DE102022101157A1 - Sensoranordnung und elektrische Maschine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (1) zur Bestimmung einer absoluten Winkelposition eines drehbaren Bauteils, wie insbesondere einer Welle (2), umfassend ein erstes ringförmiges Sensortarget (3) mit einer Anzahl n von über den Umfang äquidistant verteilter und abwechselnd über den Umfang angeordneter Zähne (4) und Nuten (5), ein zweites ringförmiges Sensortarget (6) mit einer Anzahl n-1 oder n+1 von über den Umfang äquidistant verteilter und abwechselnd über den Umfang angeordneter Zähne (7) und Nuten (8), wobei das erste Sensortarget (3) sowie das zweite Sensortarget (6) drehfest an dem drehbaren Bauteil und axial versetzt zueinander positioniert sind, wobei ein erster induktiver Sensor (9) radial vom ersten Sensortarget (3) beabstandet und ein zweiter induktiver Sensor (10) radial vom zweiten Sensortarget (6) beabstandet angeordnet sind, wobei der erste induktive Sensor (9) ein erstes, im Wesentlichen sinus-förmiges Sensorsignal (14a) sowie ein dazu phasenversetztes zweites Sensorsignal (14b) bereitstellt und der zweite Sensor (10) ein zweites, im Wesentlichen sinus-förmiges Sensorsignal (15a) und ein dazu phasenversetztes zweites Sensorsignal (15b) bereitstellt, welche gemeinsam in einer Steuereinheit (16) der Sensoranordnung (1) verarbeitet werden, um aus dem Phasenversatz der Sensorsignale (14a, 14b, 15a, 15b) die absolute Winkelposition des drehbaren Bauteils zu bestimmen und als ein Absolutwinkelsignal (17) bereitzustellen.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer absoluten Winkelposition eines drehbaren Bauteils, wie insbesondere einer Welle, umfassend ein erstes ringförmiges Sensortarget mit einer Anzahl n von über den Umfang äquidistant verteilter und abwechselnd über den Umfang angeordneter Zähne und Nuten, ein zweites ringförmiges Sensortarget mit einer Anzahl n-1 oder n+1 von über den Umfang äquidistant verteilter und abwechselnd über den Umfang angeordneter Zähne und Nuten. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine.
- Für die Regelung elektronisch kommutierter elektrischer Maschinen werden abhängig von der Winkelposition des Rotors elektrische Ansteuergrößen an Statorwicklungen der Maschine angelegt, um diese anzutreiben. Die Rotorlage wird in der Regel mit Hilfe eines Rotorlagegebers erfasst und einem Steuergerät zur Generierung der für die Kommutierung der elektrischen Maschine benötigten Ansteuersignale zugeführt. Rotorlagegeber liefern entweder eine von der Lage des Rotors abhängige analoge elektrische Größe, z. B. eine Spannung, Signalpulse oder eine digitalisierte Angabe über die absolute Rotorlage. Aus dem Stand der Technik sind Rotorlagegeber bekannt, bei denen ein am Rotor drehfest gelagerter Signalgeber (magnetisches Target) mittels eines am Stator drehfest gelagerten Magnetfeldsensors ausgelesen wird.
- Die
DE 10 2009 001 353 A1 zeigt eine Elektromaschine, umfassend einen Rotor mit einer Rotornabe, einen in einem Statorgehäuse angeordneten Stator, eine Abdeckung, welche an das Statorgehäuse angebunden ist und sich bis zum Innendurchmesser der Rotornabe erstreckt und über welche der Rotor mittels einer Rotorlagerung gelagert ist. Die Elektromaschine weist einen Rotorlagesensor zur Erfassung der Drehlage des Rotors gegenüber dem Magnetfeld des Stators auf. Der Rotorlagesensor ist derart auf der Abdeckung in der Nähe der Rotorlagerung angeordnet, dass als Geberspur des Rotorlagesensors die Rotornabe oder ein mit der Rotornabe drehfest verbundenes Bauteil dient. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer absoluten Winkelposition eines drehbaren Bauteils bereitzustellen, welche kostengünstig herstellbar sowie eine hinreichend gute Messqualität und Messstabilität bereitstellen kann. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung eine verbesserte kommutierte elektrische Maschine zu realisieren.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer absoluten Winkelposition eines drehbaren Bauteils, wie insbesondere einer Welle, umfassend ein erstes ringförmiges Sensortarget mit einer Anzahl n von über den Umfang äquidistant verteilter und abwechselnd über den Umfang angeordneter Zähne und Nuten, ein zweites ringförmiges Sensortarget mit einer Anzahl n-1 oder n+1 von über den Umfang äquidistant verteilter und abwechselnd über den Umfang angeordneter Zähne und Nuten, wobei das erste Sensortarget sowie das zweite Sensortarget drehfest an dem drehbaren Bauteil und axial versetzt zueinander positioniert sind, wobei ein erster induktiver Sensor radial vom ersten Sensortarget beabstandet und ein zweiter induktiver Sensor radial vom zweiten Sensortarget beabstandet angeordnet sind, wobei der erste induktive Sensor ein erstes, im Wesentlichen sinus-förmiges Sensorsignal sowie ein dazu phasenversetztes zweites Sensorsignal bereitstellt und der zweite Sensor ein zweites, im Wesentlichen sinus-förmiges Sensorsignal und ein dazu phasenversetztes zweites Sensorsignal bereitstellt, welche gemeinsam in einer Steuereinheit der Sensoranordnung verarbeitet werden, um aus dem Phasenversatz der Sensorsignale die absolute Winkelposition des drehbaren Bauteils zu bestimmen und als ein Absolutwinkelsignal bereitzustellen.
- Durch den Einsatz eines zweispurigen Sensortargets, bei dem sich die Spuren um die Zähnezahl 1 unterscheiden, kann in Verbindung mit den korrespondierenden induktiven Sensoren eine kostengünstige wie auch betriebssichere Sensoranordnung realisiert werden. Die Zahnstruktur der beiden Sensortargets wird im Betrieb relativ zu dem Spulensystem der induktiven Sensoren, bestehend aus Sender- und Empfängerspulen, bewegt. Durch die Luftspaltänderung (entsprechend der Berge und Täler der Zähne) ergibt sich ein sinus- bzw. dazu phasenversetzter, beispielsweise cosinusförmiger Signalverlauf, der durch eine Tangens-Berechnung in einen Winkel umgewandelt werden kann.
- Durch den Phasenversatz zwischen den beiden Spuren der Sensortargets, der sich durch den Zahnunterschied der beiden Sensortargets ergibt, kann somit auf die mechanische Absolutposition geschlossen werden.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das erste Sensortarget und/oder das zweite Sensortarget nicht magnetisiert ist oder Permanentmagneten umfasst, wodurch das Sensortarget bzw. die Sensortargets entsprechend kostengünstig herstellbar sind. Es ist in diesem Zusammenhang insbesondere bevorzugt, das Sensortarget bzw. die Sensortargets aus einem metallischen Material auszubilden.
- Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das erste Sensortarget und das zweite Sensortarget einstückig, insbesondere monolithisch, ausgeführt ist, wodurch die Montage der Sensortargets vereinfacht werden kann.
- Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das erste Sensortarget einen ersten äußeren Durchmesser und das zweite Sensortarget einen zweiten äußeren Durchmesser aufweist, wobei der erste Durchmesser im Wesentlichen dem zweiten Durchmesser entspricht. Hierdurch wird es beispielsweise möglich, die Sensortragets aus einem oder mehreren im Wesentlichen identischen Halbzeug(en) zu fertigen.
- Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Zähne und die Nuten des ersten Sensortargets jeweils im Wesentlichen identisch ausgeformt sind. Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Zähne und die Nuten des zweiten Sensortargets jeweils im Wesentlichen identisch ausgeformt sind, was jeweils zu einer entsprechend guten Signalerzeugung beitragen kann.
- In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der erste induktive Sensor und/oder der zweite induktive Sensor jeweils wenigstens eine Sendespule und zwei Empfängerspulen aufweisen/aufweist.
- Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der erste induktive Sensor und der zweite induktive Sensor auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sind, was ebenfalls zu einer verbesserten Montagefreundlichkeit der Sensoranordnung beiträgt.
- Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass das erste Sensortarget und das zweite Sensortarget einen axialen Abstand zueinander auf dem drehbaren Bauteil aufweisen. Hierdurch kann erreicht werden, dass gegenseitige Interferenzen der Sensortargets bzw. der korrespondierenden Sensoren im Betrieb der Sensoranordnung minimiert werden.
- Die Aufgabe der Erfindung kann ferner gelöst werden durch eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer absoluten elektrischen Winkelposition eines drehbaren Bauteils, wie insbesondere einer Rotorwelle einer kommutierten elektrischen Maschine mit einer Poolpaaranzahl P, umfassend ein erstes ringförmiges Sensortarget mit einer Anzahl n*P von über den Umfang äquidistant verteilter und abwechselnd über den Umfang angeordneter Zähne und Nuten, ein zweites ringförmiges Sensortarget mit einer Anzahl (n-1)*P oder (n+1)*P von über den Umfang äquidistant verteilter und abwechselnd über den Umfang angeordneter Zähne und Nuten, wobei das erste Sensortarget sowie das zweite Sensortarget drehfest an dem drehbaren Bauteil und axial versetzt zueinander positioniert sind, wobei ein erster induktiver Sensor radial vom ersten Sensortarget beabstandet und ein zweiter induktiver Sensor radial vom zweiten Sensortarget angeordnet sind, wobei der erste induktive Sensor ein erstes, im Wesentlichen sinus-förmiges Sensorsignal a sowie ein dazu phasenversetztes zweites Sensorsignal b bereitstellt und der zweite Sensor ein zweites, im Wesentlichen sinus-förmiges Sensorsignal und ein dazu phasenversetztes zweites Sensorsignal bereitstellt, welche gemeinsam in einer Steuereinheit der Sensoranordnung verarbeitet werden, um aus dem Phasenversatz der Sensorsignale die elektrische absolute Winkelposition des drehbaren Bauteils zu bestimmen und als ein elektrisches Absolutwinkelsignal bereitzustellen.
- Hierdurch kann insbesondere auch ein elektrischer Absolutwinkel detektiert und bereitgestellt werden. Insbesondere ist der elektrische Absolutwinkel auf die Polpaarzahl der elektrischen Maschine abgestimmt, was eine einfachere und sicherere Kommutierung der elektrischen Maschine erlaubt, ohne beispielsweise einen mechanischem Absolutwinkel erst für eine Kommutierung umrechnen und anpassen zu müssen.
- Schließlich kann die Aufgabe der Erfindung auch gelöst sein durch eine kommutierte elektrische Maschine mit einem Stator und einem relativ zum Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei die Bestromung des Stators mittels einer Steuereinheit der elektrischen Maschine erfolgt, wobei die elektrische Maschine eine Sensoranordnung zur Bestimmung der absoluten Winkelposition des Rotors nach einem der vorherigen Ansprüche 1-10 umfasst.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
- Es zeigt:
-
1 eine kommutierte elektrische Maschine mit einer Sensoranordnung in einer schematischen Blockschaltdarstellung. - Die
1 zeigt eine kommutierte elektrische Maschine 20 mit einem Stator 21 und einem relativ zum Stator 21 drehbar gelagerten Rotor 22, wobei die Bestromung des Stators 21 mittels einer Steuereinheit 23 der elektrischen Maschine 20 erfolgt. Die elektrische Maschine 20 umfasst eine Sensoranordnung 1 zur Bestimmung der mechanischen oder elektrischen absoluten Winkelposition des Rotors 22, was nachstehend näher erläutert wird. - Die Sensoranordnung 1 zur Bestimmung einer absoluten Winkelposition eines drehbaren Bauteils, wie der Welle 2, besitzt ein erstes ringförmiges Sensortarget 3 mit einer Anzahl n von über den Umfang äquidistant verteilter und abwechselnd über den Umfang angeordneter Zähne 4 und Nuten 5, ein zweites ringförmiges Sensortarget 6 mit einer Anzahl n-1 oder n+1 von über den Umfang äquidistant verteilter und abwechselnd über den Umfang angeordneter Zähne 7 und Nuten 8. Die Sensortargets 3,6 sind ringförmig ausgebildet.
- Das erste Sensortarget 3 sowie das zweite Sensortarget 6 sind drehfest an dem drehbaren Bauteil und axial versetzt zueinander positioniert. Ein erster induktiver Sensor 9 ist radial vom ersten Sensortarget 3 und ein zweiter induktiver Sensor 10 radial vom zweiten Sensortarget 6 beabstandet angeordnet. Der erste induktive Sensor 9 stellt ein erstes, im Wesentlichen sinus-förmiges Sensorsignal 14a sowie ein dazu phasenversetztes zweites Sensorsignal 14b bereit. Analog hierzu liefert der zweite Sensor 10 ein zweites, im Wesentlichen sinus-förmiges Sensorsignal 15a und ein dazu phasenversetztes zweites Sensorsignal 15b, welche gemeinsam in einer Steuereinheit 16 der Sensoranordnung 1 verarbeitet werden, um aus dem Phasenversatz der Sensorsignale 14a,14b,15a, 15b die absolute Winkelposition des drehbaren Bauteils zu bestimmen und als ein Absolutwinkelsignal 17 bereitzustellen. Grundsätzlich wäre es natürlich auch möglich, dass die Steuereinheit 16 der Sensoranordnung 1 in der Steuereinheit 23 der elektrischen Maschine 20 integriert ist.
- Das erste Sensortarget 3 und das zweite Sensortarget 6 sind nicht magnetisiert ist und weisen auch keine Permanentmagneten auf. Die
1 zeigt des Weiteren, dass die Zähne 7 und die Nuten 8 des ersten Sensortargets 3 jeweils im Wesentlichen identisch ausgeformt sind, analog zu den Zähnen 4 und den Nuten 5 des zweiten Sensortargets 6, die ebenfalls jeweils im Wesentlichen identisch ausgeformt sind. - Der erste induktive Sensor 9 und der zweite induktive Sensor 10 weisen jeweils wenigstens eine Sendespule 12 und zwei Empfängerspulen 13 auf. Dabei sind der erste induktive Sensor 9 und der zweite induktive Sensor 10 auf einer gemeinsamen Platine 19 angeordnet.
- Zur Bestimmung einer absoluten elektrischen Winkelposition eines drehbaren Bauteils, wie insbesondere eines Rotors 22 einer kommutierten elektrischen Maschine 20 mit einer Poolpaaranzahl P, kann die Sensoranordnung 1 auch ein erstes ringförmiges Sensortarget 3 mit einer Anzahl n*P von über den Umfang äquidistant verteilter und abwechselnd über den Umfang angeordneter Zähne 4 und Nuten 5, ein zweites ringförmiges Sensortarget 6 mit einer Anzahl (n-1)*P oder (n+1)*P von über den Umfang äquidistant verteilter und abwechselnd über den Umfang angeordneter Zähne 7 und Nuten 8, umfassen. Dabei sind auch hier das erste Sensortarget 3 sowie das zweite Sensortarget 6 drehfest an dem Rotor 22 bzw. einer Welle 2 des Rotors 22 und axial versetzt zueinander positioniert.
- Aus dem Phasenversatz der Sensorsignale 14a,14b,15a,15b wird dann in dieser Ausführungsvariante die elektrische absolute Winkelposition des drehbaren Bauteils bestimmt und als ein elektrisches Absolutwinkelsignal 17 bereitgestellt.
- Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Sensoranordnung
- 2
- Welle
- 3
- Sensortarget
- 4
- Zähne
- 5
- Nuten
- 6
- Sensortarget
- 7
- Zähne
- 8
- Nuten
- 9
- Sensor
- 10
- Sensor
- 11
- Durchmesser
- 12
- Sendespule
- 13
- Empfängerspulen
- 14 a,b
- Sensorsignal
- 15 a,b
- Sensorsignal
- 16
- Steuereinheit
- 17
- Absolutwinkelsignal
- 18
- Durchmesser
- 19
- Platine
- 20
- elektrische Maschine
- 21
- Stator
- 22
- Rotor
- 23
- Steuereinheit
- 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 102009001353 A1 [0003]
Claims (11)
- Sensoranordnung (1) zur Bestimmung einer absoluten Winkelposition eines drehbaren Bauteils, wie insbesondere einer Welle (2), umfassend ein erstes ringförmiges Sensortarget (3) mit einer Anzahl n von über den Umfang äquidistant verteilter und abwechselnd über den Umfang angeordneter Zähne (4) und Nuten (5), ein zweites ringförmiges Sensortarget (6) mit einer Anzahl n-1 oder n+1 von über den Umfang äquidistant verteilter und abwechselnd über den Umfang angeordneter Zähne (7) und Nuten (8), wobei das erste Sensortarget (3) sowie das zweite Sensortarget (6) drehfest an dem drehbaren Bauteil und axial versetzt zueinander positioniert sind, wobei ein erster induktiver Sensor (9) radial vom ersten Sensortarget (3) beabstandet und ein zweiter induktiver Sensor (10) radial vom zweiten Sensortarget (6) beabstandet angeordnet sind, wobei der erste induktive Sensor (9) ein erstes, im Wesentlichen sinus-förmiges Sensorsignal (14a) sowie ein dazu phasenversetztes zweites Sensorsignal (14b) bereitstellt und der zweite Sensor (10) ein zweites, im Wesentlichen sinus-förmiges Sensorsignal (15a) und ein dazu phasenversetztes zweites Sensorsignal (15b) bereitstellt, welche gemeinsam in einer Steuereinheit (16) der Sensoranordnung (1) verarbeitet werden, um aus dem Phasenversatz der Sensorsignale (14a, 14b, 15a, 15b) die absolute Winkelposition des drehbaren Bauteils zu bestimmen und als ein Absolutwinkelsignal (17) bereitzustellen.
- Sensoranordnung (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sensortarget (3) und/oder das zweite Sensortarget (6) nicht magnetisiert ist oder Permanentmagneten umfasst. - Sensoranordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sensortarget (3) und das zweite Sensortarget (6) einstückig, insbesondere monolithisch, ausgeführt ist.
- Sensoranordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sensortarget (3) einen ersten äußeren Durchmesser (18) und das zweite Sensortarget (6) einen zweiten äußeren Durchmesser (11) aufweist, wobei der erste Durchmesser (18) im Wesentlichen dem zweiten Durchmesser (11) entspricht.
- Sensoranordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (7) und die Nuten (8) des ersten Sensortargets (3) jeweils im Wesentlichen identisch ausgeformt sind.
- Sensoranordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (4) und die Nuten (5) des zweiten Sensortargets (6) jeweils im Wesentlichen identisch ausgeformt sind.
- Sensoranordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste induktive Sensor (9) und/oder der zweite induktive Sensor (10) jeweils wenigstens eine Sendespule (12) und zwei Empfängerspulen (13) aufweisen/aufweist.
- Sensoranordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste induktive Sensor (9) und der zweite induktive Sensor (10) auf einer gemeinsamen Platine (19) angeordnet sind.
- Sensoranordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sensortarget (3) und das zweite Sensortarget (6) einen axialen Abstand zueinander auf dem drehbaren Bauteil aufweisen.
- Sensoranordnung (1) zur Bestimmung einer absoluten elektrischen Winkelposition eines drehbaren Bauteils, wie insbesondere eines Rotors (22) einer kommutierten elektrischen Maschine (20) mit einer Poolpaaranzahl P, umfassend ein erstes ringförmiges Sensortarget (3) mit einer Anzahl n*P von über den Umfang äquidistant verteilter und abwechselnd über den Umfang angeordneter Zähne (4) und Nuten (5), ein zweites ringförmiges Sensortarget (6) mit einer Anzahl (n-1)*P oder (n+1)*P von über den Umfang äquidistant verteilter und abwechselnd über den Umfang angeordneter Zähne (7) und Nuten (8), wobei das erste Sensortarget (3) sowie das zweite Sensortarget (6) drehfest an dem drehbaren Bauteil und axial versetzt zueinander positioniert sind, wobei ein erster induktiver Sensor (9) radial vom ersten Sensortarget (3) beabstandet und ein zweiter induktiver Sensor (10) radial vom zweiten Sensortarget (6) angeordnet sind, wobei der erste induktive Sensor (9) ein erstes, im Wesentlichen sinus-förmiges Sensorsignal (14a) sowie ein dazu phasenversetztes zweites Sensorsignal (14b) bereitstellt und der zweite Sensor (10) ein zweites, im Wesentlichen sinus-förmiges Sensorsignal (15a) und ein dazu phasenversetztes zweites Sensorsignal (15b) bereitstellt, welche gemeinsam in einer Steuereinheit (16) der Sensoranordnung (1) verarbeitet werden, um aus dem Phasenversatz der Sensorsignale (14a,14b,15a,15b) die elektrische absolute Winkelposition des drehbaren Bauteils zu bestimmen und als ein elektrisches Absolutwinkelsignal (17) bereitzustellen.
- Kommutierte elektrische Maschine (20) mit einem Stator (21) und einem relativ zum Stator (21) drehbar gelagerten Rotor (22), wobei die Bestromung des Stators (21) mittels einer Steuereinheit (23) der elektrischen Maschine (20) erfolgt, wobei die elektrische Maschine (20) eine Sensoranordnung (1) zur Bestimmung der absoluten Winkelposition des Rotors (22) nach einem der vorherigen
Ansprüche 1 -10 umfasst.
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