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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine elektrische Maschine, die ein optisches Positionsmesssystem, insbesondere einen optischen Drehgeber, integriert hat, um eine Absolutposition (Winkellage bzw. Winkelposition) eines Rotors zu bestimmen. Insbesondere betrifft die Offenbarung einen Axialflussmotor, der vorzugsweise als Aufzughubmaschine eingesetzt wird.
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In Aufzügen werden seit Jahren vermehrt getriebelose Elektromotoren eingesetzt. Insbesondere werden sehr flach bauende Elektromotoren, auch „Pancake-Motoren“ (Axialflussmotoren) genannt, eingesetzt, die in die Antriebsscheiben integriert sind und die sich von im Aufzugsbereich ebenfalls verwendeten klassischen „Sausage-Motoren“ (Radialflussmotoren) unterscheiden. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich speziell auf Pancake-Motoren, weil diese ein höheres Drehmoment bei gleicher Größe erzeugen können.
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Ein „Pancake-Motor“ ist ein Scheibenläufermotor bzw. Axialflussmotor, d.h. ein Elektromotor, dessen Rotor (Läufer) die Form einer Scheibe hat. Die stromdurchflossenen Wicklungen haben beispielsweise die Form einer Scheibe und können kernlos sein, das bedeutet in diesem Zusammenhang ohne Eisenkern. Scheibenläufer zeichnen sich dadurch aus, dass das den Motor antreibende Magnetfeld parallel zur Drehachse - also axial - verläuft. Der magnetische Fluss ist zwischen dem Rotor und dem Stator axial ausgerichtet. Der (radiale) Durchmesser dieser Motoren ist größer als deren (axiale) Länge (siehe auch Wikipedia zu „Scheibenläufermotor“).
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Die Funktionsweise von Axialflussmotoren ist z.B. gut verständlich im YouTube-Video „Axialflussmotoren - Die neue Hoffnung“
(https://www.youtube.com/watch?v=E6Wk9rmp57c ) veranschaulicht.
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Wenn im Nachfolgenden allgemein von einem „Motor“ gesprochen wird, ist insbesondere ein „Axialflussmotor“ gemeint.
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Für eine optimale Regelung einer elektrischen Maschine bzw. des Motors, insbesondere für einen sehr sanften Start und Stopp (Antriebskomfort) ist ein Feedback-System, also ein Encoder bzw. Drehgeber, notwendig, welches die Stellung (absolute Winkelposition) des Rotors relativ zum Stator möglichst genau, d.h. mit einer hohen Auflösung, misst. Dadurch lässt sich der Motor in Bezug auf eine Energieeffizienz besser regeln und kann auf diese Weise im Betrieb Energie sparen. Je besser die Signalgüte ist, desto besser sind der Antriebskomfort und die Energieeffizienz.
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Früher wurde das Winkelpositionssignal von klassischen Tachogeneratoren und später von inkrementellen Drehgebern über ein Reibrad am Außenläufer des Motors erzeugt. Dies hatte aber eine Vielzahl von Nachteilen, wie z.B. einen Schlupf des Reibrades, einen Verschleiß des Reibrads (musste getauscht werden) und ein generell wenig prozesssicheres Messverfahren.
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Diese Nachteile versucht man heute mit einer Magnetsensorik (d.h. einem magnetischen Messsystem) zu lösen, die direkt in den Motor integriert ist und die neben einem magnetischen Abtastkopf bzw. Magnetsensor einen Magnetring bzw. -band als Codeträger umfasst. Ein derartiges magnetisches Messystem ist in der
EP 2 480 475 B1 im Kontext einer Aufzughubmaschinenanwendung gezeigt. Die Magnetsensorik liefert kontaktlos (d.h. reibungsfrei) ein inkrementelles Signal. Das Ursprungssignal ist sinusförmig und wird in einer Auswertungseinheit entsprechend optimiert, d.h. bearbeitet, und als Rechtecksignal für eine nachgelagerte Maschinen- bzw. Motorsteuerung ausgegeben. Nachteilig bei dieser Lösung ist die Positionierung des Magnetsensorkopfs (Kopf = Sensor + Verarbeitungselektronik) bei der Fertigung, weil der Nominalabstand und der Toleranzbereich sehr klein sind (01, bis 1,0 mm).
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Es gibt auch vorbekannte Lösungen, bei denen ein optimiertes SIN/COS-Signal von Magnetsensoren in Verbindung mit einem Magnetring erzeugt wird. Dieses SIN/COS-Signal wird dann direkt von der Motorsteuerung eingelesen. Nachteilig in diesem Fall ist, dass bei einem SIN/COS-Signal ein Nullsignal notwendig ist, um die Rotorlagenerkennung zu gewährleisten und damit ein ruckelfreies Starten des Motors zu gewährleisten. Dies erzeugt zusätzliche Kosten bei dem Sensor, dem Polrad (wegen einer zweiten Spur), den Kabeln und der Auswertung.
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Manche herkömmliche (Maschinen-)Steuerungen sind in der Lage, das inkrementelle Signal ohne Nullsignal zu erkennen. Nachteilig in diesen Fällen ist allerdings, dass solche Steuerungen nur eingeschränkt verfügbar und relativ teuer sind.
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Ferner ist bei oben genannten Magnetsensorik die eingeschränkte Genauigkeit des Sensorsignals grundsätzlich nachteilig. Dies wirkt sich z.B. auf eine ungenauere Geschwindigkeitsberechnung aus und resultiert daher in einer verminderten Regelgüte des Antriebs, d.h. z.B. einem schlechteren „Fahrkomfort“ einer Aufzugskabine, und einer schlechteren Energiebilanz des Antriebs. Die Genauigkeit des magnetischen Sensors lässt sich nur durch eine Erhöhung der Anzahl der magnetischen Polpaare auf dem Magnetring verbessern. Dies führt zu kleineren Polabständen (in der Umfangsrichtung) und in der Folge zu einem geringeren notwendigen (radialen) Abstand zwischen dem Magnetring und dem Magnetsensorkopf. Ferner führt es auch zu einer geringeren Abstandstoleranz, was eine Installation und die Ausrichtung des Sensorkopfs am bzw. im Motor deutlich erschwert.
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Eine Verbesserung der Regelgüte des Antriebs ließ sich bisher nur durch den Einsatz einer optischen Sensorik erzielen, da optische Sensoren eine deutlich höhere Genauigkeit des Positionssignals generieren können. Nachteilig dabei ist, dass der Sensor radial nahe der Motordrehachse positioniert werden muss, damit die Bahngeschwindigkeit des Codes nicht zu hoch wird. Hohe Bahngeschwindigkeiten resultieren in schnellen Signaländerungen, die nicht mehr aufgelöst werden können, weil die Auswertungseinheit, insbesondere von Kamerachips, zu langsam arbeitet.
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Herkömmliche optische Positionssensoren basieren auf dem Sender-Modulator-Empfänger-Prinzip, das nachfolgend erläutert wird. Eine LED (Sender) strahlt - in axialer Richtung - Licht durch eine Codescheibe (Modulator) hindurch auf einen Empfänger (Photodiode). Der verwendete Code der Codescheibe ist typischer Weise ein 1 D-Code. Dieser 1 D-Code ist auf der Codescheibe ringförmig aufgebracht. Die LED, die Codescheibe und die Photodiode müssen (in Umfangsrichtung und axial) sehr genau relativ zueinander positioniert (und ausgerichtet) werden, um eine Position (bzw. den entsprechenden Code) fehlerfrei zu detektieren. Um eine hohe Informationsdichte zu erzielen, wird die Codestruktur sehr klein gewählt. Je kleiner jedoch die Codestruktur (geometrisch) ist, desto genauer müssen die Komponenten zueinander positioniert und ausgerichtet werden. Dies begrenzt einen mechanischen Toleranzbereich sowohl statisch (erstmaliges Ausrichten der Lichtquelle, der Codescheibe und des Photoempfängers während der Fertigung) als auch im dynamischen Betrieb (Wellenspiel, thermische Ausdehnung, etc.). Ein optischer (Singelturn-)Drehgeber ist exemplarisch in der
4 der
DE 198 49 108 A1 gezeigt. Man erkennt unmittelbar, dass dieser optische Positionssensor in der axialen Richtung sehr lang baut.
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Ferner sind optische Positionssensoren üblicherweise eigengelagerte Systeme, die einen aufwändigen Justage- bzw. Abgleichprozess durchlaufen und die (zusätzlich) an den (Pancake-)Motor angebaut werden müssen. Dies führt ebenfalls zu einer ungewollten geometrischen, d.h. axialen, Verlängerung des ansonsten flach bauenden Antriebsmotors. Deshalb werden optische Positionssensoren bzw. Messystem insbesondere nicht bei Pancake-Motoren eingesetzt.
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Es ist daher eine Aufgabe, eine elektrische Maschine mit einem verbesserten Positions-Messsystem, insbesondere für Aufzugsanwendungen, die für den Antrieb der Aufzugskabine Axialflussmotoren einsetzen, vorzusehen.
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Insbesondere ist eine hohe Genauigkeit bzw. Auflösung, wie bei den oben beschriebenen optischen Messsystemen, sowie ein lagerloses Messsystem wünschenswert. Auch ist ein flach bauendes Messsystem von Vorteil. Hohe Toleranzen beim Positionieren des Sensors relativ zum Codeträger, die im Millimeterbereich liegen können, sind ebenfalls wünschenswert. Größere Abstände zwischen dem Codeträger und dem Sensor erleichtern die Montage bzw. den Zusammenbau der E-Maschine mit integriertem Sensorsystem. Des Weiteren ist es von Vorteil, eine Absolutposition, Inkrementalpulse und/oder Sin/Cos-Signale messen zu können. Eine hohe Dynamik durch geringe Zykluszeiten ist wünschenswert. Außerdem ist die Nutzung eines Codeträgers mit einem großen Umfang wünschenswert (Codeband mit Durchmessern bis in den Meterbereich). Das Sensorsystem sollte resistent gegen Verschmutzungen sein.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem integrierten optischen Messsystem, insbesondere mit einem integrierten optischen Drehgeber, zur Bestimmung einer Absolutposition eines Rotors, die aufweist: ein Gehäuse; den gehäuseinternen Rotor; einen gehäuseinternen Stator, wobei der Rotor und der Stator über ein elektromagnetisches Wechselfeld miteinander agieren; und das optische Messsystem; wobei das optische Messsystem zur Bestimmung der Absolutposition eingerichtet ist und aufweist: ein absolutpositionscodiertes Codeband, das einen Code aus Markierungen aufweist, die in Zeilen und Reihen angeordnet sind, mindestens zwei redundante Codespuren umfasst und (vollumfänglich) am Rotor entlang einer Umfangsrichtung des Rotors vorgesehen ist; einen gehäuseinternen optischen Sensor, der beabstandet, vorzugsweise radial beabstandet, zum Codeband angeordnet ist, mindestens zwei der Spuren liest, und ein den gelesenen Spuren entsprechendes Sensorsignal ausgibt; und eine Auswertungseinheit, die das ausgegebene Sensorsignal auswertet, um die Absolutposition des Rotors an eine Maschinensteuerung auszugeben.
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Die Rotorposition kann sehr genau, schnell und zuverlässig mit einem günstigen optischen Sensor bestimmt werden, was die Grundvoraussetzung für eine effiziente und komfortable Maschinen- bzw. Motorsteuerung ist.
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Entgegen der gängigen Meinung kann trotz des großen Rotordurchmessers ein optisches Messsystem eingesetzt werden, dessen Sensor(kopf) radial gegenüberliegend zum Codeband positioniert ist, um die axiale Baulänge nicht zu beeinflussen. Die Verarbeitung der Messignale ist schnell genug, um die erforderliche Auflösung zu erzielen.
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Vorzugsweise weist der Sensor eine Vielzahl von lichtempfindlichen Pixeln auf, die in einer (regelmäßigen) zweidimensionalen Anordnung entlang von Zeilen und Spalten ausgerichtet und angeordnet sind.
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Es handelt sich also um einen kamerabasierten Sensor, der einen 2D-Code liest, der die Absolutposition mehrfach, d.h. redundant, enthält.
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Vorzugsweise sind die Markierungen form-, ausrichtungs- und/oder abstandscodiert und in Reihen und Spalten markierungsfrei beabstandet angeordnet.
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Über die Formcodierung kann eine Pulsweitenmodulation erzielt werden. Über die Ausrichtung der Markierungen lassen sich mehr Zustände abbilden. Über die Abstandscodierung lässt sich ebenfalls eine (weitere) Information ins Signal einbauen.
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Insbesondere ist der Code eindimensional oder zweidimensional.
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Bevorzugt ist jede Pixelzeile mit einem einzigen AD-Wandler verbunden, und jede Pixel-spalte ist mit einem einzigen AD-Wandler verbunden.
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Diese Maßnahme erhöht die Verarbeitungsgeschwindigkeit. Mehrere Pixel (einer Zeile oder Spalte) können gleichzeitig ausgelesen und ausgewertet werden. Die Zeilen und Spalten selbst können gleichzeitig ausgelesen werden. Alle Pixel können bestenfalls in einem (einzigen) Rechenschritt ausgewertet werden.
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Insbesondere ist das Codeband umfänglich auf einem Kreis mit einem Durchmesser von mindestens 200 mm und von vorzugsweise bis 1000 mm angeordnet.
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Diese Durchmesser sind für Aufzuganwendungen (Antriebsscheibe der Hubmaschine weist einen Durchmesser von 200 mm oder mehr auf) und Windkraftturbinen (Antriebswelle hat einen Durchmesser von ca. 1000 mm) spezifisch. Die E-Maschine wird also bevorzugt in diesen Bereichen eingesetzt.
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Insbesondere ist das Codeband an oder auf einer Umfangsfläche des Rotors vorgesehen.
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Dadurch verändert sich die axiale Baulänge der E-Maschine nicht. Die axiale Baulänge bleibt gleich. Nur die radiale Baulänge kann sich ggf. ändern.
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Vorzugsweise dreht sich der Rotor in einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine in einer Aufzugsanwendung mit einer Geschwindigkeit von 600 bis 2000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere mit 800 Umdrehungen pro Minute.
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Das Messsystem ist trotz der hohen Bahngeschwindigkeiten in der Lage, die Messsignale ausreichend schnell zu verarbeiten, insbesondere um eine Motorsteuerung ausreichend schnell mit entsprechenden Steuersignalen zu versorgen, damit z.B. der Fahrkomfort sichergestellt ist.
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Bevorzugt beträgt ein (Lese-)Abstand zwischen dem Sensor und dem Codeband mindestens 5 bis 10 mm bei einer Justiertoleranz von ± 1 mm.
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Hierbei kann auch der Einsatz einer Linse von Vorteil sein. Durch den Einsatz einer Linse, ist man relativ frei in der Wahl des Nominalabstandes. Auch größere Abstände sind denkbar. Der Toleranzbereich beträgt dann bis zu 20% des Nominalabstandes. Ein großer Abstand ist wünschenswert, um die Auslegung des Systems zu vereinfachen und dynamische Anwendungen zu ermöglichen.
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Bei der Fertigung lässt sich das Messsystem einfach in die E-Maschine einbauen. Aufwändige Positionier- und Justierarbeiten entfallen. Die Herstellung der E-Maschine ist schneller und günstiger, weil weniger Arbeitszeit benötigt wird.
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Insbesondere ist die elektrische Maschine ein Axialflussmotor, bei dem vorzugsweise ein Betriebsmagnetfeld zwischen dem Rotor und dem Stator parallel zu einer Drehachse des Motors angeordnet ist, so dass der Rotor axial zum Stator beabstandet ist.
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Diese Merkmale sind für eine Antriebsscheibe einer Aufzughubmaschine kennzeichnend.
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Weiter ist es von Vorteil, wenn das (optische) Codeband eine Auflösung von, insbesondere mehr als 13 Bit, bis zu 25 Bit hat.
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Herkömmliche magnetische (lagerlose) Messsysteme liefern nur 16.000 Pulse pro Umdrehung, d.h. ungefähr 14 Bit. Im Aufzuganwendungen z.B. haben herkömmliche optische Systeme typischerweise eine 13-Bit-Absolute Auflösung. Zusätzlich liefern diese ein sin/cos-Signal mit 2048 Perioden, die vom Encoder oder von der Steuerung interpoliert werden können, um eine (noch) höhere Auflösung zu erzielen. Wenn man also zu dem volldigitalen System der vorliegenden Offenbarung wechseln möchte, müssten diese Signale entsprechend höher aufgelöst werden, wodurch (Interpolations-)Fehler entstehen, die sich in einer schlechteren Genauigkeit widerspiegeln. Setzt man höher auflösende Codescheiben mit kleineren Strukturen (mit z.B. 4096 Perioden) ein, so resultiert dies in einer extrem aufwändigen Justage und erfordert eine höchstgenaue Positionierung, was sich wiederum in erhöhten Fertigungskosten und in einem erhöhten Fertigungsaufwand niederschlägt.
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Die vorliegende Offenbarung bietet allgemein eine hohe Auflösung, die durch ihr Wirkprinzip direkt digital ist.
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Die 25-Bit-Auflösung reicht sicher aus, um z.B. den gewünschten Fahrkomfort sicherzustellen.
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Vorzugsweise ist der Sensor radial außerhalb des Codebands, und insbesondere radial außerhalb des Rotors, positioniert.
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Diese Maßnahme vereinfacht die Montage des Sensor(kopfes) relativ zum Rotor.
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Weiter ist es von Vorteil, wenn der Sensor gehäusefest angeordnet ist.
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Der Senor benötigt keine Lagerung, er ist lagerlos, was die Kosten senkt und die Montage vereinfacht.
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Insbesondere ist die elektrische Maschine eine Aufzughubmaschine.
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Vorzugsweise kann die elektrische Maschine aber auch eine Windkraftturbine sein, wobei der Rotor eine Antriebswelle der Windkraftturbine umfasst und das Codeband umfänglich an der Antriebswelle vorgesehen ist.
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Alternativ kann die elektrische Maschine ein Antriebsmotor eines E-Fahrzeugs sein.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweiligen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 ein Blockdiagramm einer elektrischen Maschine;
- 2 ein Blockdiagramm eines Messsystems;
- 3 eine Draufsicht auf einen teilweise dargestellten E-Motor mit integriertem optischen Drehgeber;
- 4 eine Seitenansicht des E-Motors der 3;
- 5 ein Blockdiagramm eines Codebands;
- 6 einen 2D-Code;
- 7 eine Vergrößerung eines Ausschnitts des Codebands der 6;
- 8 eine binäre Darstellung einer Information, die im Codeausschnitt der 7 enthalten ist;
- 9 ein Blockdiagramm eines Sensors; und
- 10 einen Sensor mit einer zweidimensionalen Sensorfläche, die aus Pixeln gebildet wird.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein elektrische Maschinen 10, siehe 1, wie z.B. einen Elektromotor 12 (vgl. X), eine (Windkraft-)Turbine, einen Generator 14, etc., die einen Rotor 16, einen Stator 18 und eine Maschinensteuerung 20 umfassen. Zusätzlich weist die elektrische Maschine 10 ein optisches Messsystem 22 auf.
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Der Rotor 16 und der Stator 18 sind konzentrisch zueinander angeordnet und mit Permanentmagnet und elektrisch leitenden Spulen versehen, um eine elektrische Leistung in mechanische Leistung zu wandeln, und umgekehrt. Die Maschinensteuerung 22 regelt einen Stromfluss in den Spulen so, dass das erzeugte Magnetfeld mit dem Magnetfeld der Permanentmagneten wechselwirkt. Deshalb ist es wichtig, die Position des Rotors 16 relativ zum Stator 18 so genau wie möglich zu kennen. Das Messsystem 22 ist eingerichtet, eine Absolutposition (Winkelposition) des Rotors 16 zu bestimmen.
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Das optische Messsystem 22 stellt einen Drehgeber (bzw. Drehwinkelgeber) dar, der einen lichtempfindlichen Sensor(kopf) 24, d.h. einen Abtastkopf, zur Bestimmung des (Dreh-)Winkels bzw. der Winkelposition aufweist, siehe 2. Im Allgemeinen liefern Sensor häufig digitale Ausgangssignale, die ausgangsseitig in einem Auswertegerät decodiert werden müssen. Deshalb werden Drehgeber auch als Encoder bezeichnet. Man unterscheidet zwischen Absolutgebern und Inkrementalgebern.
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Als Inkrementalgeber ausgebildete Drehgeber liefern eine bestimmte Anzahl von Schritt-Impulsen sowie vorzugsweise einen sogenannten Nullimpuls pro Umdrehung. Allgemein wird ein Code 26, z.B. in Form einer Strichscheibe, eines Magnetrads (Polrad), etc., erfasst. Anschließend werden zwei um einen Viertelimpuls (90° elektrisch) versetzte digitale Ausgangssignale (A- und B-Spur) oder analoge Sinus- bzw. Cosinus-Signale ausgegeben. Eine Wertbildung erfolgt durch Zählen der Impulse im Auswertegerät. Der absolute Winkel kann erst nach einer Verarbeitung einer Referenzmarke oder dem Erkennen der Nullpunktmarkierung (Nullimpuls) bestimmt werden. Hierbei kann ein Signal als „Takt“ oder „Schritt“ durch die Erkennung einer Signalflanke und ein weiteres Signal für die „Richtung“ berechnet werden. Inkrementaldrehgeber können z.B. als Drehzahlmesser verwendet werden, indem die Zeit einer Umdrehung (Zeit zwischen zwei Nullimpulsen) oder zwischen zwei Inkrementen gemessen wird.
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Bei herkömmlichen Inkrementalgeber mit UVW-Signalen sind neben den AB-Spuren des Inkrementalgebers zusätzlich eine sogenannte U-,V- und W-Spur vorhanden. Diese werden bei Drehstrommaschinen in der Regel zur Kommutierung (Motorsteuerung) verwendet. Die UVW-Signale ändern sich bei der Drehbewegung z.B. nach einem 3-Bit-Gray-Code. Im Fall von Drehstrommaschinen mit nur einem Polpaar sind pro mechanischer Umdrehung also sechs Zustände zu unterscheiden. Damit ist die Rotorlage auf mindestens 60° genau bekannt, was ausreichend ist, um die Drehstrommaschine bei einer feldorientierten Regelung bis zur nächsten UVW-Flanke zu bewegen.
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Bei modernen Elektromotoren, insbesondere Pancake-Motoren, reicht diese 3-Bit-Auflösung für eine feldorientierte Regelung nicht aus.
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Allgemein gilt, dass die Auflösung angibt, wie fein abgestuft eine ursprünglich analoge Größe, die vor einer (Weiter-)Verarbeitung sensorseitig mit einem Analog-Digital-Umsetzer digitalisiert wird, digital dargestellt werden kann. In der digitalen Signalverarbeitung wird der Begriff „Auflösung“ im Zusammenhang mit der Quantisierung im Sinne einer „Schrittweite“ verwendet. Dies stimmt mit der für die Messtechnik grundlegenden Norm überein, die den Begriff der Auflösung als quantitative Angabe festlegt, wie weit ein Messsystem zwischen nahe beieinander liegenden Messwerten eindeutig unterscheiden kann. Zum Beispiel entspricht die relative Schrittweite bei einer (linearen) 8-Bit-Auflösung einem Verhältnis (1/256 = 0,0039) von einem Schritt zu allen Schritten (28 = 256), so dass das (Mess-)Signal dann in Schritte zu rund 0,4 % des Quantisierungsbereichs (360 Grad) aufgelöst werden kann. Bei einem Vollkreis wäre die Schrittweite also 1,4 Grad.
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Bei einer Auflösung von bis zu 25-Bit, wie sie exemplarisch vorliegend zur Anwendung kommt, beträgt die Schrittweite bis zu 1 × 10-5 Grad. Dies bedeutet, dass die Auflösung der vorliegenden Offenbarung um ein Vielfaches höher als bei herkömmlich verwendeten optischen Winkelesssystemen ist.
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Das optische Messsystem 22, das in der vorliegenden Offenbarung zum Einsatz kommt, umfasst neben dem Sensor 24 ferner ein absolutpositionscodiertes Codeband 28, eine elektronische Auswertungseinheit 30 (z.B. CPU, Mikroprozessor, etc., jeweils inkl. Speicher) und eine (Daten- und/oder Signal-) Schnittstelle 31, wie in 2 gezeigt. Der Sensor 24 und die Auswertungseinheit 30 können gemeinsam in Form eines ASIC implementiert sein. Absolutpositionscodiert bedeutet, dass der Code 26 des Codebands 28 Informationen über eine jeweilige Absolutposition in codierter Form enthält.
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Optional umfasst das Messystem 22 ferner eine oder mehrere Lichtquelle(n) 32 zur Be- oder Durchleuchtung des Codebands 28, eine Linsenanordnung 34 zur Vergrößerung und Fokussierung des Codes 26 und/oder eine (interne) Energiequelle 31.
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3 veranschaulicht eine Integration des optischen Messsystems 22 in die elektrische Maschine 10, die exemplarisch als E-Motor 12, der vorzugsweise ein Pancake-Motor der eingangs beschriebenen Art ist, implementiert ist, wobei nicht alle Komponenten des E-Motors 12 gezeigt sind. 3 zeigt eine Draufsicht entlang einer Drehachse 38 des E-Motors 12. 4 zeigt eine Seitenansicht der 3. Ferner sei angemerkt, dass die veranschaulichten Größenverhältnisse nicht die Größenverhältnisse in der praktischen Anwendung widerspiegeln.
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Das Codeband 28 ist in 3 vollumfänglich, exemplarisch radial außen an einer (nicht näher bezeichneten Mantelfläche des Rotors 16, in einer radialen Ausrichtung am Rotor 16 vorgesehen, um vom ebenfalls radial ausgerichteten und angeordneten Sensor 24 abgetastet zu werden. Das Codeband 28 ist immer konzentrisch zur Drehachse 38 des Rotors 16 angeordnet.
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Das Codeband 28 könnte aber auch auf einer der beiden Stirnseiten des Rotors 16 mit einer axialen oder radialen Ausrichtung angeordnet werden.
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Das kreisförmige, in sich geschlossene Codeband 28 kann auch einen kleineren Radius als der Rotor 16 aufweisen, wobei der Senor 24 in diesem Fall das Codeband 26 entweder axial abtastet und axial zum Rotor 16 beabstandet ist oder radial innerhalb des Rotors 16 bei radialer Ausrichtung angeordnet ist.
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Das Codeband 28 der 3 weist einen (optionalen) Codebandträger 39, z.B. eine Kunststofffolie, auf, der mit dem Code 26 bedruckt, (laser-)beschriftet, oder Ähnliches ist. Der Code 26 könnte aber auch direkt, d.h. ohne Codebandträger 39, auf dem Rotor 16 vorgesehen sein.
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Der Code 26 wird durch Markierungen 40 definiert, die matrixförmig in Zeilen 40 und Spalten 42 angeordnet sind, vgl. 5 und 6. In 6 ist ein Abschnitt eines (abgewickelten) Codebands 26 gezeigt, das z.B. 19 Zeilen 42 umfasst. Es versteht sich, dass das Codeband 28 bzw. der Code 28 aus mehr oder weniger Zeilen 42 gebildet werden kann. Des Weiteren sind in der 6 exemplarisch 40 Spalten 46 des Codebands 28 gezeigt.
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7 zeigt die obersten vier Markierungen 40 des Codebands 28 der
7. Der entsprechende Code 26 wird aus, exemplarisch zwei unterschiedlich orientierten, Markierungen 40-1 und 40-2, deren geometrische Anordnung (Gitterraster) und den Leerräumen dazwischen gebildet. Der Code 26 ist strukturiert, wie in der
WO 2018/083510 A1 beschrieben, auf die diesbezüglich Bezug genommen wird.
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Die Markierungen 40-1 sind senkrechte Striche. Die Markierungen 40-2 sind waagrechte Striche. Es versteht sich, dass mehr als zwei Markierungstypen eingesetzt werden können. Zum Beispiel könnten die Striche auch diagonal orientiert werden, um vier unterschiedliche Typen zu definieren. Des Weiteren könnte die Form der Markierungen 40 unterschiedlich sein, um weitere Typen zu definieren.
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Die Markierungen 40 sind entlang eines matrixförmigen Gitters 46 angeordnet. Das Gitter 46 kann z.B. durch (geometrische) Schwerpunkte 48 der Markierungen 40 definiert sein. Das Gitter 46 der 7 ist quadratisch. Es könnte aber durch Rechtecke oder Parallelogramme definiert werden.
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8 zeigt den Code 26 der 7 exemplarisch in einer binären Darstellung. Der Code 26 enthält also eine Information. Diese Information ist vorzugsweise eine absolute (Winkel-)Position des Rotors 16. Die absolute Position ist üblicherweise durch mehrere Markierungen 40 definiert, die gemeinsam erfasst bzw. abgetastet und ausgewertet werden müssen, um die absolute Position zu bestimmen.
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Die Räume zwischen den Markierungen 40 sind markierungsfrei.
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Das Codeband 26 weist ferner mehrere Spuren 50 auf, vgl. auch 5. Jede Spur 50 weist mindestens eine der Zeilen 42 auf. Jede Spur 50 für sich liefert eine (hinsichtlich einer Zeile identische) absolute Positionsinformation, so dass im Falle einer Verschmutzung die absolute Position dennoch sicher bestimmt werden kann. Gerade bei optischen Sensoren 24 besteht die Gefahr, aufgrund von Verschmutzungen und der Integration des Sensors 24 in die Maschine (und damit der Unzugänglichkeit) keine Position bestimmen zu können.
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In 7 sind exemplarisch zwei Spuren 50-1 und 50-2 gezeigt, die im verbauten Zustand axial übereinander liegen. Die Spuren 50 erstrecken sich entlang der Umfangsrichtung des Rotors 16 und sind in sich geschlossen, d.h. sie sind kreisförmig, indem die in 7 nicht veranschaulichten Bandenden miteinander verbunden werden.
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In der 3 ist gezeigt, dass der Sensor 24, hier radial, beabstandet zum Codeband 28 angeordnet ist. Wie oben bereits erläutert, wäre auch eine axial beabstandete Anordnung möglich, die aber eine axiale Länge des E-Motors 12 vergrößern würde, was bei Pancake-Motoren unerwünscht ist. Der Abstand A kann in einer Größenordnung von 8 bis 10 mm liegen, was für einen hochauflösendes optischen (Drehgeber-)Sensor 24 sehr groß ist. Dies vereinfacht die Installation des Sensors 24 beim Hersteller der Maschine 10. Außerdem liegt die Positionierungstoleranz bei +/- 1 mm, was sowohl den Einbau als auch die Justage des optischen Messsystems 22 vereinfacht.
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Um einen ausreichenden Kontrast zu erzeugen, können zusätzlich ein oder mehrere Lichtquellen 32 eingesetzt werden. Es versteht sich, dass nicht nur sichtbares Licht, sondern auch Licht außerhalb des sichtbaren Spektrums genutzt werden kann. In der Anordnung der 3 wird das von den Lichtquellen 26 ausgesendete Licht vom Codeband 28 zum Sensor 24 zurück reflektiert. Es versteht sich, dass die Lichtquelle(n) 32 und der Sensor 24 auch entlang einer geraden Linie angeordnet werden können, wenn das Licht das Codeband 28 durchdringt. In diesem Fall sind die Lichtquelle(n) 32 und der Sensor 24 auf sich gegenüberliegenden Seiten des Codebands 28 angeordnet, wobei insbesondere die Markierungen 40 durch lichtdurchlässige und entsprechend geformte Löcher im Codebandträger 39 ausgebildet sein könnten.
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Eine Struktur des Sensors 24 ist in 9 veranschaulicht. Der Sensor 24 ist ein kamerabasierter Positionssensor. Kamerabasierte Positionssensoren sind Pixelsensoren (wie z.B. ein CMOS-Kamerachip mit Pixelfeldern), die in der Lage sind, den 2D-Code 26, siehe z.B. 6, abzutasten bzw. auszulesen.
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Eine empfindliche Sensorfläche wird aus einer Vielzahl von miniaturisierten Photodioden (Pixel 52) gebildet, die gleichmäßig in zwei Dimensionen (Zeilen 54 und Spalten 56, vorzugsweise senkrecht zueinander orientiert) verteilt angeordnet sind. Die Pixel 52 bilden eine zweidimensionale Pixelanordnung 58. Eine exemplarische Pixelanordnung 52 ist in 10 gezeigt. Dort werden zwei Pixel 52-1 und 52-2 eingesetzt. Die Pixel 52-1 sind entlang der Zeilen 54 angeordnet, wobei jede der Zeilen 44 mit einem (einzigen) AD-Wandler 58 verbunden ist. Die Pixel 52-2 sind entlang der Spalten 56 angeordnet, wobei jede der Spalten 56 mit einem (einzigen) AD-Wandler 60 verbunden ist. Die AD-Wandler 58 und 60 sind Teil der Auswertungseinheit 30 der 2.
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Der Aufbau, die Anordnung und die Funktionsweise (insbesondere die Auswertung der Messsignale) des Sensors 24 und insbesondere der Pixel 52 entspricht grundsätzlich jenen der
WO 2018/083510 A1 , siehe auch
10, auf die diesbezüglich Bezug genommen wird. Das zeilen- und spaltenweise (gemeinsame) Auslesen und Verarbeiten mehrerer Pixel 52 gleichzeitig erhöht die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Messignale und damit die Bestimmung der absoluten Position. Die erhöhte Geschwindigkeit ermöglicht es, lange Codebänder zu benutzen, wie sie z.B. in den Anwendungen Pancake-Motoren als Antriebe für Aufzüge, Flugzeuge und E-Fahrzeuge oder (Pancake-)Generatoren in Windkraftturbinen genutzt werden, wo Rotoren mit großen Durchmessern zum Einsatz kommen. Die Antriebsscheibe einer Aufzughubmaschine hat z.B. einen Durchmesser von 20 cm. Die Antriebswelle einer Windkraftturbine hat einen Durchmesser in der Größenordnung von 1 m.
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Mit diesem Sensortyp ist ein weitaus höherer Toleranzbereich bei der Feinpositionierung möglich, da die Bild- bzw. Codeinformation über der Sensorfläche (Pixelfeld) verschoben werden kann, ohne dass Informationen verloren gehen. Vielmehr steckt in der Verschiebung des Bildes eine zusätzliche Information über die Position des Pixelfelds relativ zur Maßverkörperung bzw. zum 2D-Code 26. Diese Information kann zusätzlich genutzt werden, um Positionsänderungen zu erkennen, zu kompensieren oder auch zu melden.
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Nachteilig bei der herkömmlichen kamerabasierten Positionserkennung ist, dass herkömmliche CMOS-Chips lange brauchen, um die Positionsinformation zu bestimmen. Dies liegt u.a. an dem zeitaufwendigen Auslesen jedes einzelnen Pixels. Jeder herkömmliche Pixel besitzt einen eigenen AD-Wandler zur Digitalisierung der analogen Information, wodurch die Kosten stark in die Höhe getrieben werden. Zunächst muss jeder Pixel ausgelesen werden und in einen Speicher geschoben werden. Dann muss das Bild über eine Bildverarbeitungssoftware interpretiert werden, d.h. die Markierungen erkannt werden und interpretiert werden (d.h. eine Positionsinformation generiert werden). Das braucht viel Speicher, einen leistungsfähigen Prozessor und ist langsam. Die vorliegende Offenbarung liefert dagegen direkt ein Positionssignal.
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Ein Vorteil der vorliegenden Lösungen ist aber, dass der Sensor 24 ohne eine eigene Lagerung auskommt, da Positionstoleranzen über die Bildauswertung eliminieren werden können. Außerdem sind nahezu beliebige (geometrische) Abstände A zwischen dem Sensor 24 und dem Codeband 28 zulässig (indem z.B. Linsen oder Linsensystemen vor dem Sensor 24 verwendet werden).
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektrische Maschine (bzw. E-Maschine)
- 12
- Elektromotor (bzw. E-Motor)
- 14
- Turbine/Generator
- 16
- Rotor
- 18
- Stator
- 20
- Maschinensteuerung
- 22
- Messsystem
- 24
- Sensor
- 26
- Code
- 28
- Codeband
- 30
- Auswertungseinheit
- 31
- Schnittstelle
- 32
- Lichtquelle
- 34
- Linsenanordnung
- 36
- Energiequelle
- 38
- Drehachse
- 39
- Codebandträger
- 40
- Markierung
- 42
- (Code-)Zeile
- 44
- (Code-)Spalte
- 46
- Gitter
- 48
- Schwerpunkt
- 50
- Spur
- 52
- Pixel
- 54
- (Pixel-)Zeile
- 56
- (Pixel-)Spalte
- 58
- AD-Wandler
- 60
- AD-Wandler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2480475 B1 [0008]
- DE 19849108 A1 [0013]
- WO 2018/083510 A1 [0067, 0078]
