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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, aufweisend eine Vorrichtung zur induktiven Erfassung einer Rotorlage.
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Die
DE 102011078054 A1 offenbart eine elektrische Maschine. Solch elektrische Maschinen finden zum Beispiel als Synchronmotoren häufig Anwendung als Elektro- oder Hybridantrieb und als elektrische Kleinantriebe für Kraftfahrzeuge. Bei elektrischen Maschinen werden beispielsweise ein Rotor oder ein Stator mit einem Lamellenpaket gebildet, bei dem mehrere in Axialrichtung hintereinander angeordnete Lamellen gestapelt und zu einem Paket zusammengefasst sind. Die einzelnen Lamellen können dabei in Form von dünnen Blechen in eine gewünschte, beispielsweise kreisscheibenförmige Form gestanzt oder in anderer Weise bearbeitet werden. Um für den Motor- oder Generatorbetrieb der elektrischen Maschine notwendige Magnete in dem Lamellenpaket anordnen zu können, werden in dem Lamellenpaket mehrere Aufnahmeräume, welche manchmal auch als Nut oder Taschen bezeichnet werden, vorgesehen. Diese Aufnahmeräume können dadurch gebildet werden, dass in jeder Lamelle eines Lamellenpaketes entsprechendes Aufnahmeraumausnehmungen ausgebildet werden, in dem diese zum Beispiel direkt beim Stanzprozess mit ausgestanzt werden. Die einzelnen Lamellen können dann derart hintereinander angeordnet werden, dass die Aufnahmeraumausnehmungen der einzelnen Lamellen zueinander fluchtend angeordnet sind und somit die sich über mehrere hintereinander angeordnete Lamellen erstreckenden Aufnahmeräume zur Aufnahme der Permanentmagneten bilden. Bei einer solchen elektrischen Maschine ist insbesondere die Rotorlage relevant, um die Maschine entsprechend ansteuern zu können.
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Zur Bestimmung der Rotorlage gibt es beispielsweise magnetbasierte Rotorlagesensoren. Zudem sind aber auch induktiv messende Rotorlagesensoren auf Basis von gekoppelten Spulen bekannt, beispielsweise offenbart in der
EP 0909955B1 . In dieser Patentschrift wird eine Erregerspule auf einer Sensor-Leiterplatte wird mit einer Wechselspannung beaufschlagt, die eine Frequenz im Bereich einiger MHz aufweist. Dadurch entsteht ein elektromagnetisches Wechselfeld, welches in die Empfangsspulen auf der Sensor-Leiterplatte koppelt und dort entsprechende Wechselspannungen induziert. Durch entsprechende Formung eines Targets, welches mit dem Rotor wirkverbunden ist, wird die Kopplung zwischen der Sendespule und den Empfangsspulen drehwinkelabhängig beeinflusst. Des Weiteren kann durch Demodulation des in den Empfangsspulen induzierten Signals mit dem Trägersignal, welches das Signal der Erregerspule darstellt, auf Betrag und Phase der Kopplung geschlossen werden. Der Betrag variiert hierbei kontinuierlich mit dem Drehwinkel des Targets und somit mit der Rotorlage des Rotors. Man erhält beispielsweise bei Verwendung von zwei Empfangsspulen mit 90° Phasenversatz bezogen auf den Messbereich ein Sinus-/Cosinus-System, aus dem über eine Arkustangens-Berechnung der Winkel ermittelt werden kann. Vorteile des induktiven Rotorlagesensors sind, dass eine Platzierung des Sensors in unmittelbarer Nähe des Wickelkopfs aufgrund der Störfeldrobustheit des Sensorprinzips möglich ist, und dass der Sensor an unterschiedlichste Motoren anpassbar ist, da das Spulenlayout flexibel geändert werden kann. Zudem weisen die induktiven Rotorlagesensoren einen geringeren Winkelfehler im Vergleich zu magnetbasierten Sensorkonzepten auf und sind im Vergleich zu diesen auch robuster gegenüber mechanischen Toleranzen und Temperatureinflüssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, aufweisend eine Vorrichtung zur induktiven Erfassung einer Rotorlage. Die Vorrichtung weist eine Erregerspule, mehrere versetzt zueinander angeordnete Empfängerspulen, ein Targetelement und eine Verarbeitungseinheit auf, wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, eine Ansteuerung der Erregerspule zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds durchzuführen und die aufgrund einer Kopplung des magnetischen Wechselfelds in die Empfängerspulen entstehenden Spannungen in den Empfängerspulen zu erfassen, und wobei das Targetelement am Rotor angeordnet und derartig ausgestaltet ist, dass das Targetelement die Kopplung zwischen Erregerspule und Empfängerspulen drehwinkelabhängig beeinflusst, und wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Erregerspule und den erfassten Spannungen in den Empfängerspulen die Rotorlage zu bestimmen, wobei der Rotor selbst zumindest teilweise als Targetelement ausgebildet ist.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass kein zusätzliches Element am Rotor angebracht werden muss, welches als Targetelement dient. Hierdurch können Kosten und Bauraum für die Vorrichtung eingespart werden. Hierdurch kann wiederum die elektrische Maschine kompakter ausgestaltet sein.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass eine elektrische Maschine ohne großen Aufwand auch mit mehreren solcher Vorrichtungen ausgestaltet werden kann, wodurch eine Redundanz erzielt werden kann. Dies hat wiederum den Vorteil, dass weiterhin die Rotorlage bestimmt werden kann, auch falls eine der Vorrichtungen beispielsweise aufgrund von äußeren Einflüssen ausfällt.
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Unter elektrischer Maschine ist hierbei ein System zu verstehen, welches unter anderem mittels Stator und Rotor beispielsweise einen Antriebsmotor bildet. Die elektrische Maschine kann insbesondere als EC-Elektromotor und besonders bevorzugt als Antriebsmotor ausgestaltet sind. Eine solche elektrische Maschine ist insbesondere für ein Kraftfahrzeug, eine Handwerkzeugmaschine oder ein Elektrofahrrad geeignet.
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Als Rotorlage ist hierbei der Drehwinkel des Rotors der elektrischen Maschine zu verstehen. Abhängig vom Drehwinkel werden beispielsweise die Wicklungen des Stators angesteuert, um die elektrische Maschine entsprechend anzutreiben.
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Die Erregerspule ist beispielsweise eine Planarspule mit mehreren Windungen, wobei typischerweise mehr als 2, aber weniger als 20 Windungen vorhanden sind. Maßgeblich für die Anzahl der Windungen ist die Induktivität der sich ergebenden Spule. Es ist eine gewisse Mindestinduktivität erforderlich, damit der Erregerschwingkreis schwingt. Die Windungen können hierbei auf mehreren Lagen der Leiterplatte der Vorrichtung untergebracht werden. Die Schwingkreiskondensatoren bilden zusammen mit der Erregerspule einen Schwingkreis. Die Kapazität der Kondensatoren richtet sich nach der gewünschten Resonanzfrequenz des Schwingkreises.
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Die Empfangsspulen sind ebenfalls auf der Leiterplatte angeordnet. Die eine Empfangsspule generiert beispielsweise das Sinus-Signal, die andere Empfangsspule generiert beispielsweise das Cosinus-Signal. Die Form einer Empfangsspule ist ein Sinus, der auf eine Kreisbahn gebogen wird. Um Kreuzungen von Leiterbahnen und somit einen Kurzschluss zu vermeiden, können die Leiterbahnen beispielsweise auf verschiedenen Lagen der Leiterplatte geführt werden.
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Das Targetelement beeinflusst die magnetische Kopplung zwischen Erregerspule und Empfängerspulen. Wichtig hierbei ist, dass die Leitfähigkeit größer als 1 MS/m ist, was beispielsweise für Aluminium, Kupfer oder Stahl zutrifft. Zudem sollte die Dicke des Targets größer als 10 um sein. Der Durchmesser des Targets sollte des Weiteren in etwa dem Durchmesser des Spulensystems entsprechen.
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Die Verarbeitungseinheit kann beispielsweise als Mikrocontroller ausgestaltet sein und enthält einen LC-Oszillator, der den Schwingkreis antreibt. Der Mikrocontroller kann wiederum beispielsweise als ASIC (application specific integrated circuit) ausgestaltet sein. Die Schwingkreisfrequenz liegt typischerweise im einstelligen MHz-Bereich, bevorzugt bei etwa 3,5 MHz. Weiterhin verarbeitet die Verarbeitungseinheit die Empfangsspulensignale, welche entsprechende Spannungen darstellen, und stellt diese als analoge Spannungen, beispielsweise als Sinus und Cosinus, zur weiteren Bestimmung der Rotorlage zur Verfügung. Anhand der Spannungen kann dann auf die Rotorlage geschlossen werden.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Rotor eine Vielzahl von in axialer Richtung aneinander gereihten Lamellen aufweist, wobei wenigstens eine der Lamellen des Rotors als Targetelement der Vorrichtung ausgebildet ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass eine sowieso bereits vorhandene Lamelle des Rotors als Targetelement genutzt wird. Hierdurch sind keine weiteren Bauteile notwendig, weshalb entsprechend Kosten und Bauraum für die Vorrichtung reduziert werden können.
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Unter Lamellen sind hierbei eine Vielzahl von Platten zu verstehen, welche in axialer Richtung parallel zueinander gestapelt angeordnet sind und beispielsweise die Permanent-Magnete des Rotors aufnehmen können.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die als Targetelement ausgebildete Lamelle einstückig ausgestaltet ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass dies eine besonders kostengünstige Herstellung des Targetelements ermöglicht, welches zudem weiterhin sehr robust ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die als Targetelement ausgebildete Lamelle umlaufende Aussparungen aufweist, welche derartig ausgestaltet sind, dass die Kopplung zwischen Erregerspule und Empfängerspulen drehwinkelabhängig ist.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass dies eine einfach Möglichkeit darstellt ein entsprechendes Targetelement auszubilden, welches eine entsprechende Drehwinkelabhängigkeit aufweist.
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Als Aussparung ist eine Ausnehmung zu verstehen, welche die Form des Targetelements entsprechend definiert.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Targetelement aus einem Blech gebildet ist und insbesondere Stahl und/oder Aluminium und/oder Aluminium-Legierungen und/oder Kupfer und/oder Kupfer-Legierungen aufweist.
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Vorteil ist hierbei, dass eine einfache und kostengünstige Herstellung des Targetelements möglich ist. Insbesondere kann das Targetelement hierbei als Stanzteil hergestellt sein.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Leiterplatte aufweist, wobei Rotorwicklungen und/oder Statorwicklungen der elektrischen Maschine auf der Leiterplatte der Vorrichtung verschaltet sind.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die Verschaltung der Rotorwicklungen und/oder Statorwicklungen nicht auf einer gesonderten Leiterplatte bzw. nicht innerhalb eines gesonderten Motorelements erfolgt, wie dies typischerweise der Fall ist. Hierdurch kann wiederum Bauraum eingespart werden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit einem Rotor und einem Stator, aufweisend eine Vorrichtung zur induktiven Erfassung einer Rotorlage.
- 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur induktiven Erfassung einer Rotorlage.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 10 mit einem Rotor 20 und einem Stator 30, aufweisend eine Vorrichtung 100 zur induktiven Erfassung einer Rotorlage.
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Die Vorrichtung 100 weist eine Erregerspule 110, mehrere versetzt zueinander angeordnete Empfängerspulen 120 und eine Verarbeitungseinheit 140 auf, wobei die Erregerspule 110, die mehreren versetzt zueinander angeordneten Empfängerspulen 120 und die Verarbeitungseinheit 140 in 1 bildlich nicht dargestellt sind, sondern in 2 näher erläutert werden.
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Zudem weist die Vorrichtung 100 ein Targetelement 130 auf.
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Das Targetelement 130 ist mechanisch drehfest am Rotor 20 angeordnet und derartig ausgestaltet, dass das Targetelement 130 die Kopplung zwischen Erregerspule 110 und Empfängerspulen 120 drehwinkelabhängig beeinflusst. Hierbei ist der Rotor 20 selbst zumindest teilweise als Targetelement 130 ausgebildet.
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Insbesondere weist der Rotor 20 eine Vielzahl von in axialer Richtung 21 aneinander gereihten Lamellen 22 auf, wobei wenigstens eine der Lamellen 22 des Rotors 20 als Targetelement 130 der Vorrichtung 100 ausgebildet ist. Hierbei ist die als Targetelement 130 ausgebildete Lamelle 22 einstückig ausgestaltet. Des Weiteren ist das Targetelement 130 aus einem Blech gebildet und kann insbesondere Stahl und/oder Aluminium und/oder Aluminium-Legierungen und/oder Kupfer und/oder Kupfer-Legierungen aufweisen.
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Die als Targetelement 130 ausgebildete Lamelle 22 weist des Weiteren umlaufende Aussparungen 132 auf, welche derartig ausgestaltet sind, dass die Kopplung zwischen Erregerspule 110 und Empfängerspulen 120 drehwinkelabhängig ist.
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Durch den Rotor 20 und die Vorrichtung 100 ist in axialer Richtung 21 eine Rotorwelle 24 geführt, wobei die Rotorwelle 24 mit dem Rotor 20 drehfest verbunden ist. Der Rotor 20 ist hierbei um die axiale Richtung 21 drehbar ausgestaltet.
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Des Weiteren weist der Rotor 20 Permanent-Magneten 26 auf, welche von den Lamellen 22 zumindest teilweise aufgenommen sind.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur induktiven Erfassung einer Rotorlage.
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Die Vorrichtung 100 weist eine Erregerspule 110, zwei versetzt zueinander angeordnete Empfängerspulen 120, ein Targetelement 130 und eine Verarbeitungseinheit 140 auf. Hierbei sind die Erregerspule 110, die zwei versetzt zueinander angeordnete Empfängerspulen 120 und die Verarbeitungseinheit 140 gemeinsam auf einer Leiterplatte 105 angeordnet. Die Erregerspule 110 weist mehrere kreisförmige Windungen auf und ist mit der Verarbeitungseinheit 140 elektrisch verbunden. Die Empfängerspulen 120 sind ebenfalls kreisförmig ausgestaltet und mit der Verarbeitungseinheit 140 verbunden. Zudem sind die Empfängerspulen 120 jeweils auf unterschiedlichen Ebenen der Leiterplatte 105 gegenüber der Erregerspule 120 angeordnet.
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Das Targetelement 130 ist entsprechend zu 1 entlang der axialen Richtung 21 parallel beabstandet zur Leiterplatte 105 und zentrisch zu dieser angeordnet und bildet einen Teil des hier bildlich nicht dargestellten Rotors 20.
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Das Target 130 und die Leiterplatte 105 weisen hierbei je eine mittige Ausnehmung auf, durch welche die Rotorwelle 24 des Rotors 20 durchgeführt werden kann.
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Auf der Leiterplatte 105 können zudem beispielsweise auch Rotorwicklungen und/oder Statorwicklungen der elektrischen Maschine 10 verschaltet sein, was hier jedoch bildlich nicht dargestellt ist.
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Die Verarbeitungseinheit 140 ist dazu eingerichtet, eine Ansteuerung der Erregerspule 110 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds durchzuführen und die aufgrund einer Kopplung des magnetischen Wechselfelds in die Empfängerspulen 120 entstehenden Spannungen in den Empfängerspulen zu erfassen. Die Ansteuerung der Erregerspule 110 erfolgt hierbei durch einen bildlich nicht dargestellten LC-Oszillator, welcher typischerweise innerhalb der Verarbeitungseinheit 140 angeordnet ist, und welcher einen Schwingkreis antreibt, welcher sich wiederum aus ebenfalls bildlich nicht dargestellten Schwingkreiskondensatoren und der Erregerspule 110 aufbaut.
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Des Weiteren ist die Verarbeitungseinheit 140 dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Erregerspule 110 und den erfassten Spannungen in den Empfängerspulen 120 die Rotorlage zu bestimmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011078054 A1 [0002]
- EP 0909955 B1 [0003]
