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Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor, insbesondere für eine elektrische Maschine, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug.
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Ein solcher Drehwinkelsensor ist beispielsweise bereits der
DE 10 2016 203 234 A1 als bekannt zu entnehmen. Der Drehwinkelsensor weist einen Stator auf, welcher wenigstens zwei Statorspulen aufweist, nämlich eine Statorsendespule und eine Statorempfangsspule. Der Drehwinkelsensor weist außerdem einen Rotor auf, welcher um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbar ist und sich in axialer Richtung des Drehwinkelsensors an den Stator anschließt. Der Rotor weist wenigstens zwei elektrisch miteinander verbundene und dadurch insbesondere kurz geschlossene Rotorspulen auf, nämlich eine Rotorsendespule und eine Rotorempfangsspule.
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Des Weiteren offenbart die
DE 10 2010 043 588 A1 einen Drehwinkelsensor, mit einem Stator einschließlich einer Erregerspule zum Aufnehmen eines Erregungssignals und einer Erfassungsspule zum Abgeben eines Erfassungssignals. Vorgesehen ist außerdem ein Rotor, der drehbar so platziert ist, dass er dem Stator zugewandt ist. Ferner ist aus der
DE 10 2016 202 871 D3 ein Drehwinkelsensor bekannt. Aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt sind außerdem Leiterplatten, welche auch als Leiterkarten, Platinen oder gedruckte Schaltungen (PCB - Printed Circuit Board) bezeichnet werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drehwinkelsensor der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln und eine elektrische Maschine zu schaffen, das ein besonders bauraum-, gewichts- und kostengünstiger Aufbau des Drehwinkelsensors realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Drehwinkelsensor mit dem Merkmal des Patentanspruchs 1 sowie durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um einen Drehwinkelsensor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, darin besonders bauraum-, gewichts- und kostengünstiger Aufbau des Drehwinkelsensors realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, das die Statorspulen in eine erste Leiterplatte des Drehwinkelsensors und die Rotorspulen in eine zweite Leiterplatte des Drehwinkelsensors eingebettet sind, dessen jeweiliges magnetisches, insbesondere elektromagnetisches, Feld zum Erfassen eines Drehwinkels zwischen einem Stator und dem Rotor in axialer Richtung des Drehwinkelsensors verläuft. Der Drehwinkelsensor ist somit als ein auch als Axial-Resolver bezeichneter Axial-Drehwinkelsensor ausgebildet, wodurch im Vergleich zu herkömmlichen, radialen Drehwinkelsensoren der Bauraumbedarf des Drehwinkelsensors reduziert werden kann. Durch die Einbettung der Statorspulen in die erste Leiterplatte und durch die Einbettung der Rotorspulen in die zweite Leiterplatte, welche vorzugsweise separat von der ersten Leiterplatte ausgebildet, können außerdem im Vergleich zu herkömmlichen, radialen Drehwinkelsensoren das Gewicht, und der Bauraumbedarf und die Kosten des Drehwinkelsensors reduziert werden. Insbesondere können im Vergleich zu herkömmlichen, radialen Drehwinkelsensoren übermäßig große Metallbleche sowie eine übermäßig große Anzahl an Spulen vermieden werden.
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Zur Erfindung gehört auch eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug. Dies bedeutet, dass das einfach auch als Fahrzeug bezeichnete Kraftfahrzeug in so einem vollständig hergestellten Zustand die Elektromaschine aufweist um mittels der Elektromaschine, insbesondere rein, elektrisch antreibbar ist. Die Elektromaschine weist wenigstens einen erfindungsgemäßen Drehwinkelsensor auf. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine anzusehen und umgekehrt.
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Das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors zum Erfassen des Drehwinkels zwischen dem Rotor und dem Stator gleicht oder ähnelt dem eines herkömmlichen Drehwinkelsensors, jedoch unterscheidet sich der erfindungsgemäße Drehwinkelsensor hinsichtlich seines mechanischen Aufbaus und hinsichtlich einer Richtung, in die das magnetische Feld zum Erfassen des Drehwinkels fließt, von herkömmlichen radialen Drehwinkelsensoren. Die genannte Richtung wird auch als Feldrichtung bezeichnet. Hinsichtlich des mechanischen Aufbaus ist es bei der Erfindung vorgesehen, dass die auch als Statorwicklungen bezeichneten Statorspulen in die erste Leiterplatte und die auch als Rotorwicklungen bezeichneten Rotorspulen in die zweite Leiterplatte eingebettet sind. Außerdem ist eine axiale Ausrichtung des jeweiligen magnetischen Felds vorgesehen, welches somit in axialer Richtung des Drehwinkelsensors verläuft. Somit verläuft die zuvor genannte, auch als Feldrichtung bezeichnete Richtung in axialer Richtung des Drehwinkelsensors, dessen axiale Richtung mit der Drehachse zusammenfällt, das heißt entlang der Drehachse verläuft. Eine der Statorspulen ist beispielsweise eine auch als Primärwicklung bezeichnet Primärspule, wobei beispielsweise die andere Statorspule eine auch als Sekundärwicklung bezeichnete Sekundärspule ist. Die Statorspulen können beispielsweise über mehrere Lagen in die erste Leiterplatte integriert sein. Ein Anteil der Rotorspulen beträgt beispielsweise vier, kann jedoch beliebig sein. Die Rotorspulen sind elektrisch miteinander verbunden untätig beispielsweise kurzgeschlossen. Dabei unterscheidet sich beispielsweise die Richtung des induzierten Stroms zwischen den Wicklungen, sodass sich unterschiedliche Pole insbesondere in Form von Nord- und Südpolen ausbilden. Es kann eine beliebige Anzahl an Polpaaren mit diesem Konzept dargestellt werden.
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Die Rotorspulen und die Statorspulen werden zusammenfassend auch als Spulen oder Wicklungen bezeichnet. Durch das Einbetten der Spulen in die Leiterplatten können kostengünstiger Aufbau realisiert werden, außerdem kann eine präzise und robuste Fertigung dargestellt werden. In Kombination mit der axialen Ausrichtung des jeweiligen elektromagnetischen Felds und somit der Spulen ist ein kompakter und in axialer Richtung dünner Aufbau mit einer hohen Freiheit hinsichtlich Form und Größe des Drehwinkelsensors realisierbar. Außerdem kann ein Materialeinsatz zum Herstellen des Drehwinkelsensors vorteilhaft geringgehalten werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische und geschnittene Seitenansicht eines Drehwinkelsensors, insbesondere für eine elektrische Maschine; und
- 2 jeweils eine schematische Draufsicht eines Stators und eines Rotors des Drehwinkelsensors.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichem Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht einen Drehwinkelsensor 10, insbesondere für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs. Der Drehwinkelsensor 10 weist einen Stator 12 und einen Rotor 14 auf, welcher um eine Drehachse 16 relativ zu dem Stator 12 drehbar ist. Außerdem schließt sich der Rotor 14 in axialer Richtung des Drehwinkelsensors 10, dessen radiale Richtung senkrecht zur axialen Richtung des Drehwinkelsensors 10 verläuft, an den Stator 12 an. Die axiale Richtung des Drehwinkelsensors 10 fällt mit der Drehachse 16 zusammen und ist in 1 durch einen Doppelpfeil 18 veranschaulicht.
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2 zeigt den Stator 12 und den Rotor 14 in einer jeweiligen, schematischen Draufsicht. Aus 1 und 2 ist erkennbar, dass der Stator 12 wenigstens zwei Statorspulen 20a und 20b aufweist. Bei dem in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Stator 12 wenigstens oder genau drei Statorspulen 20a, 20b und 20c auf. Die Statorspulen 20a-c werden auch als Statorwicklungen bezeichnet. Beispielsweise ist die Statorspule 20a eine Statorerregerspule, welche auch als Statorerregerwicklung oder Statorerregerspule bezeichnet wird. Beispielsweise wird die Statorspule 20a auch als Primärwicklung oder Primärspule bezeichnet. Beispielsweise sind die Statorspulen 20b und 20c Statorempfangsspulen, welche auch als Statorempfangswicklungen, Sekundärwicklungen oder Sekundärspulen bezeichnet werden. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist beispielsweise die Statorspule 20b eine auch als Kosinus-Wicklung bezeichnete Kosinusspule, wobei beispielsweise die Statorspule 20c eine auch als Sinus-Spule bezeichnete Sinus-Wicklung ist.
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Erkennbar aus 2 ist auch, dass der Stator 14 wenigstens zwei elektrisch miteinander verbunden und dadurch beispielsweise kurzgeschlossene Statorspulen 22a und 22b aufweist. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Rotor 14 wenigstens oder genau vier Rotorspulen 22a-d auf, welcher auch als Rotorwicklungen bezeichnet werden. Beispielsweise sind vorliegend die Rotorspulen 22a und 22b elektrisch miteinander verbunden und dadurch beispielsweise kurzgeschlossen, und beispielsweise sind vorliegend die Rotorspulen 22c und 22d elektrisch miteinander verbunden dadurch beispielsweise kurzgeschlossen. Beispielsweise sind 2 der Rotorspulen 22a-d sogenannte Rotorsendespulen, welche aus Rotorsendewicklungen bezeichnet werden. Ferner sind beispielsweise zwei der Rotorspulen 22a-d sogenannte Rotorempfangsspulen, welche aus Rotorempfangswicklungen bezeichnet werden. Die Statorspulen 20a-c und die Rotorspulen 22a-d werden zusammenfassend auch als Spulen oder Wicklungen bezeichnet. Vorliegend bilden die Rotorspulen 22a und 22b ein erstes Polpaar aus einem ersten Nordpol N und einem ersten Südpol S. Ferner bilden beispielsweise vorliegend die Rotorspulen 22c und 22d ein zweites Polpaar mit einem zweiten Nordpol N und einem zweiten Südpol S. Die Sinus-Spule und die Kosinus-Spule sind mechanisch um 90 Grad versetzt zueinander angeordnet, insbesondere um die Drehachse 16 betrachtet. Während eines betriebs des Drehwinkelsensors 10 und somit beispielsweise der elektrischen Maschine erzeugen beispielsweise die Rotorsenderspule und die Statorsendespule ein jeweiliges magnetisches, insbesondere elektromagnetisches, Feld, mittels welchem insbesondere um die Drehachse 16 betrachtet, ein Drehwinkel zwischen dem Stator 12 und dem Rotor 14 erfassbar ist. während des betriebs dreht sich insbesondere der Rotor 14 um die Drehachse 16 relativ zu dem Stator 12. Die magnetischen Felder bewirken, insbesondere induzieren, wenigstens einen elektrischen Strom und/oder eine elektrische Spannung, insbesondere eine elektrische Wechselspannung, wobei eine Richtung des bewirkten, insbesondere induzierten, Stroms und/oder der Spannung winkelabhängig ist, sodass beispielsweise in Abhängigkeit von dem Strom und/oder der Spannung der Drehwinkel erfasst werden kann.
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Um nun einen besonders kosten-, gewichts- und bauraumgünstigen Aufbau des Drehwinkelsensors 10 realisieren zu können, sind die Statorspulen 22a-c in eine erste Leiterplatte 24 des Drehwinkelsensors 10 eingebettet, und die Rotorspulen 22a-d sind in eine zweite Leiterplatte 26 des Drehwinkelsensors 10 eingebettet, dessen jeweiliges magnetisches Feld zum Erfassen des Drehwinkels zwischen dem Stator 12 und dem Rotor 14 in axialer Richtung des Drehwinkelsensors 10 verläuft. In 1 ist das jeweilige magnetische Feld des Drehwinkelsensors 10 durch Pfeile 28 veranschaulicht. Wie anhand der Pfeile 28 veranschaulicht ist, verläuft das jeweilige magnetische und zum Erfassen des Drehwinkels vorgesehene Feld in axialer Richtung des Drehwinkelsensors 10.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Drehwinkelsensor
- 12
- Stator
- 14
- Rotor
- 16
- Drehachse
- 18
- Doppelpfeil
- 20a-c
- Statorwicklung
- 22a-d
- Rotorwicklung
- 24
- erste Leiterplatte
- 26
- Zweite Leiterplatte
- 28
- Pfeile
- N
- Nordpol
- S
- Südpol
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016203234 A1 [0002]
- DE 102010043588 A1 [0003]
- DE 102016202871 [0003]
