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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der Drehzahl eines Motors, insbesondere einen BLDC-Motor.
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Die Erfindung betrifft weiter einen Antrieb für ein Fahrzeug, insbesondere ein Fahrzeug mit zumindest einer elektrischen Antriebseinrichtung.
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Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige Motoren anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf Elektromotoren erörtert.
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Elektromotoren beziehungsweise elektrische Maschinen werden heute in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Kleine Elektromotoren werden zum Beispiel in Spielzeug, elektrischen Werkzeugen oder dergleichen eingesetzt. Größere elektrische Maschinen werden aber zum Beispiel auch als Antriebsmotoren in Elektrofahrzeugen oder dergleichen eingesetzt.
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Zur Regelung der Elektromotoren werden Sensoren verwendet, die beispielsweise die Drehzahl einer Antriebswelle des Elektromotors - mithin also eine Relativposition der Antriebswelle - erfassen. Zusätzlich kann es auch, wenn der Elektromotor mit einer Übersetzungsstufe eines Getriebes ausgangsseitig verbunden ist, erforderlich sein, die Absolutposition der Ausgangswelle des Getriebes zu erfassen, beispielsweise um die Stellung einer Schaltgabel oder dergleichen ermitteln zu können. Insbesondere bei den sogenannten BLDC-Motoren, also bürstenlosen Gleichstrommotoren, ist es bekannt geworden, Hall-Sensoren zur Erfassung der Drehzahl von Antriebswelle und Ausgangswelle eines Getriebes oder einer Übersetzungsstufe zu verwenden. Hierzu ist an der jeweiligen Welle ein entsprechender Magnet, beispielsweise in Form eines Ringmagneten angeordnet, der mittels des Hallsensors dann erfasst werden kann. Es ist bekannt geworden, die Sensoren dabei auf einer einzigen Platine anzuordnen, mit denen ein Ringmagnet seitlich an einer der Wellen und der andere stirnseitig an der anderen Welle angeordnet wird.
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Bei hohen Drehzahlen können dabei jedoch Erfassungsfehler auftreten auf Grund von Magnetfeldstärken und -schwankungen von den rotierenden Magneten. Insbesondere kann dabei ein „Übersprechen“ erfolgen, was bedeutet, dass das Magnetfeld des einen Sensors sich auch auf das andere Magnetfeld bzw. dessen Erfassung von dem anderen Sensor auswirkt. Dies führt zu dann zu Fehlmessungen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Überwachung der Drehzahl eines Motors und einen Antrieb zur Verfügung zu stellen, welche einfach und kostengünstig herstellbar sind und eine zuverlässige Erfassung der Drehzahl beziehungsweise Position von zwei Wellen ermöglicht.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Vorrichtung zur Überwachung der Drehzahl eines Motors und einen alternativen Antrieb anzugeben.
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In einer Ausführungsform löst die vorliegende Erfindung die vorstehend genannten Aufgaben durch eine Vorrichtung zur Überwachung der Drehzahl eines Motors, insbesondere eines BLDC-Motors, umfassend eine Antriebswelle des Motors, eine zweite Welle, welche stirnseitig mit einem Sensierobjekt zur Sensierung einer Relativposition der zweiten Welle versehen ist, eine Drehzahlübertragungseinrichtung zur Übertragung zumindest der Drehzahl der Antriebswelle des Motors auf die zweite Welle, und einen Sensor zur Sensierung des Seniserobjekts zur Ermittlung der Relativposition der Antriebswelle anhand der Relativposition der zweiten Welle.
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In einer weiteren Ausführungsform löst die vorliegende Erfindung die vorstehend genannten Aufgaben mit einem Antrieb für ein Fahrzeug, insbesondere ein Fahrzeug mit zumindest einer elektrischen Antriebseinrichtung, umfassend eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-17 zur Überwachung der Drehzahl der elektrischen Antriebseinrichtung.
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Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass auf einfache und kostengünstige Weise eine kompakte Vorrichtung zur zuverlässigen Erfassung der Relativposition einer Welle zur Verfügung gestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine aufwendige Anordnung, beispielsweise eine Anordnung zweier Sensoren für die Erfassung der Relativposition einer Welle und der Absolutposition einer anderen Welle auf unterschiedlichen Platinen so vermieden werden kann.
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Der Begriff „Drehzahlübertragungseinrichtung“ ist im weitesten Sinne zu verstehen und bezieht sich insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung auf jegliche Ein- oder Vorrichtung, mit der eine Rotation einer ersten Welle auf eine zweite Welle übertragen werden kann. Mittels einer Drehzahlübertragungseinrichtung werden insbesondere keine wesentlichen Drehmomente übertragen, es kann jedoch auch vorgesehen werden, wesentliche Drehmomente übertragen zu können. Die Übertragung der Drehzahl kann dabei mechanisch, hydraulisch, pneumatisch und/oder elektrisch erfolgen. Gegenüber einer Drehmomentübertragungseinrichtung aus Elektromotor und Antrieb für ein Fahrzeug überträgt die Drehzahlübertragungseinrichtung beispielsweise weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5%, insbesondere weniger als 0,5%, und mehr als 0,01 %, insbesondere mehr als 0,1%, vorzugsweise mehr als 1 % der maximal möglichen Drehmomentübertragung durch die Drehmomentübertragungseinrichtung.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind Antriebswelle und zweite Welle parallel zueinander angeordnet. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass auf einfache und kompakte Weise eine zuverlässige Drehzahlübertragungseinrichtung zur Verfügung gestellt wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das zumindest eine Sensierobjekt einen Magnet. Vorteil hiervon ist, dass übliche Hall-Sensoren verwendet werden können und gleichzeitig eine zuverlässige Erfassung des Magnetfelds des Magneten ermöglicht wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Drehzahlübertragungseinrichtung eine Zahnriemenverbindung zwischen Antriebswelle und zweiter Welle. Vorteil einer Zahnriemenverbindung ist, dass das Verdrehspiel, wie es beispielsweise bei einer Zahnradverbindung auftreten kann, minimiert werden kann. Ebenso können ungünstige Übersetzungen vermieden werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Verzahnung an Antriebswelle und/oder zweiter Welle für die Zahnriemenverbindung mittels Vertiefungen in der jeweiligen Welle bereitgestellt. Durch die Vertiefungen ragt die Verzahnung nicht über den Außenumfang der jeweiligen Welle vor, was die Montage erheblich vereinfacht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Drehzahlübertragungseinrichtung eine Zahnradverbindung zwischen Antriebswelle und zweiter Welle. Dies ermöglicht eine einfache und zuverlässige Übertragung der Drehzahl der Antriebswelle auf die zweite Welle.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest ein Zahnrad der Zahnradverbindung zumindest teilweise aus Kunststoff hergestellt. Damit kann - da bei der Drehzahlübertragungseinrichtung kaum beziehungsweise wenig Drehmoment übertragen werden muss - auf kostengünstige Weise eine Zahnradverbindung bereitgestellt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Zahnradverbindung mittels einer Stirnradstufe bereitgestellt. Vorteil hiervon ist, dass eine große Flexibilität hinsichtlich der Ausgestaltung der Zahnradverbindung bereitgestellt wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Welle in Form der Antriebswelle ausgebildet, wobei die Länge der zweiten Welle kürzer ist als die Antriebswelle des Motors. Dies ermöglicht eine kostengünstige Bereitstellung der zweiten Welle, da lediglich eine zweite Antriebswelle hergestellt und gekürzt werden muss.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Drehzahlübertragungseinrichtung eine Abtriebswelle, die einerseits mit der Antriebswelle, andererseits mit der zweiten Welle zusammenwirkt. Damit kann auf einfache Weise mit wenig zusätzlichen Bauteilen eine Drehzahlübertragungseinrichtung bereitgestellt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Zahnradverbindung zwischen Abtriebswelle und zweiter Welle angeordnet. Dies ermöglicht eine flexiblere Anordnung der zweiten Welle in Bezug auf die Abtriebswelle.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung stellt die Drehzahlübertragungseinrichtung eine Übersetzung ins Langsame bereit. Vorteil hiervon ist, dass eine genauere Erfassung des Sensierobjekts möglich wird. Darüber hinaus werden die Komponenten der zweiten Welle und der Drehzahlübertragungseinrichtung weniger mechanisch belastet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Welle mittels zumindest zweier Lager drehbar gelagert, insbesondere wobei die zumindest zwei Lager nebeneinander angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine hohe Biegesteifigkeit der zweiten Welle bereitgestellt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die zumindest zwei Lager in Form von Wälzlagern bereitgestellt. Diese ermöglichen eine zuverlässige Lagerung der Wellen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind zwei Sensoren angeordnet und es ist jeweils ein Sensierobjekt auf Antriebswelle und zweiter Welle angeordnet, wobei die beiden Sensoren auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sind. Vorteil hiervon ist, dass gleichzeitig mittels zweier Sensoren auf einer Platine die entsprechenden Positionen der beiden Wellen, also Relativposition der einen Welle und Absolutposition der anderen Welle ermittelt werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das zumindest eine Sensierobjekt und/oder zumindest eine Komponente der Drehzahlübertragungseinrichtung aufgepresst, aufgeklebt und/oder aufgespritzt. Vorteil ist eine einfache, schnelle und gleichzeitig zuverlässige Festlegung des Sensierobjekts auf der jeweiligen Welle und/oder eine Komponente der Drehzahlübertragungseinrichtung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist insbesondere stirnseitig an der Antriebswelle ein Sensierobjekt zur Sensierung einer Absolutposition der Antriebswelle angeordnet. Vorteil hiervon ist eine besonders zuverlässige Erfassung der Absolutposition der Antriebswelle mittels eines entsprechenden Sensors, insbesondere eines Hall-Sensors zur Erfassung des Sensierobjekts, insbesondere in Form eines Magneten.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der dazugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Dabei zeigt in schematischer Form und im Querschnitt
- 1 einen Antrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 einen Antrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 einen Antrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 4 einen Antrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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1 zeigt einen Antrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist ein Antrieb 100 gezeigt. Der Antrieb 100 umfasst einen BLDC-Elektromotor 2, der eine Antriebswelle 3 aufweist. An der Antriebswelle 3 ist in einem Gehäuse 15 des Elektromotors 2 angeordnet und mittels eines Lagers 16 in dem an dem Gehäuse 15 festgelegten Flansch 15a drehbar gelagert. Parallel zur Antriebswelle 3 ist eine zweite Welle oder Vorgelegewelle 4 angeordnet, die mittels zweier Wälzlager 13a, 13b ebenfalls im Flansch 15a gelagert ist, was eine gute Kippsteifigkeit bei möglichen Radialkräften der Verzahnung ermöglichen kann. Weiterhin ist ein Zahnrad 6a an der Antriebswelle 3 angeordnet, das in ein Zahnrad 6b auf der Vorgelegewelle 4 zur Übertragung der Drehzahl der Antriebswelle 3 eingreift. Im Wesentlichen wird also durch die Zahnräder 6a, 6b eine Drehzahlübertragungseinrichtung 6 bereitgestellt. Das Zahnrad 6b der Vorgelegewelle 4 ist dabei stirnseitig - in 1 rechts - an der Vorgelegewelle 4 angeordnet. An der anderen Stirnseite der Vorgelegewelle 4 ist diese durch die beiden Wälzläger 13a, 13b gelagert. Auf der Stirnseite der Vorgelegewelle 4, auf der das Zahnrad 6b angeordnet ist, ist ebenfalls ein Sensierobjekt in Form eines Magneten 5 festgelegt. Diesem direkt gegenüber in gedachter Verlängerung der Vorgelegewelle 4 ist ein Hall-Sensor 7 auf einer Platine 14 angeordnet, um so die Relativposition der Vorgelegewelle 4 zu ermitteln. Im Bereich der Antriebswelle 3 weist die Platine 14 eine Aussparung 17 auf, durch die sich die Antriebswelle 3 hindurch erstreckt. In diesem Bereich der Antriebswelle ist ein Ringmagnet 50 angeordnet, der mittels eines Hall-Sensors (nicht gezeigt) auf der Platine 14 detektiert werden kann, um so die Absolutposition der Antriebswelle 3 zu ermitteln.
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Insbesondere sind es bei einer solchen Anordnung der Vorgelegewelle 4 im vorderen Bereich des Elektromotors 2 Steckeranbindungen an den Elektromotor 2 und an die Platine 14 vorteilhaft.
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Mit anderen Worten ist in 1 eine zweite Welle 4 seitlich der Antriebswelle 3 angeordnet, sodass ein Magnet 5 in der Drehachse der zweiten Welle 4 angeordnet werden kann. Dieser kann aufgeklebt, aufgepresst oder aufgespritzt werden. Mittels der genannten Stirnradstufe kann in der Gestaltung ein hoher Freiheitsgrad erreicht werden, da keine wesentlichen Drehmomente übertragen werden müssen. Beispielsweise können die Zahnräder 6a, 6b aus Kunststoff hergestellt werden. Ebenso können diese form- und/oder kraftschlüssig mit der jeweiligen Welle 3, 4 verbunden sein, beispielsweise auf diese aufgeklebt, aufgepresst oder aufgespritzt werden.
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Die in 1 gezeigte Anordnung radial außen kann aufgrund der Montagereihenfolge erforderlich sein, wodurch der Durchmesser eines Rotors des Elektromotors 2 kleiner sein muss als der Bohrungsdurchmesser der Platine 14. Für eine kompakte Bauweise sind insbesondere bei Lagern 13a, 13b, 16 Standardkomponenten zu verwenden. Die Übersetzung ist insbesondere so zu wählen, dass die Vorgelegewelle 4 ins Langsame übersetzt wird.
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Das Verdrehspiel zwischen den Verzahnungen ist insbesondere möglichst gering zu wählen, da dies die Regelung des Elektromotors 2 beeinflussen kann. Das Verdrehspiel kann regelmäßig ermittelt und in einer Software hinterlegt werden, um zu vermeiden, dass falsche oder „Fehlpositionen“ bei der Ermittlung der Positionen der Wellen 3, 4 ermittelt und diese dann als Basis für die Regelung des Elektromotors herangezogen werden.
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2 zeigt einen Antrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt im Wesentlichen einen Antrieb 100 gemäß 1. Im Unterschied zum Antrieb 100 gemäß 1 weist der Antrieb 100 gemäß 2 nun anstelle einer Drehzahlübertragungseinrichtung 6 mittels Zahnrädern nun eine Drehzahlübertragungseinrichtung 6 in Form eines Zahnriemens 9 auf. Hierzu weist zumindest eine der Welle 3, 4, insbesondere beide Wellen 3, 4, eine nicht erhabene Verzahnung 10 für den Zahnriemen 9 auf, um eine einfache Montage zu ermöglichen.
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3 zeigt einen Antrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt im Wesentlichen einen Antrieb 100 gemäß 1. Im Unterschied zum Antrieb 100 gemäß 1 weist der Antrieb 100 gemäß 3 nun anstelle einer Drehzahlübertragungseinrichtung 6 mittels Zahnrädern nun eine Drehzahlübertragungseinrichtung 6 mittels einer Abtriebswelle 11 auf, die mit der Antriebswelle 3 des Elektromotors 2 zur Übertragung von Drehmomenten verbunden ist. Weiterhin ist die zweite Welle 4, die in Form einer verkürzten Antriebswelle 3 ausgebildet ist, mit der Abtriebswelle 11 verbunden. Wird nun die Antriebswelle 3 mittels des Elektromotors 2 angetrieben, wird über diese auch die Abtriebswelle 11 betätigt. Durch die Betätigung der Abtriebswelle 11 wird ebenfalls die zweite Welle 4 in Form einer verkürzten Antriebswelle 3 betätigt, an deren einer Stirnseite wiederum ein konzentrisch auf der zweiten Welle 4 angeordneter Magnet 5 zur Sensierung mittels eines Hall-Sensors 7 auf einer Platine 14 angeordnet ist. Die Position der Abtriebswelle 11 kann dabei ebenfalls in bekannter Weise stirnseitig mit einem Sensierobjekt und einem entsprechenden Sensor 7` ermittelt werden. Die Lagerung der zweiten Welle 4 erfolgt dabei in analoger Weise zur Antriebswelle 3. Die Platine 14 ist dabei zwischen Elektromotor 2 und Abtriebswelle 11 in axialer Richtung angeordnet.
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4 zeigt einen Antrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt im Wesentlichen einen Antrieb 100 gemäß 3. Im Unterschied zum Antrieb 100 gemäß 3 weist der Antrieb 100 gemäß 4 nun anstelle einer Drehzahlübertragungseinrichtung 6 direkt zwischen Abtriebswelle 11 und zweiter Welle 4 eine verlängerte Antriebswelle 4 in Richtung des Elektromotors 2 auf, an deren entsprechender Stirnseite nun eine Zahnradverbindung 6 zur Übertragung der Drehzahl der Abtriebswelle 11 auf die zweite Welle 4 angeordnet ist. Hierbei ist nun die zweite Welle 4 seitlich im Bereich der Antriebswelle 3 am Elektromotor 2 gelagert.
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Auf dieser Weise kann die Sensierung mittels der Sensoren 7, 7' in dem von der Abtriebswelle 11 abgewandten Bereich 12a, 12b des Elektromotors 2 erfolgen, wodurch eine stirnseitige Sensierung von Antriebswelle 3 und zweiter Welle 4 ermöglicht wird.
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So kann beispielsweise im Bereich 12b - und analog auch im Bereich 12a an der Stirnseite der zweiten Welle 4 ein Sensor 7, 7' angeordnet sein, der einen entsprechenden Ringmagneten 5 detektieren kann.
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Zusammenfassend stellt zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile und/oder zumindest eines der folgenden Merkmale bereit:
- - Einfache, kostengünstige Herstellung.
- - Zuverlässige Erfassung der Relativ- und Absolutposition von Wellen
- - Einfache, kostengünstige Montage.
- - Hohe Flexibilität
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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Bezugszeichen
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Elektromotor
- 3
- Antriebswelle
- 4
- Vorgelegewelle
- 5
- Magnet
- 6
- Drehzahlübertragungseinrichtung
- 6a, 6b
- Zahnrad
- 7, 7'
- Hall-Sensor
- 8
- Zahnriemenverbindung
- 9
- Zahnriemen
- 10
- Vertiefung
- 11
- Abtriebswelle
- 12a, 12b
- Hinterer Bereich Elektromotor
- 13a, 13b
- Wälzlager
- 14
- Platine
- 15
- Gehäuse
- 15a
- Flansch
- 16
- Lager
- 17
- Aussparung
- 50
- Ringmagnet
- 100
- Antrieb
