaften können erfassbar sein.
Das Sensorsystem umfasst mindestens einen Temperatursensor, welcher eingerichtet ist, mindestens eine Temperatur des rotierenden Elements zu erfassen. Der Temperatursensor weist ein Temperatursensorelement, eine Sendereinheit mit mindestens einer Senderspule und eine Empfängereinheit mit mindestens einer Empfängerspule auf. Das Temperatursensorelement und die Empfängereinheit sind an dem rotierenden Element anbringbar. Die Empfängereinheit ist zum induktiven Übertragen eines Signals des Temperatursensorelements an die Sendereinheit ausgebildet. Entsprechend sind die Sendereinheit und die Empfängereinheit räumlich und baulich getrennt voneinander.
Das Sensorsystem umfasst weiterhin mindestens einen induktiven Positionssensor, welcher eingerichtet ist zur Erfassung mindestens einer Information über die Rotationseigenschaft des rotierenden Elements. Unter einem „induktiven Positionssensor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Sensor verstanden werden, der eine Information, insbesondere ein Signal, entsprechend einer erfassten Eigenschaft erzeugen kann, insbesondere ein Messsignal, insbesondere ein elektrisches Messsignal, beispielsweise eine Spannung oder einen Strom, wobei eine Erzeugung des Messsignals auf einer Änderung des elektromagnetischen Wechselfeldes bzw. eines magnetischen Flusses beruht. Insbesondere kann die erfasste Eigenschaft eine Position, beispielsweise eine Winkelposition umfassen. Insbesondere kann es sich bei dem induktiven Positionssensor um einen induktiven Winkel- oder Wegsensor handeln. Insbesondere kann der induktive Positionssensor ein induktiver Rotorlagesensor oder Rotorpositionssensor sein. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Das Sensorsystem umfasst weiterhin mindestens eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist mindestens ein erstes Signal, welches mindestens eine Information über die erfasste Temperatur aufweist, und mindestens ein zweites Signal, welches mindestens eine Information über die Rotationseigenschaft aufweist, zu erzeugen. Unter einer „Auswerteeinheit“ kann dabei allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, um von dem induktiven Positionssensor und/oder dem Temperatursensor erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem induktiven Positionssensor und/oder dem Temperatursensor und der Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um den induktiven Positionssensor anzusteuern. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Signalauswertung in der Auswerteeinheit kann derart erfolgen, dass die Auswerteeinheit alle von dem Temperatursensor und dem induktiven Positionssensor empfangenen Signale auswertet und in zwei Ausgangssignale, also das erste und das zweite Signal, wandelt. Das erste Signal kann die die Temperatur repräsentieren während das zweite Signal die Rotationseigenschaft, beispielsweise die Drehrate, darstellt. Das erste und das zweite Signal können beide analog, beide digital oder eines analog und eines digital sein.
Entsprechend des erfindungsgemäßen Sensorsystems wird eine vorteilhafte Kombination des (induktiven) Rotorpositionssensors mit einer induktiven drahtlosen Signal- und/oder Energieübertragungseinrichtung des Temperatursensors zum Rotor eines elektrischen Motors vorgeschlagen. Die induktive Übertragungseinrichtung wird für die Übertragung der Signale vom Temperatursensor sowie ggf. der Energie zur Versorgung des Temperatursensors verwendet. Eine solche Kombination von mindestens zwei Sensortechniken bietet Potential sowohl für Bauraum- als auch für Kostenersparnis für elektrischen Antriebe, insbesondere im elektrischen Powertrain.
Die Sendereinheit ist zum induktiven Versorgen der Empfängereinheit mit Energie ausgebildet, wie beispielsweise elektrischen Strom. Das Temperatursensorelement ist mit der Empfängereinheit verbunden. Somit wird auch Temperatursensorelement mit Energie mittels der Empfängereinheit versorgt. Das Temperatursensorelement kann dabei ein elektrischer Widerstand sein, wie beispielsweise ein NTC-Sensorelement (NTC = negative temperature coefficient) oder ein PTC-Sensorelement (PTC = positive temperature coefficient).
Die Sendereinheit kann eine induktive Sendereinheit sein. Die Empfängereinheit kann eine induktive Empfängereinheit sein. Beispielsweise ist die Sendereinheit ein RFID-Reader und ist die Empfängereinheit ein RFID-Transponder. Somit lässt sich ein bekanntes Konzept zur drahtlosen Signal- und EnergieÜbertragung zum Rotortemperatursensor mittels induktiver bzw. RFID-Technologie nutzen. Dabei versorgt die Sendereinheit die Empfängereinheit und das Temperatursensorelement mit Energie. In umgekehrter Richtung überträgt die Empfängereinheit das Signal des Temperatursensorelements induktiv an die Sendereinheit. Das Temperatursensorelement kann in das rotierende Element integrierbar sein.
Der induktive Positionssensor und die Sendereinheit können gemeinsam auf einem Träger, wie beispielsweise einem Schaltungsträger, angeordnet sein. Unter einem „Schaltungsträger“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, auf welcher mindestens ein elektrisches Bauelement angeordnet werden kann. Der Schaltungsträger kann flexibel ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Schaltungsträger ein flexibles Material umfassen. Der Schaltungsträger kann insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einer Leiterplatte, insbesondere einer Starrflex-Leiterplatte, beispielsweise einer gebogenen Starrflex-Leiterplatte; einer starren Leiterplatte, insbesondere einer starren Leiterplatte mit Einkerbungen; einer Leiterkarte; einer Platine und einer gedruckten Schaltung, insbesondere einem „printed circuit board“ (PCB).
Der Schaltungsträger kann im Wesentlichen koaxial zu der Rotationsachse angeordnet sein. Der Schaltungsträger kann beispielsweise ein Geberrad oder ein Kreissegment des Geberrads eines weiter unten beschriebenen Sensorsystems im Wesentlichen kreisförmig oder kreissegmentförmig umgeben. Unter dem Begriff „im Wesentlichen kreisförmig“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden, dass das beschriebene Bauelement einen Krümmungsradius aufweist. Der Krümmungsradius kann innerhalb des Bauelements um einen Wert von 0 % bis 80 %, bevorzugt von 0 % bis 50 %, mehr bevorzugt von 0 % bis 20 % und besonders bevorzugt von 0 % bis 5 % variieren. Insbesondere kann der Krümmungsradius auch konstant sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Schaltungsträger auch aus zwei oder mehr Segmenten zusammengesetzt sein, welche beispielsweise jeweils eben oder auch gekrümmt ausgestaltet sein können und welche beispielsweise miteinander verbunden sein können. Die Segmente können insgesamt dann ebenfalls koaxial zur Rotationsachse angeordnet sein, auch wenn die einzelnen Segmente dann beispielsweise tangential angeordnet sind. Weiterhin kann der Schaltungsträger in einem Gehäuse, insbesondere in einem Spritzgussgehäuse, angeordnet sein.
Die Senderspule kann der Empfängerspule zugewandt sein und dieser bevorzugt gegenüberliegen. Mit diesem Aufbau wird gewissermaßen ein Lufttransformator aufgebaut. Sowohl auf Stator- als auch auf der Rotorseite sind elektronische Auswertebausteine notwendig, die entweder auf dem gleichen Träger (z.B. Leiterplatte) oder einem weiteren platziert sein können. Die gegenüberliegende Anordnung der Spulen hat den Vorteil, dass die Kommunikation auch bei hohen Drehzahlen dauerhaft erhalten bleibt.
Der induktive Positionssensor kann mindestens eine Spulenanordnung aufweisen, welche auf dem Schaltungsträger angeordnet ist. Die Spulenanordnung kann mindestens eine Erregerspule und mindestens zwei Empfängerspulen umfassen. Unter einer „Spulenanordnung“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, die mindestens eine Spule umfasst. Unter einer „Spule“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Bauelement verstanden, welches eine Induktivität aufweist und geeignet ist, bei Stromfluss ein Magnetfeld zu erzeugen und/oder umgekehrt. Beispielsweise kann eine Spule mindestens eine vollständige oder teilweise geschlossene Leiterschleife oder Windung umfassen. Unter einer „Erregerspule“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden werden, welche bei Anlegen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms einen magnetischen Fluss erzeugt. Die Erregerspule kann mindestens eine Erregerwindung aufweisen. Unter einer „Empfängerspule“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden, welche eingerichtet ist, aufgrund einer induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfängerspule ein Signal zu erzeugen, welches abhängig ist von der induktiven Kopplung. Beispielsweise kann die Spulenanordnung ein Empfängerspulensystem aufweisen. Unter einem „Empfängerspulensystem“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche mindestens zwei Empfängerspulen umfasst.
Die Erregerspule kann im Wesentlichen kreisförmig ausgestaltet sein. Hinsichtlich des Begriffs „im Wesentlichen kreisförmig“ wird auf obige Definition verwiesen. Die Erregerspule und die Empfängerspulen können wie in DE 10 2017 210 655 beschrieben ausgestaltet sein. Die Empfängerspulen können die Rotationsachse in einer Umfangsrichtung im Wesentlichen vollständig umlaufen, wobei jede Empfängerspule durch eine Mehrzahl benachbarter Teilwindungen gebildet ist, wobei benachbarte Teilwindungen bezüglich der Stromlaufrichtung gegensätzlich orientiert sind. Dabei ist jede Teilwindung bezüglich einer radialen Richtung, die sich von der Rotationsachse nach außen erstreckt, gebildet aus Abschnitten von wenigstens zwei nach links gekrümmten kreisbogenförmigen Leiterbahnen und aus Abschnitten von wenigstens zwei nach rechts gekrümmten kreisbogenförmigen Leiterbahnen. Alle linksgekrümmten und alle rechtsgekrümmten Leiterbahnen weisen denselben Krümmungsradius auf. Alle linksgekrümmten Leiterbahnen und alle rechtsgekrümmten Leiterbahnen erstrecken sich zwischen zwei konzentrischen Kreisen um die Rotationsachse, einem ersten Kreis mit einem ersten Radius und einem zweiten Kreis mit einem zweiten Radius, wobei ein dritter Kreis gegeben ist, der konzentrisch zum ersten Kreis gelegen ist und einen dritten Radius aufweist, der sich aus dem Mittelwert des ersten Radius und des zweiten Radius ergibt, wobei eine erste rechtsgekrümmte Leiterbahn durch drei Punkte verläuft: durch einen ersten Punkt, der auf dem ersten Kreis liegt; durch einen zweiten Punkt, der auf dem dritten Kreis liegt und in Umfangsrichtung um ein Viertel des Messbereichs gegenüber dem ersten Punkt verdreht ist; und durch einen dritten Punkt, der auf dem zweiten Kreis liegt und in Umfangsrichtung um die Hälfte des Messbereichs gegenüber dem ersten Punkt verdreht ist. Die weiteren rechtsgekrümmten Leiterbahnen ergeben sich aus der verfolgenden rechtsgekrümmten Leiterbahn durch eine Drehung um die Drehachse um die Hälfte des Messbereichs in Umfangsrichtung. Die linksgekrümmten Leiterbahnen ergeben sich durch Spiegelungen der rechtsgekrümmten Leiterbahnen jeweils an einer Radiallinie, die sich von der Drehachse durch den Schnittpunkt der jeweiligen rechtsgekrümmten Leiterbahn mit dem dritten Kreis erstreckt. Eine Teilwindung einer Empfängerspule kann dabei als ein Teil der Empfängerspule definiert sein, der von Leiterbahnen der Empfängerspule umgeben ist, die sich nicht gegenseitig schneiden. Die Orientierung einer Teilwindung bestimmt sich über einen Stromfluss durch die Empfängerspule. Gegenläufig orientierte Teilwindungen weisen bei einem Stromfluss durch die Empfängerspule jeweils gegenläufig Stromflüsse auf, d.h. bei einer Teilwindung mit einer ersten Orientierung läuft der Strom im Uhrzeigersinn bzw. nach rechts durch die Teilwindung, bei einer Teilwindung mit einer zweiten, gegenläufigen Orientierung läuft der Strom gegen den Uhrzeigersinn bzw. nach links durch die Teilwindung. Eine Teilwindung kann lediglich beispielhaft wie eine Raute mit gekrümmten Seitenflächen aufgebaut sein. Die vier Seitenflächen einer solchen Raute können z.B. durch je zwei Teilstücke zweier linksgekrümmter Leiterbahnen und zweier rechtsgekrümmter Leiterbahnen ausgebildet sein. Beispielsweise kann dabei die Stromlaufrichtung in wenigstens zwei Abschnitten der linksgekrümmten Leiterbahnen, die eine Teilwindung bilden, einander entgegengesetzt sein. Ebenso kann die Stromlaufrichtung in wenigstens zwei Abschnitten der rechtsgekrümmten Leiterbahnen, die eine Teilwindung bilden, einander entgegengesetzt sein. Der Aufbau der Teilwindungen ist dabei so zu verstehen, dass eine gedachte gerade Linie, die von der Rotationsachse ausgeht und in radialer Richtung verläuft, eine nach links und eine nach rechts gekrümmte kreisbogenförmige Leiterbahn der Empfängerspule schneidet, wenn die gerade Linie durch das Innere der Empfängerspule verläuft. Auf diese Weise kann z.B. auch erreicht werden, dass die Amplitude der in der Empfängerspule induzierten Wechselspannung bzw. das Messsignal im Wesentlichen als Sinusfunktion von dem Drehwinkel abhängt.
Der induktive Positionssensor kann eine Anzahl von n Empfängerspulen umfassen, wobei n eine positive ganze Zahl ist. Die generierten sinusförmigen Signale der n Empfängerspulen können gegeneinander phasenversetzt sein. Beispielsweise können benachbarte sinusförmige Signale einen Phasenabstand von 2π/(2n) und/oder 360°/(2n) für n=2 aufweisen. Weiterhin können beispielsweise benachbarte sinusförmige Signale einen Phasenabstand von 2π/(η) und/oder 360°/(n) für n≥3 aufweisen. Insbesondere können benachbarte sinusförmige Signale von genau zwei Empfängerspulen einen Phasenabstand von 90° aufweisen. Insbesondere können benachbarte sinusförmige Signale von genau drei Empfängerspulen einen Phasenabstand von 120° aufweisen.
Der induktive Positionssensor kann mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) aufweisen, welche auf dem Schaltungsträger angeordnet ist. Unter einer „anwendungsspezifischen integrierten Schaltung“ (ASIC) kann eine grundsätzlich beliebige elektronische Schaltung verstanden werden, welche als integrierter Schaltkreis realisiert wurde.
Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann eingerichtet sein, um ein Erregersignal für die Erregerspule bereitzustellen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann auf dem Schaltungsträger angeordnet sein und an genau eine Erregerspule und mindestens zwei Empfängerspulen angeschlossen sein. Unter ein „Erregersignal bereitzustellen“ kann verstanden werden, dass die anwendungsspezifische integrierte Schaltung eingerichtet ist, das Erregersignal zu erzeugen und/oder dass die anwendungsspezifische integrierte Schaltung eingerichtet ist, die Erregerspule mit dem Erregersignal zu beaufschlagen. Unter einem „Erregersignal“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Signal verstanden werden, insbesondere mindestens eine Wechselspannung und/oder mindestens ein Wechselstrom. Das Erregersignal kann ein im Wesentlichen sinusförmiges Erregersignal sein. Unter „sinusförmig“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Form verstanden, welche einen Verlauf einer Sinuskurve aufweist. Beispielsweise kann ein Verlauf einer vollständigen Sinuskurve umfasst sein oder lediglich ein Teil einer Sinuskurve. Unter „im Wesentlichen sinusförmig“ können Ausführungsformen verstanden werden mit einem vollständig sinusförmigen Verlauf, wobei Abweichungen denkbar sind, welche nicht mehr als 20 %, insbesondere nicht mehr als 10 % oder sogar nicht mehr als 5 % von dem absoluten Wert der Sinusform betragen. Unter einer „vollständigen Sinuskurve“ kann dabei insbesondere ein Verlauf einer Sinuskurve verstanden werden, welcher mindestens eine Periode umfasst. Hierbei kann die Sinuskurve im Nullpunkt oder einem beliebigen anderen Punkt der Sinuskurve beginnen. Die Sinusform kann beispielsweise auch abschnittsweise aus anderen Funktionen zusammengesetzt werden, so dass sich insgesamt eine näherungsweise Sinusform ergibt. Das Erregersignal kann eine Amplitude im Bereich von 0,1 V bis 10 V, bevorzugt von 2,5 bis 5 V, aufweisen. Das Erregersignal kann eine Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 20 MHz, bevorzugt 2,5 bis 7,5 MHz aufweisen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens eine Oszillatorschaltung aufweisen. Die Oszillatorschaltung kann beispielsweise einen LC Oszillator treiben, bei welchem die Erregerspule und ein Kondensator als frequenzbestimmende Elemente wirken. Durch die Beaufschlagung der Erregerspule mit dem Erregersignal kann ein elektromagnetisches Wechselfeld entstehen, welches in die Empfängerspulen koppelt und dort beispielsweise entsprechende Wechselspannungen und/oder Wechselströme induziert. Der induktive Positionssensor kann eingerichtet sein, um eine induktive Kopplung und/oder eine Änderung einer induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und der mindestens einen Empfängerspule zu erfassen. Die Erregerspule kann eingerichtet sein, um in Antwort auf die Beaufschlagung mit dem Erregersignal ein elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Die Erregerspule und die Empfängerspulen können derart gekoppelt sein, dass das elektromagnetische Wechselfeld in den Empfängerspulen eine Wechselspannung induziert. Die Empfängerspulen können derart angeordnet sein, dass die Empfängerspulen bei einer Rotation des rotierenden Elements um die Rotationsachse drehwinkelabhängige Signale generieren.
Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann eingerichtet sein, um von den Empfängerspulen erzeugte Signale zu verarbeiten und als mindestens ein erstes Ausgangssignal an mindestens einem ersten Ausgang und mindestens ein zweites Ausgangssignal an mindestens einem zweiten Ausgang bereitzustellen. Die Bezeichnung als „erstes“ und „zweites“ Ausgangssignal sind als reine Bezeichnungen zu verstehen und geben insbesondere keinen Aufschluss über eine Reihenfolge oder on weitere Ausgangssignale vorhanden sind. Unter „Verarbeiten“ kann grundsätzlich eine beliebige Operation einer Signalverarbeitung verstanden werden, um ein Ausgangsignal zu erzeugen, beispielsweise ein Auswerten, ein Filtern, ein Demodulieren. Die Signalverarbeitung kann digital und/oder analog erfolgen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann insbesondere eingerichtet sein, um durch Demodulation eines in den Empfängerspulen induzierten Signals mit einem Trägersignal, also einem Signal der Erregerspule auch Sendespule genannt, auf einen Betrag und eine Phase der Kopplung zu schließen. Der Betrag kann insbesondere kontinuierlich mit dem Drehwinkel variieren. Eine Phasenlage kann beispielsweise 0° oder 180° betragen. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens eine Demodulationsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, um die Signale der Empfängerspulen zu demodulieren, insbesondere synchron. Das Demodulieren kann ein Multiplizieren mit dem Erregersignal umfassen. Beispielsweise kann durch eine Multiplikation des Betrags mit einer Kosinusfunktion ein vorzugsweise offsetfreies Sin/Cos-System entstehen, insbesondere bei Verwendung von zwei Empfängerspulen mit 90° Phasenversatz bezogen auf den Messbereich. Bei Verwendung von drei Empfängerspulen mit typischerweise 120° Phasenversatz bezogen auf den Messbereich kann insbesondere ein dreiphasiges Sinussignal entstehen, welches beispielsweise durch Anwendung der Clarke-Transformation in ein Sin/Cos-System überführt werden kann. Mit Hilfe der Arkustangens-Funktion kann dann auf den Drehwinkel geschlossen werden. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens einen Tiefpassfilter aufweisen. Der Tiefpassfilter kann eine Grenzfrequenz im Bereich von 50 kHz bis zu 500 kHz, bevorzugt 100 kHz, aufweisen. Die untere Grenzfrequenz kann deutlich geringer ausfallen, da lediglich Offsets kompensiert werden sollen, so dass beispielsweise 0,1 Hz ausreichend wäre. Beispielsweise kann die anwendungsspezifische integrierte Schaltung zunächst die Signale der Empfängerspulen demodulieren und anschließend mittels des Tiefpasses filtern. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann mindestens einen Verstärker aufweisen. Der Verstärker kann eingerichtet sein, um die Signale der Empfängerspulen, insbesondere die gefilterten Signale, zu verstärken. Unter „Verstärken“ kann eine Erhöhung einer Amplitude eines Signals verstanden werden. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung kann weiter eingerichtet sein, die Signale der Empfängerspulen mit einem DC(Gleichstrom)-Offset zu beaufschlagen. Das erste Ausgangssignal und das zweite Ausgangssignal können von dem ersten und zweiten Ausgang beispielsweise über mindestens eine elektrische Signalleitung, insbesondere ein Kabel, an eine zweite Auswerteeinheit, insbesondere eine von dem Schaltungsträger getrennt ausgestaltete Auswerteeinheit, übertragen werden.
Das Sensorsystem kann mindestens ein mit dem rotierenden Element verbindbares Geberrad aufweisen. Die Empfängereinheit kann mit dem Geberrad verbunden sein bzw. mit diesem kombinierbar sein. Die Empfängerspule der Empfängereinheit kann koaxial zu dem Geberrad angeordnet sein. Unter einem „Geberrad“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges mit dem rotierenden Element verbindbares Bauelement verstanden werden, das eingerichtet ist, bei Verbindung mit dem rotierenden Element pro Umdrehung des rotierenden Elements mindestens ein messbares Signal, insbesondere eine Magnetfeldänderung, zu bewirken. Das Geberrad kann beispielsweise permanent oder reversibel mit dem rotierenden Element verbunden oder verbindbar sein oder kann auch einstückig mit dem rotierenden Element ausgebildet oder in das rotierende Element integriert sein. Das Geberrad kann ein Geberradprofil aufweisen. Unter einem „Geberradprofil“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Gesamtheit von Profilelementen und von Zwischenräumen, die zwischen den Profilelementen angeordnet sind, verstanden werden. Unter einem „Profilelement“ des Geberrads kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Ausformung der Kontur des Geberrads verstanden werden, insbesondere eine Ausbuchtung, beispielsweise eine stiftförmige, eine zahnförmige oder eine zackenförmige Ausbuchtung, oder eine Einkerbung oder eine Aussparung, beispielsweise ein Loch.
Das Geberrad kann beispielsweise ausgestaltet sein, um je nach seiner Stellung Bereiche einer Empfängerspulenstruktur „abzuschatten“. Dadurch kann eine Kopplung zwischen einer Sendespulenstruktur und den Empfängerspulen drehwinkelabhängig beeinflusst werden. Ein typischer Wertebereich eines Kopplungsfaktors kann beispielsweise -0,3 bis +0,3 betragen. Unter einem Koppelfaktor kann dabei insbesondere ein Amplitudenverhältnis zwischen einem Empfangssignal und einem Sende- oder Erregersignal verstanden werden. Der Koppelfaktor kann insbesondere sinusförmig mit dem Drehwinkel verlaufen.
Der induktive Positionssensor kann mindestens eine Spulenanordnung aufweisen. Die Spulenanordnung kann wie erwähnt insbesondere mindestens eine Positionssensorerregerspule und mindestens zwei Positionssensorempfängerspulen umfassen. Die Senderspule kann koaxial zu der Spulenanordnung angeordnet sein.
Die Spulenanordnung kann das Geberrad oder mindestens ein Kreissegment des Geberrads im Wesentlichen kreissegmentförmig oder kreisförmig umgeben. Insbesondere kann die Spulenanordnung, insbesondere die auf dem Schaltungsträger angeordnete Spulenanordnung, in mindestens einer Winkelposition des Geberrads mindestens ein Profilelement und mindestens einen Zwischenraum zwischen zwei Profilelementen des Geberrads abdecken.
Das Geberrad kann rotationssymmetrisch ausgestaltet sein. Das Geberrad kann eine identische Anzahl an elektrisch leitfähigen Flügeln und elektrisch nicht oder weniger leitfähigen Flügeln und/oder Aussparungen aufweisen. Die elektrisch leitfähigen Flügel können einen ersten Öffnungswinkel α und die elektrisch nicht oder weniger leitfähigen Flügel und/oder die Aussparungen einen zweiten Öffnungswinkel β aufweisen. Eine Summe des ersten und des zweiten Öffnungswinkel kann einem vollen Winkelmessbereich des induktiven Positionssensors entsprechen. Der erste und der zweite Öffnungswinkel können identisch oder verschieden sein. Das Geberrad kann an dem rotierenden Element mittels einer Schraub- und/oder Klebeverbindung befestigt sein.
Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um aus Signalen der Empfängerspulen auf eine Winkelposition Φ des Geberrads zu schließen. Das Sensorsystem, insbesondere der induktive Positionssensor, kann eingerichtet sein, eine induktive Kopplung und/oder eine Änderung einer induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und der mindestens einen Empfängerspule zu erfassen. Insbesondere kann das Sensorsystem eingerichtet sein, die durch eine Bewegung und/oder eine Position des Geberrades bewirkte induktive Kopplung und/oder die durch eine Bewegung und/oder eine Position des Geberrades bewirkte Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfängerspulen zu erfassen. Das Sensorsystem kann insbesondere eingerichtet sein, um aus der durch die Bewegung und/oder durch eine Position des Geberrads bewirkten Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfängerspulen eine absolute oder relative Winkelposition des rotierenden Elements zu bestimmen. Unter einer „relativen Winkelposition“ kann dabei grundsätzlich eine Position bezüglich einer durch die Empfängerspulen definierten Periode verstanden werden. Insbesondere kann die zweite Auswerteeinheit derart eingerichtet sein, um mindestens ein Quotientensignal mindestens zweier Signale mindestens zweier Empfängerspulen zu generieren. Beispielsweise kann für die Berechnung der Winkelposition Φ aus zwei von zwei Empfängerspulen generierten Signalen die Gesetzmäßigkeit tanΦ = sindΦ / cosΦ verwendet werden. Beispielsweise kann für die Berechnung der Winkelposition Φ aus drei von drei Empfängerspulen generierten Signalen die Clarke-Transformation verwendet werden. Insbesondere kann die Auswerteeinheit mindestens eine Auswerteschaltung aufweisen. Insbesondere kann die Auswerteschaltung eingerichtet sein, die Signale des Positionssensors auszuwerten. Bei der Auswerteschaltung kann es sich beispielsweise um einen Prozessor handeln. Die Auswerteeinheit kann insbesondere getrennt von dem Schaltungsträger ausgestaltet sein und kann mit dem Schaltungsträger über mindestens eine Verbindung, beispielsweise ein Kabel, verbindbar sein. Der induktive Positionssensor kann eingerichtet sein, das erste und das zweite Ausgangssignal an die zweite Auswerteeinheit zu übermitteln.
Als Geberrad kann auch eine geeignet geformte Metallisierungsfläche (Geberrad-Struktur) eines dielektrischen Trägers (ggf. Leiterplatte) dienen.
Beispielshaft und vorteilhaft ist die Ausführung der Spulen des Statorteils sowie des Geberrads und der RFID-Spule am Rotorteil als Leiterbahnen bzw. Metallisierungsflächen der Leiterplatte. Darüber hinaus sind auch andere Ausführungen von Statorteil und Rotorteil möglich, die die erforderliche elektromagnetische Wechselwirkung ermöglichen. Im Allgemeinen handelt es sich und Leiterbahnen und Metallisierungsflächen auf bzw. an einem dielektrischen Träger.
Das Sensorsystem kann an einem axialen Ende des rotierenden Elements anbringbar sein. Beispielseise ist das Sensorsystem an einem Stirnende des rotierenden Elements anbringbar.
Die Sendereinheit kann innerhalb des Positionssensors, außerhalb des Positionssensors oder axial versetzt zu dem Positionssensor angeordnet sein.
Der Temperatursensor und der induktive Positionssensor können identische oder unterschiedliche Betriebsfrequenzen aufweisen. Die Sendereinheit und die Empfängereinheit des Temperatursensors kann eine für jeweilige spezifische Anwendung passende Betriebsfrequenz oberhalb 0,1 MHz nutzen. Für RFID sind 3 Frequenzbänder reserviert: Low Frequency: 125 kHz, High Frequency: 13,56 MHz, Ultra high Frequency: ~900 MHz.
Prinzipiell sind alle genannten RFID Frequenzbänder denkbar. Vorzugsweise wird das Frequenzband von 13,56 MHz (High Frequency) präferiert, da hier ein guter Kompromiss bezüglich Kosten, Reichweite und Bauraum der Antennen erreicht wird. Der Positionssensor arbeitet vorzugsweise mit Betriebsfrequenz im Bereich ca. 2 bis 20 MHz, insbes. 2,5 bis 7,5 MHz. Der Positionssensor und RFID Teil des Temperatursensors arbeiten vorzugsweise bei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen. Positionssensor und RFID Teil des Sensors können auch die gleiche Betriebsfrequenz nutzen.
Die Sendereinheit und die Empfängereinheit können zur Erfassung mindestens einer weiteren physikalischen Eigenschaft des rotierenden Elements ausgebildet sein. Neben einem (oder mehreren) Temperatursensor auf dem Rotor kann der RFID Teil auch für Erfassung anderer physikalischer Größen im/am Rotor genutzt werden, wie beispielsweise Beschleunigungssensoren, Dehnungsmessstreifen und dergleichen.
Neben der Winkelposition eines rotierenden Elements (wie Rotorpositionssensor für Rotorwelle) kann der Positionssensor zur Erfassung der translatorischen Bewegung (wie Linearwegsensor) ausgeführt sein.
Die Auswerteeinheit kann eine erste Auswerteschaltung zur Erzeugung des ersten Signals und eine zweite Auswerteschaltung zur Erzeugung des zweiten Signals umfassen.
Die erste Auswerteschaltung kann von der zweiten Auswerteschaltung getrennt oder mit dieser integriert sein. Beispielsweise sind die erste Auswerteschaltung und die zweite Auswerteschaltung als integrierte Schaltung (IC) vorgesehen.
Zur Rotortemperaturerfassung sind 3 Elemente einsetzbar: Empfangsspule, Auswerteelektronik und Sensoren bzw. Sensorelemente. Diese 3 Elemente können an unterschiedlichen Orten angeordnet werden. Vorzugsweise sollen lediglich die Sensoren an den heißtesten Stellen des Rotors positioniert werden, während die Auswerteelektronik und die Empfangsspule im Bereich der kühleren Stirnseite des Rotors platziert werden.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Temperatur und mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Verwendung mindestens eines Sensorsystems. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge. Das Verfahren kann, zusätzlich zu den genannten Verfahrensschritten, auch weitere Verfahrensschritte umfassen. Die Verfahrensschritte sind:

Erfassen mindestens einer Temperatur des rotierenden Elements mit dem mindestens einen Temperatursensor,
Erfassen mindestens einer Information über eine Rotationseigenschaft des rotierenden Elements mit dem mindestens einen induktiven Positionssensor; Erzeugen mindestens eines ersten Signals, welches mindestens eine Information über die erfasste Temperatur aufweist, und mindestens eines zweiten Signals, welches mindestens eine Information über die Rotationseigenschaft des rotierenden Elements aufweist, mit mindestens einer Auswerteeinheit.

Das Verfahren erfolgt unter Verwendung eines Sensorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung, also gemäß einer der oben genannten Ausführungsformen oder gemäß einer der unten noch näher beschriebenen Ausführungsformen. Dementsprechend kann für Definitionen und optionale Ausgestaltungen weitgehend auf die Beschreibung des Sensorsystems verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführt. Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer- Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein. Außerdem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Datenträger vorgeschlagen, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann. Auch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden. Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein moduliertes Datensignal vorgeschlagen, welches von einem Computersystem oder Computernetzwerk ausführbare Instruktionen zum Ausführen eines Verfahrens nach einer der beschriebenen Ausführungsformen enthält.
Figurenliste
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Sensorsystems gemäß der ersten Ausführungsform;
3a und 3b eine Draufsicht bzw. schematische Darstellung der Spulenanordnung in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Sensorsystem gemäß der ersten Ausführungsform; und
4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems 110 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Sensorsystem 110 ist eingerichtet zur Bestimmung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse 112 rotierenden Elements 114. Das Sensorsystem 110 kann insbesondere zum Einsatz im Kraftfahrzeug eingerichtet sein. Insbesondere kann das Sensorsystem 110 zur Erfassung mindestens einer Rotationseigenschaft einer Nockenwelle eingerichtet sein. Beispielsweise kann das Sensorsystem 110 eingerichtet sein, eine Winkelposition der Nockenwelle zu erfassen. Dementsprechend kann es sich bei dem rotierenden Element 114 beispielsweise um eine Welle handeln. Im dargestellten Fall einer permanent erregten Synchronmaschine kann die Welle einen Permanentmagneten 116 tragen. Zylinderförmig um diesen Permanentmagneten 116 kann ein Statorspulenpaket 118 angeordnet sein. Ein Abtrieb kann in negativer z-Richtung angeordnet sein und ist nicht weiter dargestellt. Auf der dem Abtrieb entgegengesetzten Seite kann ein B-Lager 120 angeordnet sein, welches die Achse 114 aufnimmt. Das B-Lager 120 kann mit einem B-Lagerschild 122 verbunden sein. Das Sensorsystem 110 weist mindestens einen induktiven Positionssensor auf 124. Der induktive Positionssensor 124 kann auf einem Schaltungsträger 125 angeordnet sein. Der Schaltungsträger 125 kann beispielsweise eine Leiterplatte aufweisen, welche kreisringförmig das rotierende Element 114 umläuft oder stirnseitig gegenüber dem rotierenden Element 114 angeordnet ist und dabei beispielsweise einen Winkelbereich von 360° abdeckt. Das B-Lager 120 kann mit dem B-Lagerschild 122 verbunden sein, welches den induktiven Positionssensor 124 hält. Das Sensorsystem 110 weist mindestens ein mit dem rotierenden Element 114 verbindbares Geberrad 126 auf. Zwischen B-Lager 120 und induktiven Positionssensor 124 kann das Geberrad 126 angeordnet sein, welches mit der Welle an einem axialen Ende verbunden ist und sich mit dieser mit dreht. Der induktive Positionssensor 124 kann eine Verpackung aufweisen. Die Verpackung kann erlauben, den induktiven Positionssensor 124 mit einem Spanschutz zu versehen und eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit zu gewährleisten. Die Verpackung kann durch eines oder mehrere der Verfahren Direct injection-molding, Transfermolden mit Duroplast, Thermoplastspritzen oder durch Vergießen realisiert werden. Die Verpackung kann alle Komponenten des induktiven Positionssensors 124 ganz oder teilweise umgeben. Die Verpackung kann mindestens ein Verbindungselement, bevorzugt Bohrungen und/oder Aussparungen, aufweisen, durch die der induktive Positionssensor 124, beispielsweise mit einer Schraubverbindung am B-Lagerschild 122 befestigt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der induktive Positionssensor 124 auch mit Clips, einer Klebverbindung oder weiteren Verfahren am B-Lagerschild 122 angebracht werden. Grundsätzlich kann der Aufbau auch auf der anderen Seite angebracht sein (A-Lager).
Das Sensorsystem 110 weist weiterhin mindestens einen Temperatursensor 128 auf, welcher eingerichtet ist mindestens eine Temperatur des rotierenden Elements 114 zu erfassen. Beispielsweise kann der Temperatursensor 128 eingerichtet sein, um Temperaturen mit mindestens einem mechanischen Kontakt zum Prüfkörper, insbesondere des rotierenden Elements 114 und/oder des Geberrads 126 und/oder des Permanentmagneten 116, zu erfassen. Der Temperatursensor 128 weist ein Temperatursensorelement 129 auf. Das Temperatursensorelement 129 ist beispielsweise ein NTC-Element. Das Temperatursensorelement 129 ist an dem rotierenden Element 114 anbringbar. Insbesondere ist das Temperatursensorelement 129 in das rotierende Element 114 integrierbar. Wie in 1 gezeigt, kann das Temperatursensorelement 129 in der Nähe der Permanentmagnete 116 an oder in dem rotierenden Element 114 angeordnet sein. Beispielsweise ist das Temperatursensorelement 129 in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 112 gesehen zwischen den Permanentmagneten 116 und dem Geberrad 126 an oder in dem rotierenden Element 114 angeordnet. Grundsätzlich kann das Temperatursensorelement 129 an jeder Stelle des rotierenden Elements 114 angeordnet sein, die einen besonders heißen Bereich oder Hotspot im Betrieb darstellt, um eine aussagekräftige Temperaturerfassung zu ermöglichen.
Das Sensorsystem 110 weist mindestens eine Auswerteeinheit 130 auf. Beispielsweise kann über ein optionales Kabel 132 der induktive Positionssensor 124 mit der Auswerteeinheit 130 verbunden sein. Die Auswerteeinheit 130 kann auf dem Schaltungsträger 125 angeordnet sein. Alternativ ist die Auswerteeinheit 130 von dem Schaltungsträger 125 räumlich getrennt angeordnet. Die Auswerteeinheit 130 kann eine Spannungsversorgung des induktiven Positionssensors 124 bereitstellen. Die Auswerteeinheit 130 kann Ausgangssignale des induktiven Positionssensors 124 empfangen und aus diesen eine Rotorposition und Rotortemperatur berechnen. Der induktive Positionssensor 124 kann mindestens ein Kontaktelement aufweisen, an welchem das Kabel 132 befestigt werden kann. Das Kontaktelement kann eine Bohrung für Rammkontakte, ein aufgelöteter Stecker oder Pads sein, mit denen das Kabel 132 mit dem Schaltungsträger 125 durch einen Lötprozess verbunden werden kann.
Die Auswerteeinheit 130 ist eingerichtet mindestens ein erstes Signal 134, welches mindestens eine Information über die erfasste Temperatur aufweist, und mindestens ein zweites Signal 136, welches mindestens eine Information über die Rotationseigenschaft aufweist, zu erzeugen. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen der Auswerteeinheit 130 und dem Temperatursensor 128 und/oder dem induktiven Positionssensor 124 vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit 130 kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um den induktiven Positionssensor 124 anzusteuern. Die Signalauswertung in der ersten Auswerteeinheit 130 kann derart erfolgen, dass die Auswerteeinheit 130 alle von dem Temperatursensor 128 und dem induktiven Positionssensor 124 empfangenen Signale auswertet und in zwei Ausgangssignale, also das erste Signal 134 und das zweite Signal 136, wandelt. Das erste Signal 134 kann die die Temperatur repräsentieren während das zweite Signal 136 die Rotationseigenschaft, beispielsweise die Drehrate, darstellt. Das erste Signal 134 und das zweite Signal 136 können beide analog, beide digital oder eines analog und eines digital sein. Das erste Signal 134 und das zweite Signale 136 können bevorzugt über eine gemeinsame Leitung zu einem Sensorsignalempfänger, wie beispielsweise Motorsteuerung bzw. Leistungselektronik, übertragen werden. Alternativ können das erste Signal 134 und das zweite Signale 136 über getrennte Leitungen übertragen werden.
2 zeigt eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Sensorsystems 110 gemäß der ersten Ausführungsform. Der induktive Positionssensor 124 weist mindestens eine Spulenanordnung 138 auf. Die Spulenanordnung 138 ist auf der Leiterplatte 125 angeordnet. Die Spulenanordnung 138 kann insbesondere mindestens eine Positionssensorerregerspule und mindestens zwei Positionssensorempfängerspulen umfassen. Der Temperatursensor 128 weist eine Sendereinheit 140 mit mindestens einer Senderspule 142 auf. Die Sendereinheit 140 ist eine induktive Sendereinheit, insbesondere ein RFID-Reader. Der Temperatursensor 128 weist weiterhin eine Empfängereinheit 144 mit mindestens einer Empfängerspule 146 auf. Die Empfängereinheit 144 ist eine induktive Empfängereinheit, insbesondere ein RFID-Transponder. Der induktive Positionssensor 124 und die Sendereinheit 140 können insbesondere gemeinsam auf dem Schaltungsträger 125 angeordnet sein. Die Senderspule 142 ist der Empfängerspule 146 zugewandt und liegt dieser bevorzugt gegenüber. Die Empfängereinheit 144 ist mit dem Geberrad 126 verbunden. Insbesondere ist die Empfängerspule 146 koaxial zu dem Geberrad 126 angeordnet. Die Sendereinheit 140 ist zum induktiven Versorgen der Empfängereinheit 144 mit Energie ausgebildet. Die Empfängereinheit 144 ist mit dem Temperatursensorelement 129 verbunden. Die Empfängereinheit 144 ist zum induktiven Übertragen eines Signals des Temperatursensorelements 129 an die Sendereinheit 140 ausgebildet. Die Positionssensorerregerspule des Positionssensors 124 kann zeitgleich auch als Senderspule 142 fungieren, insbesondere wenn die gleiche Trägerfrequenz benutzt wird.
Die Auswerteeinheit 130 umfasst eine erste Auswerteschaltung 148 zur Erzeugung des ersten Signals 134 und eine zweite Auswerteschaltung 150 zur Erzeugung des zweiten Signals 136. Die erste Auswerteschaltung 148 kann von der zweiten Auswerteschaltung 150 getrennt sein. Es wird jedoch explizit betont, dass die erste Auswerteschaltung 148 mit der zweiten Auswerteschaltung 150 integriert sein kann und beispielsweise als integrierte Schaltung auf dem Schaltungsträger 125 angeordnet sein kann. Die zweite Auswerteschaltung 150 ist eingerichtet, um ein Erregersignal für die Positionssensorerregerspule der Spulenanordnung 138 bereitzustellen. Die zweite Auswerteschaltung 150 kann eingerichtet sein, um von den Positionssensorempfängerspulen erzeugte Signale zu verarbeiten und als Ausgangssignale, beispielsweise der Auswerteeinheit 130, bereitzustellen.
Die erste Auswerteschaltung 148 umfasst auch einen Teil der Elektronik zum Ansteuern der Sendereinheit 140 und zum Versorgen der Sendereinheit 140 mit elektrischer Energie. Ein anderer Teil zum Betreiben oder Steuern des Empfängereinheit 144 ist Teil des Sensorelements des Temperatursensors 128 und kann dem Rotor bzw. Geberrad 126 zugeordnet bzw. mit diesem verbunden sein. Der Temperatursensor 128 und der induktive Positionssensor 124 können identische oder unterschiedliche Betriebsfrequenzen aufweisen. Der Positionssensor 124 arbeitet vorzugsweise mit einer Betriebsfrequenz im Bereich von ca. 2 bis 20 MHz und bevorzugt 2,5 bis 7,5 MHz. Der Positionssensor 124 und RFID-Teil des Temperatursensors 128 arbeiten vorzugsweise bei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen. Es wird jedoch explizit betont, dass der Positionssensor 124 und RFID-Teil des Temperatursensors 128 auch die gleiche Betriebsfrequenz nutzen können.
Mit diesem Aufbau wird gewissermaßen ein Lufttransformator aufgebaut. Sowohl auf Stator- als auch auf der Rotorseite sind elektronische Auswertebausteine als Teil der ersten Auswerteschaltung 148 notwendig, die entweder auf dem gleichen Träger wie beispielsweise dem Schaltungsträger 125 oder einem weiteren platziert sein können. Die gegenüberliegende Anordnung der Senderspule 142 und Empfängerspule 144 hat den Vorteil, dass die Kommunikation auch bei hohen Drehzahlen dauerhaft erhalten bleibt. Mit diesem Aufbau wird gewissermaßen ein Lufttransformator aufgebaut.
Entsprechend der dargestellten Ausführungsform wird die Sendereinheit 140 einschließlich Senderspule 142 als RFID-Reader mit einer Spulenanordnung 138 und der Sensorelektronik des Positionssensors 124 auf dem Stator der E-Maschine kombiniert. Besonders vorteilhaft ist dabei die gezeigte koaxiale Anordnung der RFID-Senderspule 142 mit der Spulenanordnung 138 des Positionssensors 124.Die Empfängereinheit 144 als RFID-Transponder wird mit dem Geberrad 126 des Positionssensors 124 auf dem Rotor der E-Maschine kombiniert. Besonders vorteilhaft ist die koaxiale Anordnung der RFID-Empfängerspule 146 mit dem Geberrad 126.
3a und 3b zeigen zur Verdeutlichung eine Draufsicht bzw. schematische Darstellung der Spulenanordnung 138 bzw. deren Kombination mit dem erfindungsgemäßen Sensorsystem 110 gemäß der ersten Ausführungsform in möglichen Ausgestaltungsvarianten. Bei dem Sensorsystem 110 der ersten Ausführungsform sind die Spulenanordnung 138 des Positionssensors 124 und die Senderspule 142 des RFID Readers 140 kreisförmig ausgebildet. Insbesondere sind die Spulenanordnung 138 und die Senderspule 142 vollkreisförmig auf dem Schaltungsträger 125 angeordnet. Der Schaltungsträger 125 kann ebenfalls kreisförmig ausgebildet sein. Die Sendereinheit 140 bzw. die Senderspule 142 kann außerhalb der Spulenanordnung 138 des Positionssensors 124 angeordnet sein, wie in 3a dargestellt ist. Alternativ kann die Sendereinheit 140 bzw. die Senderspule 142 innerhalb der Spulenanordnung 138 des Positionssensors 124 angeordnet sein, wie in 3b dargestellt ist.
4 zeigt eine Draufsicht bzw. schematische Darstellung der Spulenanordnung 138 bzw. deren Kombination mit einem erfindungsgemäßen Sensorsystem 110 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu dem Sensorsystem 110 der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile oder Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensorsystem 110 der zweiten Ausführungsform sind die Spulenanordnung 138 und die Senderspule 142 kreissegmentförmig ausgebildet. Insbesondere sind die Spulenanordnung 138 und die Senderspule 142 kreissegmentförmig und somit nur als Teil eines Vollkreises auf dem Schaltungsträger 125 angeordnet, beispielsweise in der Form eines Viertelkreises. Der Schaltungsträger 125 kann ebenfalls kreissegmentförmig ausgebildet sein, beispielsweise in der Form eines Viertelkreises.
Jede der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Sensorsystems 110 kann wie folgt modifiziert werden. Die Sendereinheit 140 und die Empfängereinheit 144 können zur Erfassung mindestens einer weiteren physikalischen Eigenschaft des rotierenden Elements 114 ausgebildet sein. Beispielsweise werden die Elektronikkomponenten der Sendereinheit 140 und der Empfängereinheit 144 zur Erfassung von physikalischen Messgrößen in Form von Beschleunigungssensoren, Dehnungsmessstreifen oder dergleichen genutzt. Wie oben beschrieben kann das Sensorsystem 110 prinzipiell stirnseitig auf dem rotierenden Element 114 angebracht sein und so eine sogenannte axiale Abtastung zu erlauben. Alternativ kann das Sensorsystem 110 das rotierende Element umfassen oder umgeben und so eine sogenannte radiale Abtastung erlauben. Je nach Anwendung sind Sensor-Anordnungen mit axialer bzw. radialer Abtastung denkbar, bei denen der Rotorteil des Sensorsystems den Statorteil umfasst, z.B. wenn der Statorteil im Inneren des als Hohlwelle ausgeführten Rotors angeordnet ist. Die Sendereinheit 140 bzw. die Senderspule 142 kann axial versetzt zu dem Positionssensor 124 bzw. dessen Spulenanordnung 138 und somit seitlich angeordnet sein. Neben der Winkelposition des rotierenden Elements 114, wie beispielsweise Rotorpositionssensor für Rotorwelle, kann der Positionssensor 124 zur Erfassung der translatorischen Bewegung, wie beispielsweise Linearwegsensor, ausgeführt sein. Zur Rotortemperaturerfassung sind 3 Elemente notwendig: Empfangsspule, Auswerteelektronik und Sensoren. Diese 3 Elemente können an unterschiedlichen Orten angeordnet werden. Vorzugsweise sollen lediglich die Sensoren, d.h. Positionssensor 124 und Temperatursensor 128 an den heißtesten Stellen des Rotors positioniert werden, während die Auswerteelektronik und die Empfängerspule 146 im Bereich der kühleren Stirnseite des Rotors platziert werden. Beispielhaft (und ggf. vorteilhaft) ist die Ausführung der Spulensysteme (Stator-Teil) sowie des Geberrads 126 und der RFID-Spule 144 (Rotor-Teil) als Leiterbahnen bzw. Metallisierungsflächen eines Schaltungsträgers, beispielhaft 125 für den Stator-Teil. Darüber hinaus sind auch andere Ausführungsarten von Stator-Teil und Rotor-Teil denkbar, die die erforderliche elektromagnetische Wechselwirkung ermöglichen. Im Allgemeinen handelt es sich um Leiterbahnen und Metallisierungsflächen auf bzw. an einem Dielektrischen Träger. Als Geberrad 126 kann auch eine geeignet geformte Metallisierungsfläche (Geberrad-Struktur) eines dielektrischen Trägers wie ggf. Leiterplatte dienen. Auf dem Rotor (ggf. einem gemeinsamen Träger) können integriert/ montiert werden: Die Geberrad-Struktur, die RFID-Empfängerantenne 146, die dazugehörige RFID-Elektronik sowie ggf. weitere ElektronikKomponenten z.B. für einen oder mehrere (Temperatur-)Sensoren.
Die Erfindung betrifft den Sensoraufbau und ist leicht nachweisbar. Nachweis ist durch Betrachtung bzw. Analyse des Stator- sowie des Rotorteils des Sensorsystems möglich. Unterstützend kann die Messung elektromagnetischer Schwingungen nahe des Sensorsystems sowie ggf. die Messung elektrischer Signale herangezogen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014213103 [0004]
DE 102017210655 [0018]

Claims

Sensorsystem (110) zur Bestimmung einer Temperatur und mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse (112) rotierenden Elements (114) umfassend: mindestens einen Temperatursensor (128), welcher eingerichtet ist mindestens eine Temperatur des rotierenden Elements (114) zu erfassen, wobei der Temperatursensor (128) ein Temperatursensorelement (129), eine Sendereinheit (140) mit mindestens einer Senderspule (142) und eine Empfängereinheit (144) mit mindestens einer Empfängerspule (146) aufweist, wobei das Temperatursensorelement (129) und die Empfängereinheit (144) an dem rotierenden Element (114) anbringbar sind, wobei die Empfängereinheit (140) zum induktiven Übertragen eines Signals des Temperatursensorelements (129) an die Sendereinheit (144) ausgebildet ist, mindestens einen induktiven Positionssensor (124), welcher eingerichtet ist zur Erfassung mindestens einer Information über die Rotationseigenschaft des rotierenden Elements (114), und mindestens eine Auswerteeinheit (130), welche eingerichtet ist mindestens ein erstes Signal (134), welches mindestens eine Information über die erfasste Temperatur aufweist, und mindestens ein zweites Signal (136), welches mindestens eine Information über die Rotationseigenschaft aufweist, zu erzeugen.
Sensorsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Sendereinheit (140) eine induktive Sendereinheit (140), insbesondere ein RFID-Reader, ist, wobei die Empfängereinheit (144) eine induktive Empfängereinheit (144), insbesondere ein RFID-Transponder, ist.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der induktive Positionssensor (124) und die Sendereinheit (140) gemeinsam auf einem Träger, insbesondere Schaltungsträger (125), angeordnet sind.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Senderspule (142) der Empfängerspule (146) zugewandt ist, insbesondere gegenüberliegt.
Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens ein mit dem um die Rotationsachse (112) rotierenden Element (114) verbindbares Geberrad (126), wobei die Empfängereinheit (144) mit dem Geberrad (126) verbunden ist.
Sensorsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Empfängerspule (146) koaxial zu dem Geberrad (126) angeordnet ist.
Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der induktive Positionssensor mindestens eine Spulenanordnung (138) aufweist, wobei die Spulenanordnung (138) insbesondere mindestens eine Positionssensorerregerspule und mindestens zwei Positionssensorempfängerspulen umfasst, wobei die Senderspule (142) koaxial zu der Spulenanordnung (138) angeordnet ist.
Sensorsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Spulenanordnung (138) und/oder die Senderspule (142) kreisförmig oder kreissegmentförmig ausgebildet sind.
Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorsystem (110) an einem axialen Ende des rotierenden Elements (114) anbringbar ist.
Sensorsystem (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sendereinheit (140) innerhalb des Positionssensors (124), außerhalb des Positionssensors (124) oder axial versetzt zu dem Positionssensor (124) angeordnet ist.