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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Anmeldung bezieht sich allgemein auf elektrische Maschinen und im Besonderen auf ein Motorpositionssensorsystem für elektrische Maschinen.
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HINTERGRUND
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Verschiedene Arten von rotierenden elektrischen Maschinen werden in einer großen Anzahl von Anwendungen eingesetzt. So werden beispielsweise Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSM) aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte, ihres hervorragenden Regelungsverhaltens und ihrer Zuverlässigkeit häufig in elektrischen Antriebsanwendungen eingesetzt.
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Die Erfassung der Rotorposition ist entscheidend für den effizienten Betrieb von PMSM. Für die Erfassung der Rotorposition in PMSM einiger Fahrzeugsysteme werden häufig der Zahnradsensor (GTS) und der permanentmagnetbasierte Sensor (PMS) verwendet. Diese beiden Sensortechniken sind effizient und gut entwickelt. Allerdings erfordern diese Sensortechniken eine separate Anordnung und zusätzlichen Platz neben der aktiven Motorlänge. Darüber hinaus kann der permanentmagnetbasierte Rotorpositionssensor unter Problemen leiden, die mit dem Abfallen des Magneten, seiner Verschiebung und/oder seiner Entmagnetisierung zusammenhängen, was jeweils zur Erzeugung fehlerhafter Rotorpositionsdaten führt.
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Das Positionssensorsystem ist bei den vorstehend beschriebenen Systemen am axialen Ende des Gehäuses in einem EPS-Motorgehäuse oder Antriebssystemgehäuse platziert. Sowohl bei den GTS- als auch bei den PMS-Sensorsystemen ist eine gewisse räumliche Isolierung des Sensorsystems vom Hauptmotor erforderlich. Daher vergrößert sich die axiale Länge des Motorgehäuses erheblich, um das Sensorsystem einzubauen, wie nachstehend beschrieben.
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Zu den Komponenten eines GTS-Systems gehören in der Regel zwei Sätze von Verzahnungen aus magnetischem Material, zwei Permanentmagnete und zwei Sätze von Magnetsensoren. Die Permanentmagnete des Sensorsystems sind in Richtung der Verzahnung magnetisiert. Der Magnetsensor befindet sich zwischen dem Magneten und der Verzahnung. Wenn sich der Rotor und das magnetische Zahnrad drehen, erfährt das Feld des Sensormagneten einen variablen Reluktanzpfad. Die Zahnräder sind so geformt, dass im Magnetsensor ein sinusförmiger Ausgang erzeugt wird. Zu den Vorteilen des GTS-Systems gehören ein robuster mechanischer Aufbau und niedrige Kosten. Allerdings müssen zwei Permanentmagnet- und Zahnradsätze in axialem Abstand auf der Welle untergebracht werden. Dadurch werden die Länge der Welle und die axiale Länge des Motors erheblich vergrößert.
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Das auf einem Permanentmagnet basierende Sensorsystem weist einen kreisförmigen Permanentmagnet auf, der am Ende der Welle platziert ist. Mehrere Hall-Sensoren sind auf einer kreisförmigen Bahn und in einem bestimmten axialen Abstand vom Magneten angeordnet. Der Sensor erzeugt sinusförmige Ausgangssignale, die nachbearbeitet werden, um die genaue Rotorposition zu erzeugen. Obwohl die Leistung des Permanentmagnetsensors sehr gut ist, sind die Herstellungskosten hoch, und er benötigt einen bestimmten Platz an einem Ende der Welle. Ein Problem des PMS-Systems besteht darin, dass der Magnet bei höheren Betriebsdrehzahlen abfallen oder ein wenig verdreht oder verschoben werden kann. In einem solchen Fall zeigt die Positionserfassung ein fehlerhaftes Ergebnis bei der Vorhersage der Motorposition an.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einem Aspekt der Offenbarung umfasst eine elektrische Maschine eine Rotorstruktur, die innerhalb eines Stators und eines Motorgehäuses angeordnet ist, wobei sich die Rotorstruktur von einem ersten Rotorende zu einem zweiten Rotorende erstreckt, wobei das zweite Rotorende mehrere axial gestapelte Bleche aufweist. Die elektrische Maschine umfasst auch eine Motorausgangswelle, die wirksam mit dem ersten Rotorende gekoppelt oder einstückig mit diesem ausgebildet ist. Die elektrische Maschine umfasst ferner ein Motorpositionssensorsystem. Das Motorpositionssensorsystem umfasst mehrere erste Ausschnitte, die in den mehreren axial gestapelten Blechen am zweiten Rotorende definiert sind, wobei die mehreren ersten Ausschnitte eine zunehmend kleinere Querschnittsfläche an jedem Blech der mehreren axial gestapelten Bleche aufweisen. Das Motorpositionssensorsystem umfasst auch mehrere zweite Ausschnitte, die in den mehreren axial gestapelten Blechen am zweiten Rotorende definiert sind, wobei die mehreren zweiten Ausschnitte eine zunehmend kleinere Querschnittsfläche an jedem Blech der mehreren axial gestapelten Bleche aufweisen, wobei die mehreren zweiten Ausschnitte radial außerhalb der mehreren ersten Ausschnitte auf der Rotorstruktur angeordnet sind. Das Motorpositionssensorsystem umfasst ferner mehrere Motorsensoren, die axial von dem zweiten Rotorende beabstandet sind. Das Motorpositionssensorsystem umfasst weiterhin mehrere Sensormagnete, die axial von dem zweiten Rotorende und den mehreren Motorsensoren beabstandet sind, wobei die mehreren Motorsensoren und die mehreren Sensormagnete wirksam mit einer gedruckten Leiterplatte gekoppelt sind, die wirksam mit dem Motorgehäuse gekoppelt ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Offenbarung umfasst ein elektrisches Servolenkungssystem (EPS-System) für ein Fahrzeug ein Getriebe, das mit einer Komponente des Lenksystems wirksam verbunden ist, um eine mechanische Unterstützung für eine Lenkkraft bereitzustellen. Das EPS-System umfasst auch eine Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM) mit einer Rotorstruktur, wobei die Rotorstruktur innerhalb eines Stators und eines Motorgehäuses angeordnet ist, wobei sich die Rotorstruktur von einem ersten Rotorende zu einem zweiten Rotorende erstreckt, wobei das zweite Rotorende mehrere axial gestapelte Bleche aufweist. Das EPS-System umfasst ferner eine Motorausgangswelle, die wirksam mit dem ersten Rotorende gekoppelt oder einstückig mit diesem ausgebildet ist, wobei die Motorausgangswelle wirksam mit dem Getriebe gekoppelt ist, um Leistung von dem PMSM auf das Getriebe zu übertragen. Das EPS-System umfasst außerdem ein Motorpositionssensorsystem. Das Motorpositionssensorsystem umfasst mehrere erste Ausschnitte, die in den mehreren axial gestapelten Blechen am zweiten Rotorende definiert sind, wobei die mehreren ersten Ausschnitte eine zunehmend kleinere Querschnittsfläche an jedem Blech der mehreren axial gestapelten Bleche aufweisen. Das Motorpositionssensorsystem umfasst auch mehrere zweite Ausschnitte, die in den mehreren axial gestapelten Blechen am zweiten Rotorende definiert sind, wobei die mehreren zweiten Ausschnitte eine zunehmend kleinere Querschnittsfläche an jedem Blech der mehreren axial gestapelten Bleche aufweisen, wobei die mehreren zweiten Ausschnitte radial außerhalb der mehreren ersten Ausschnitte an der Rotorstruktur angeordnet sind.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Offenbarung wird ein Verfahren zur Erfassung einer Motorposition einer elektrischen Maschine bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Anordnen mehrerer Sensormagnete axial beabstandet von einem Ende einer Rotorstruktur, wobei das Ende der Rotorstruktur mehrere erste Ausschnitte und mehrere zweite Ausschnitte umfasst, die in mehreren axial gestapelten Blechen definiert sind, wobei die mehreren ersten Ausschnitte eine zunehmend kleinere Querschnittsfläche an jedem Blech der mehreren axial gestapelten Bleche aufweisen, und die mehreren zweiten Ausschnitte eine zunehmend kleinere Querschnittsfläche an jedem Blech der mehreren axial gestapelten Bleche aufweisen, wobei die mehreren zweiten Ausschnitte radial außerhalb der mehreren ersten Ausschnitte an der Rotorstruktur angeordnet sind. Das Verfahren umfasst auch das Anordnen mehrerer Motorsensoren zwischen dem Ende der Rotorstruktur und den mehreren Sensormagneten. Das Verfahren umfasst ferner das Erzeugen eines magnetischen Flusses in Richtung der Bleche mit den mehreren ersten und zweiten Ausschnitten, um einen variablen Reluktanzpfad mit den mehreren ersten und zweiten Ausschnitten bereitzustellen, wenn sich die Rotorstruktur dreht. Das Verfahren umfasst ferner das Erfassen von Veränderungen des magnetischen Flusses mit einem Paar von Ausgangssignalen. Das Verfahren umfasst auch das Berechnen einer Winkelposition der Rotorstruktur auf der Grundlage des Paars von Ausgangssignalen.
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Diese und andere Vorteile und Merkmale werden in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, ist in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung besonders hervorgehoben und eindeutig beansprucht. Die vorstehenden und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen:
- 1 schematisch ein elektrisches Servolenkungssystem (EPS-System) zeigt;
- 2 eine perspektivische Ansicht eines Motors eines Fahrzeugsystems ist;
- 3 eine perspektivische Ansicht eines Motorpositionssensorsystems für den Motor ist;
- 4 eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Motorpositionssensorsystems von 3 ist;
- 5 eine Aufrissansicht des Motorpositionssensorsystems von 3 und 4 ist;
- 6 eine Draufsicht auf einen Teil des Motorpositionssensorsystems von 3-5 ist;
- 7 eine perspektivische Ansicht des Motorpositionssensorsystems gemäß einem anderen Aspekt der Offenbarung ist;
- 8 eine perspektivische Ansicht des Motorpositionssensorsystems gemäß einem anderen Aspekt der Offenbarung ist; und
- 9 eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Motorpositionssensorsystems von 8 ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wird, ohne diese einzuschränken, zeigt 1 eine beispielhafte Ausführungsform eines elektrischen Servolenkungssystems (EPS-Systems) 40, das für die Implementierung der offenbarten Ausführungsformen geeignet ist. Ein Lenkmechanismus 36 ist ein Zahnstangen-Ritzel-System und umfasst eine Zahnstange (nicht dargestellt) in einem Gehäuse 50 und ein Ritzel (ebenfalls nicht dargestellt), das sich unter einem Getriebegehäuse 52 befindet. Wenn eine Bedienereingabe, im Folgenden als Lenkrad 26 (z. B. ein Handrad oder ähnliches) bezeichnet, gedreht wird, dreht sich eine obere Lenkwelle 29, und die untere Lenkwelle 51, die mit der oberen Lenkwelle 29 über ein Universalgelenk 34 verbunden ist, dreht das Ritzel. Durch die Drehung des Ritzels wird die Zahnstange bewegt, die wiederum die Spurstangen 38 (nur eine abgebildet) bewegt, die wiederum Achsschenkel 39 (nur einer abgebildet) bewegen, die lenkbare Straßenräder 44 (nur eines abgebildet) drehen bzw. einschlagen.
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Die elektrische Servolenkungsunterstützung wird durch die allgemein mit Bezugszeichen 24 bezeichnete Steuervorrichtung bereitgestellt und umfasst einen Controller 16 und eine elektrische Maschine 46, die ein Permanentmagnet-Synchronmotor ist und im Folgenden als Motor 46 bezeichnet wird. Der Controller 16 wird von der Fahrzeugstromversorgung 10 über eine Leitung 12 mit Strom versorgt. Ein Lenkwinkel wird durch einen Lenkwinkelpositionssensor 32 gemessen, der ein optischer Kodierungssensor, ein Sensor mit variablem Widerstand oder ein anderer geeigneter Positionssensor sein kann und dem Controller 16 ein Positionssignal 20 liefert.
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Wenn das Lenkrad 26 gedreht wird, erfasst der Drehmomentsensor 28 das vom Fahrzeugführer auf das Lenkrad 26 ausgeübte Drehmoment. Der Drehmomentsensor 28 kann einen Torsionsstab (nicht abgebildet) und einen variablen Widerstandssensor (ebenfalls nicht abgebildet) umfassen, der ein variables Drehmomentsignal 18 an den Controller 16 in Abhängigkeit vom Ausmaß der Verdrehung des Torsionsstabs ausgibt. Obwohl es sich hierbei um eine Art von Drehmomentsensor handelt, ist jede andere geeignete Vorrichtung zur Erfassung des Drehmoments, die mit bekannten Signalverarbeitungstechniken verwendet wird, ausreichend. Als Reaktion auf die verschiedenen Eingaben sendet der Controller einen Befehl 22 an den Elektromotor 46, der über eine Schnecke 47 und ein Schneckenrad 48 eine Drehmomentunterstützung für die Lenkung des Fahrzeugs liefert, wodurch eine Drehmomentunterstützung für die Fahrzeuglenkung bereitgestellt wird.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die offengelegten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf eine Motorsteuerung für elektrische Lenkanwendungen beschrieben werden, diese Bezugnahmen nur illustrativ sind und die offengelegten Ausführungsformen auf jede Motorsteuerungsanwendung angewendet werden können, die einen Elektromotor verwendet, z. B. Lenkung, Ventilsteuerung und dergleichen. Darüber hinaus können die hierin enthaltenen Hinweise und Beschreibungen auf viele Arten von Parametersensoren angewendet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Drehmoment, Position, Drehzahl und dergleichen. Es wird auch darauf hingewiesen, dass hier auf elektrische Maschinen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Motoren, Bezug genommen wird, wobei im Folgenden der Kürze und Einfachheit halber nur auf Motoren ohne Einschränkung Bezug genommen wird.
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Die Drehzahl des Motors 46 kann mit einem Tachometer oder einem anderen Gerät gemessen und als Motordrehzahlsignal 21 an das Steuergerät 16 übertragen werden. Eine mit ωm bezeichnete Motordrehzahl kann gemessen, berechnet oder durch eine Kombination daraus erfasst werden. Beispielsweise kann die Motordrehzahl ωm als die Änderung der Motorposition θ berechnet werden, die von einem Motorpositionssensorsystem 100 über ein vorgeschriebenes Zeitintervall gemessen wird. Beispielsweise kann die Motordrehzahl ωm als Ableitung der Motorposition θ aus der Gleichung ωm =Δθ/Δt bestimmt werden, wobei Δt die Abtastzeit und Δθ die Positionsänderung während des Abtastintervalls ist. Alternativ dazu kann die Motordrehzahl aus der Motorposition als zeitliche Änderungsrate der Position abgeleitet werden. Es wird deutlich, dass es zahlreiche bekannte Verfahren zur Durchführung der Funktion einer Ableitung gibt.
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Obwohl 1 eine Ausführungsform mit einem Motorpositionssensorsystem zeigt, das in einem Lenksystem verwendet wird, ist es zu verstehen, dass jede Art von rotierender elektrischer Maschine vorteilhaft die Motorposition mit den hier offengelegten Ausführungsformen überwachen und erfassen kann. Dies schließt verschiedene Fahrzeugsysteme ein, wie z. B. elektrische Fahrzeugantriebssysteme. Darüber hinaus können die Arten von elektrischen Maschinen synchron oder asynchron sein.
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In 2 ist der Motor 46 detaillierter dargestellt. Insbesondere ist der Motor 46 in einem Motorgehäuse 102 dargestellt und weist eine Motorausgangswelle 104 auf, die sich von einem ersten axialen Ende 106 des Motors 46 axial weg erstreckt. Die Motorausgangswelle 104 erstreckt sich von einer Rotorstruktur 108 aus, die sich innerhalb eines Stators des Motors 46 dreht. In der dargestellten Ausführungsform von 1 ist die Motorausgangswelle 104 wirksam mit der Schnecke 47 gekoppelt oder einstückig mit ihr ausgebildet, aber es versteht sich, dass die Art des vom Motor 46 angetriebenen Abtriebs variieren kann, da auch andere Anwendungen von PMSMs in Betracht gezogen werden, wie hierin beschrieben.
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Das Motorpositionssensorsystem 100 befindet sich innerhalb des Motorgehäuses 102 an einem zweiten axialen Ende 110 des Motors 46. Im Gegensatz zu Motorpositionssensorsystemen, die eine beträchtliche Verlängerung der Rotorstruktur 108 am zweiten axialen Ende 110 des Motors 46 erfordern, verwendet das hier offengelegte Motorpositionssensorsystem 100 gerillte Rotorbleche, um einen variablen Reluktanzpfad zu schaffen, eliminiert aber die Zahnradzähne, die auf einer Verlängerung der Rotorstruktur 108 platziert werden müssen, wodurch der erforderliche axiale Raum des Motorgehäuses 102 reduziert wird, um eine kompaktere Konstruktion zu schaffen. Insbesondere wird die Rotorstruktur 108 aus axial gestapelten Blechen in der Nähe des zweiten axialen Endes 110 des Motors 46 gebildet. Eine gedruckte Leiterplatte (PCB) 112 ist mit dem Motorgehäuse 102 an oder in der Nähe eines Endes 114 des Motorgehäuses 102, das dem zweiten axialen Ende 110 des Motors 46 am nächsten liegt, wirksam verbunden. Die Leiterplatte 112 enthält mehrere Motorsensoren 116 und Magnete 118, die dazu dienen, die Winkelposition der Rotorstruktur 108 zu erfassen, die die Position des Motors 46 anzeigt.
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In 3-6 ist eine Ausführungsform des Motorpositionssensorsystems 100 detaillierter dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Teil der Rotorstruktur 108, der sich am zweiten axialen Ende 110 des Motors 46 befindet, mehrere axial gestapelte Bleche 120. Die mehreren axial gestapelten Bleche 120 am Ende der Rotorstruktur 108 enthalten jeweils Ausschnitte, die allgemein mit Bezugszeichen 122 bezeichnet sind. Die Anzahl der Bleche 120, die Ausschnitte 122 enthalten, kann je nach Anwendung variieren. Unabhängig von der Anzahl der Bleche, die Ausschnitte 122 enthalten, nimmt die Querschnittsfläche der Ausschnitte von einem Blech zum nächsten in einer Richtung weg von dem Blech am Ende der Rotorstruktur 108 ab. Mit anderen Worten, das letzte Blech enthält Ausschnitte 122 mit einer Querschnittsfläche, die größer ist als die Querschnittsfläche eines benachbarten Blechs. Wie in 6 maßstabsgetreu dargestellt, definiert ein erstes Blech 124, das dem äußersten Blech entspricht, einen ersten Ausschnitt 126, der eine erste Querschnittsfläche aufweist. Ein zweites Blech 128, das an das erste Blech 124 angrenzt, definiert einen zweiten Ausschnitt 130, der eine zweite Querschnittsfläche aufweist, die kleiner als die erste Querschnittsfläche ist. Ein drittes Blech 132, das an das zweite Blech 128 angrenzt, definiert einen dritten Ausschnitt 134, der eine dritte Querschnittsfläche aufweist, die kleiner als die zweite Querschnittsfläche ist.
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Die Ausschnitte 122 in den dargestellten Ausführungsformen von 3-6 sind im Wesentlichen trapezförmig, wie in 6 gut dargestellt. Insbesondere definiert jeder Ausschnitt 122 ein Paar von im Wesentlichen geraden Seitenwänden und bogenförmigen Innen- und Außenwänden, die jeweils einen Innenradius und einen Außenradius definieren. Während die trapezförmigen Ausschnitte 122 in 3-6 dargestellt sind, ist es zu verstehen, dass alternative Ausschnittsformen sicherlich in den Anwendungsbereich der Erfindung fallen. Als nicht einschränkendes Beispiel zeigt 7 Bleche der Rotorstruktur 108, die im Wesentlichen kreisförmige Ausschnitte 222 aufweisen, die darin definiert sind. Andere Formen sind denkbar. In der dargestellten Ausführungsform ergibt sich durch die abnehmende Querschnittsfläche der Ausschnitte bei jedem Blech einen sogenannten „treppenförmigen Ausschnitt“.
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Wieder mit Bezug auf 3 und 4 sind die Ausschnitte 122 konzentrisch zueinander in zwei kreisförmigen Reihen angeordnet. Insbesondere können die Ausschnitte 122 separat als mehrere erste Ausschnitte 140 bezeichnet werden, die eine erste kreisförmige Reihe definieren, und mehrere zweite Ausschnitte 142, die eine zweite kreisförmige Reihe definieren. Die erste kreisförmige Reihe liegt radial innerhalb der zweiten Reihe.
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Wie in 4 und 5 gezeigt, enthält die Leiterplatte 112 mehrere Motorsensoren 116 und Magnete 118, die darauf angeordnet sind. Die Motorsensoren 116 und die Magnete 118 sind axial vom Ende der Rotorstruktur 108 beabstandet und werden verwendet, um die Winkelposition der Rotorstruktur 108 zu erfassen, die die Position des Motors 46 anzeigt. Insbesondere sind die Magnete 118 nahe an der Rotorstruktur 108 angeordnet. Dadurch wird ein magnetischer Fluss in Richtung der Bleche mit den Ausschnitten 122 erzeugt. Der von den Magneten 118 erzeugte magnetische Fluss erstreckt sich durch einen variablen Reluktanzpfad, wenn sich die Rotorstruktur 108 dreht. Daher wird eine Variation der Flussdichtekomponenten zwischen den Magneten 118 und der Rotorstruktur 108 beobachtet. Die Motorsensoren 116 sind magnetische Sensoren und befinden sich zwischen den Magneten 118 und dem Rotorende, um unterschiedliche Flussdichtekomponenten zu beobachten. Insbesondere sind die Motorsensoren 116 in Gruppen aufgeteilt, wobei jede Gruppe mindestens einen Motorsensor umfasst, der axial vom Ende der Rotorstruktur 108 beabstandet ist, aber radial mit einem entsprechenden Ausschnitt 122 ausgerichtet ist.
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Die Bleche der Rotorstruktur 108 werden gestanzt und die Motorsensoren 116 so platziert, dass zwei Sätze sinusförmiger Ausgangssignale entstehen, die aus dem Sensorausgang extrahiert werden können. Die beiden Sätze sinusförmiger Signale unterscheiden sich in ihrer Frequenz um eins. Daher sind die Ausschnitte 122 in zwei Sätze von Ausschnitten in Form der vorstehend beschriebenen mehreren ersten und zweiten Ausschnitte 140, 142 unterteilt. Im dargestellten Beispiel weisen die mehreren ersten Ausschnitte 140 13 Ausschnitte auf und die mehreren zweiten Ausschnitte 142 weisen 14 Ausschnitte auf. Es ist denkbar, dass eine andere Anzahl von Ausschnitten verwendet wird, solange die Anzahl der Ausschnitte (d. h. die Spitzen und Täler) keinen gemeinsamen ganzzahligen Teiler aufweisen. Daher sind Kombinationen von Ausschnittreihen von 9-10, 10-11, 13-14 und 17-18 Beispiele für Kombinationen, die geeignet sind, die oben beschriebene Signalausgangsreaktion zu liefern. Aufgrund der radialen Anordnung weisen die mehreren zweiten äußeren Ausschnitte 142 (d. h. die radial äußeren Ausschnitte) eine größere Spannweite auf als die mehreren ersten Ausschnitte 140 (d. h. die radial inneren Ausschnitte). Daher wird das erzeugte Signal auch eine höhere Amplitude aus den mehreren zweiten Ausschnitten 142 (d.h. radial äußerer Satz) aufweisen. Der Pegel des empfangenen Signals wird während der Nachbearbeitung so angepasst, dass er mit der Amplitude des endgültigen Ausgangssignals übereinstimmt, das den inneren und äußeren Ausschnitten entspricht. Daher kann die Verstärkung der Erfassungs-Hall-Elemente der Motorsensoren 116 entsprechend programmiert werden.
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Mit Hilfe eines Nonius-Algorithmus werden die Sätze von zwei Sinusschwingungen, die sich in der Frequenz um 1 unterscheiden, in ein Positionssignal umgewandelt, das einen mechanischen Raum von 360 Grad abdeckt. Sensoren, die Kosinussignale erfassen, sind orthogonal zu Sensoren angeordnet, die Sinussignale erzeugen. Auch hier können die Signale mithilfe eines Nonius-Algorithmus umgewandelt werden, um die absolute Rotorposition zu schätzen. Durch die Berechnung des Arkustangens der Signale kann das System die Phasenverschiebung zwischen den inneren und äußeren Ausschnitten an jedem Punkt ermitteln. Die Phasendifferenz ist die endgültige Rotorposition, die bei jeder mechanischen Umdrehung der Rotorstruktur 108 von 0 bis 360 Grad variiert.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 4 und 5 gibt es zusätzlich zu den vorstehend erörterten Faktoren mehrere andere geometrische Parameter, die erforderlich sind, um geeignete Sinuswellen zu erhalten. Erstens muss ein minimaler radialer Abstand (Dg) zwischen den Ausschnitten der mehreren ersten Ausschnitte 140 und den mehreren zweiten Ausschnitten 142 vorhanden sein, um Interferenzen zwischen den inneren und äußeren Sensoren der Motorsensoren 116 zu vermeiden, die den inneren und äußeren Sätzen von Ausschnitten entsprechen. In einigen Ausführungsformen liegt der minimale radiale Abstand (Dg) zwischen 2 mm und 2,5 mm. Der zweite geometrische Parameter ist der Abstand (Dsh) von den Ausschnitten 122 zu der Motorausgangswelle 104 sowie der Abstand von den Ausschnitten zu dem Rotormagneten. Um die Interferenz des Hauptmagnetfelds des Motors mit dem Sensorsystem zu vermeiden, sollte das Rotorjoch (Dri) dick genug sein, um die Rotorstruktur 108 nicht zu sättigen. Um Interferenzen zu vermeiden, ist das Rotorjoch höher als das Statorjoch. Drittens muss die Position der Motorsensoren 116 entlang der Welle und entlang des Rotorradius berücksichtigt werden, damit genügend Platz für die Leiterplatte 112 bleibt. Der Abstand der Motorsensoren 116 von den Magneten 118 beträgt in einigen Ausführungsformen mindestens 1 mm. Die Amplitude des Sensorsignals wird durch den Abstand des Motorsensors 116 von den Magneten 118 beeinflusst. Die radiale Position des Motorsensors 116 ist in dem vorgeschlagenen Sensorsystem ebenfalls wichtig, da die Spannweiten des Kerns und der Ausschnitte nicht einheitlich sind. Daher befinden sich Motorsensoren 116 an unterschiedlichen radialen Positionen nicht auf demselben Reluktanzpfad. Viertens muss der Magnet 118 eine Dicke (TPM) aufweisen, die größer ist als der Spalt zwischen dem Magneten 118 und der Rotorstruktur 108. Für die erwähnte Erfassung beträgt der Spalt zwischen dem Magneten 118 und der Rotorstruktur 108 zwischen 2,5 mm und 3 mm, während die Dicke des Magneten 118 mit 3 mm angenommen wird. Die Breite des Magneten 118 ist so gewählt, dass sie in der Nähe der Rillenbreite des oberen Blechs liegt. Die angegebenen Abmessungen dienen lediglich der Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels und sind nicht als einschränkend zu betrachten.
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Bezugnehmend nun auf 8 könnte das Motorpositionssensorsystem 100 bei höheren Betriebsdrehzahlen durch Hinzufügen mehrerer dritter Ausschnitte 144 auf der Oberfläche der Rotorstruktur 108 wirksam gemacht werden. Daher sind in der dargestellten Ausführungsform eine radial innere Bahn 140, eine mittlere Bahn 142 und eine radial äußere Bahn 144 bereitgestellt. Es ist denkbar, dass in einigen Ausführungsformen zusätzliche „Bahnen“ vorgesehen werden. Wie bei den oben erörterten Ausführungsformen mit zwei Bahnen können die dargestellten trapezförmigen Ausschnitte als Kreise oder in einer anderen Form ausgeführt werden. Bei Ausführungsformen mit mehr als zwei Ausschnitten wird die Auflösung der Drehzahl- und/oder Positionserfassung durch zusätzliche Bahnen verbessert. Die Prinzipien bleiben dieselben wie bei Ausführungen mit zwei Ausschnitten, aber für bestimmte Positionen der Auflösung/Motordrehzahl können zwei der Ausschnittgruppen verwendet werden, während eine andere Gruppe von Ausschnittbahnen für zusätzliche Auflösung/Drehzahl verwendet werden kann. So können beispielsweise für eine bestimmte Positionsauflösung/Motordrehzahl die mehreren ersten und zweiten Ausschnitte verwendet werden, während für andere Auflösungen/Drehzahlen die mehreren zweiten und dritten Ausschnitte verwendet werden können. Sogar die mehreren ersten und dritten Ausschnitte können als Kombination für einen anderen Auflösungs-/Drehzahlbereich verwendet werden.
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Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen werden Rotorbleche mit Ausschnitten 122 verwendet, um einen variablen Reluktanzpfad zu schaffen. Das Motorpositionssensorsystem 100 ist in die Rotorstruktur 108 integriert und verkürzt die axiale Gesamtlänge des Motors im Vergleich zu früheren Systemen und spart somit axialen Platz und Kosten.
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Obwohl die technischen Lösungen im Zusammenhang mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen detailliert beschrieben wurden, sollte es leicht verständlich sein, dass die technischen Lösungen nicht auf diese offengelegten Ausführungsformen beschränkt sind. Vielmehr können die technischen Lösungen so modifiziert werden, dass sie eine beliebige Anzahl von Variationen, Änderungen, Substitutionen oder gleichwertige Anordnungen enthalten, die hier vorstehend nicht beschrieben sind, aber dem Geist und dem Umfang der technischen Lösungen entsprechen. Auch wenn verschiedene Ausführungsformen der technischen Lösungen beschrieben wurden, ist zu verstehen, dass Aspekte der technischen Lösungen nur einige der beschriebenen Ausführungsformen umfassen können. Dementsprechend sind die technischen Lösungen nicht als durch die vorstehende Beschreibung eingeschränkt zu betrachten.
