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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem
mit einer Brennkraftmaschine und einer elektrischen Maschine und
ein Verfahren zur Erkennung von Zündaussetzern und Laufunruhen
in einem Antriebssystem mit einer Brennkraftmaschine.
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Um Laufunruhen einer Triebwelle bzw.
einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zu erfassen, welche beispielsweise
durch Zündaussetzer
hervorgerufen werden können,
kann aus einer gemessenen Kurbelwellendrehzahl eine so genannte
Segmentzeit errechnet werden. Hierzu werden die 720 Grad zweier
Kurbelwellenumdrehungen, welche bei einem Vier-Takt-Motor einem
Arbeitsspiel entsprechen, durch die Anzahl der Zylinder geteilt.
Jedem der Zylinder wird jenes Segment bzw. Winkelsegment zugeordnet,
in welchem dieser Zylinder zündet.
Die Dauer der Drehung um dieses Segment wird als Segmentzeit bezeichnet.
Bei einem aussetzerfreien Betrieb mit konstanter Drehzahl sind diese
Segmentzeiten konstant. Laufunruhen und Aussetzer an einem Zylinder
machen sich dadurch bemerkbar, dass dessen Segmentzeit ansteigt.
Durch Vergleich der ermittelten Segmentzeiten mit Referenzwerten
können
Laufunruhen und Zündaussetzer
erkannt werden (siehe unter anderen die Offenlegungsschrift
DE 41 38 765 A1 ).
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Als Drehzahl- bzw. Drehwinkelsensor
werden typischerweise induktive Geber eingesetzt, welche mit Hilfe
einer mit der Triebwelle umlaufenden Scheibe, die an ihrem Umfang
mehrere, in Drehrichtung hintereinander liegende, aus je einem Zahn
und einer anschließenden
Zahnlücke
bestehende Segmente aufweist, eine Drehzahl und/oder einen markierten
Drehwinkel der Triebwelle erfassen, wobei im Bereich des markierten
Drehwinkel mindestens ein Segment vorgesehen ist dessen Zahn und/oder
dessen Zahnlücke
in Umfangsrichtung breiter ausgebildet ist (Offenlegungsschrift
DE 29 396 643 A1 ).
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Die zusätzliche Integration einer elektrischen Maschine
in den Triebstrang führt
zu einer Änderung der
Massenträgheitsmomente
durch die zusätzlichen Rotormassen.
Bekannte Verfahren zur Aussetzererkennung mittels Auswertungen der
gemessenen Triebwellendrehzahl können
hierdurch an ihre Grenzen stoßen.
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Aus der Patentschrift
EP 0 876 554 B1 ist eine
elektrische Drehfeldmaschine bekannt, welche als Starter/Generator
für eine
Brennkraftmaschine eingesetzt wird und welche direkt mit einer Triebwelle der
Brennkraftmaschine gekoppelt ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein
Antriebssystem mit einer Brennkraftmaschine und einer elektrischen
Maschine und ein Verfahren für
ein solches Antriebssystem zu schaffen, mit welchen Zündaussetzer
und Laufunruhen einer Triebwelle des Antriebssystems erkannt werden
können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche gelöst.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, dass keine neuen Sensoren in ein Antriebssystem integriert
werden müssen.
Stattdessen können
bereits vorhandene Sensoren zusätzlich
zur Erkennung von Zündaussetzern
und Laufunruhen eingesetzt werden. Ruf diese Weise werden Gewicht
und Bauraum eingespart. Des Weiteren zeichnen sich das erfindungsgemäße Antriebssystem
und das erfindungsgemäße Verfahren
durch eine hohe Genauigkeit bei der Ermittlung der Laufunruhen aus.
Die Erfindung kann auch als redundantes System zur Erkennung von
Laufunruhen und Zündaussetzern
eingesetzt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus den anhand der
Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Antriebssystems mit einer Brennkraftmaschine
und einer elektrischen Maschine,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform
eines Rotors einer elektrischen Maschine eines erfindungsgemäßen Antriebssystems
mit Schnittebene senkrecht zur Axialrichtung,
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3 eine
schematische Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform
eines Rotors einer elektrischen Maschine und eines Lageermittlers eines
erfindungsgemäßen Antriebssystems
mit Schnittebene in Axialrichtung,
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4 eine
schematische Darstellung einer Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform
eines Lageermittlers eines erfindungsgemäßen Antriebssystems,
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5 ein
Diagramm mit einer Darstellung einer Sinusfunktion (a), einer Kosinusfunktion
(b) und einer Sägezahnfunktion
(c) über
der Lage des Rotors einer elektrischen Maschine eines erfindungsgemäßen Antriebssystems,
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6 eine
schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
eines Rotors einer elektrischen Maschine eines erfindungsgemäßen Antriebssystems
mit Blickebene in Axialrichtung,
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7 eine
schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
eines Rotors einer elektrischen Maschine eines erfindungsgemäßen Antriebssystems
mit Blickebene in Axialrichtung und
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8 eine
schematische Schnittdarstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
eines Rotors und eines Lageermittlers einer elektrischen Maschine
eines erfin dungsgemäßen Antriebssystems
mit Schnittebene in Axialrichtung.
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In der 1 ist
schematisch ein Antriebssystem mit einer Brennkraftmaschine 1,
einer elektrischen Maschine 2, welche als Starter/Generator und/oder
als Antriebsmaschine bzw. Motor betreibbar ist, und einem Getriebe 6 dargestellt.
Unter einem Getriebe 6 wird auch ein Wandler bzw. ein Drehmomentwandler
verstanden. Als elektrische Maschine 2 wird bevorzugterweise
eine permanenterregte elektrische Maschine eingesetzt. Eine Triebwelle 3 der Brennkraftmaschine 1 ist
vorzugsweise über
eine Kupplung 5 und eine Welle 4 mit einem nicht
näher bezeichneten
Rotor der elektrischen Maschine 2 verbunden bzw. verbindbar.
Der nicht näher
bezeichnete Rotor der elektrischen Maschine 2 ist über eine
nicht näher
bezeichnete Kupplung und eine nicht näher bezeichnete Getriebewelle
mit dem Getriebe 6 verbunden bzw. verbindbar. Die Triebwelle 3 kann
auch direkt mit dem nicht näher
bezeichneten Rotor der elektrischen Maschine 2 verbunden
sein. Die Drehzahlen von Brennkraftmaschine 1 und elektrischer Maschine 2 sind
bevorzugterweise gleich. Die Brennkraftmaschine 1 und die
elektrische Maschine 2 können auch über eine vorzugsweise schlupffreie Übersetzung
gekoppelt sein.
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Die elektrische Maschine 2 weist
einen nicht dargestellten Lageermittler auf, welcher zur Detektion
von Laufunruhen der Triebwelle 3 und/oder Zündaussetzern
der Brennkraftmaschine 1 eingesetzt werden kann. Hierzu
weist der Rotor der elektrischen Maschine 2 eine erste
und eine zweite Blende und der Lageermittler die diesen zugeordnete
Positionsmesseinheiten auf. Selbstverständlich können die erste und die zweite
Blende des Rotors auch dem Lageermittler direkt zugeordnet werden.
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2 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform
eines Rotor 7 der elektrischen Maschine 2 mit
Schnittebene senkrecht zur Axialrichtung, wobei dem Rotor 7 zur Lage-
bzw. Positionsermittlung eine erste ringförmige Blende 8 und
eine der Übersichtlichkeit
halber nicht dargestellte zweite ringförmige Blende zugeordnet sind.
Die erste ringförmige
Blende 8 und die nicht dargestellte zweite ringförmige Blende
weisen in Umfangsrichtung je eine sinusförmige Kontur auf. Die beiden
Blenden sind voneinander beabstandet auf dem Umfang des Rotors 7 angeordnet
und umgeben diesen vorzugsweise entlang des gesamten Umfangs. Der
Sinus der Kontur der zweiten, nicht dargestellten Blende ist gegenüber dem
Sinus der Kontur der ersten Blende 8 um vorzugsweise π bzw. 180 Grad
phasenverschoben. In der 2 liegen
die Maxima der sinusförmigen
Konturen der ersten Blende 8 auf einem nicht näher bezeichneten
gepunkteten Kreis. Die Maxima der zweiten, nicht dargestellten Blende
liegen ebenfalls auf diesem gepunkteten Kreis. Entlang der gestrichelten
Linien setzt sich die Kontur der ersten Blende 8 dem Verlauf
einer Sinus-Kurve entsprechend fort. Die Anzahl der Maxima der Kontur
der ersten bzw. der zweiten Blende entspricht vorzugsweise der Anzahl
der Pole der elektrischen Maschine 2.
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Die 3 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung der in der 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform
des Rotors 7 und einer dieser entsprechenden bevorzugten Ausführungsform
eines Lageermittlers eines erfindungsgemäßen Antriebssystems mit Schnittrichtung
in Axialrichtung. Der Rotor 7 ist beispielhaft direkt mit
der Triebwelle bzw. Kurbelwelle 3 verbunden. Wie bereits
zur 2 ausgeführt, sind
die erste Blende 8 und die zweite Blende 9 beabstandet
voneinander und phasenverschoben gegeneinander am Umfang des Rotors 7 angeordnet.
Die gestrichelten Linien des Rotors 7 sollen die baugleiche
Gestaltung des Rotors 7 in radialer Richtung andeuten.
Der ersten und der zweiten Blende 8, 9 ist jeweils
einer Positionsmesseinheit 10 zugeordnet. Die 3 zeigt beispielhaft eine
Schnittdarstellung durch eine Positionsmesseinheit 10.
Die Positionsmesseinheit 10 weist je eine Aussparung bzw.
je einen Luftspalt 14, 15 für die erste Blende 8 und
für die
zweite Blende 9 auf. Sie weist einen Hall-Sensor 11 und
einen ersten Dauermagneten 12 zur Bildung einer ersten
Magnetschranke auf. Vorzugsweise weist sie zusätzlich einen zweiten Dauermagneten
13 zur
Bildung einer zweiten Magnetschranke auf. Die Magnetschranken sind
in der 3 durch eine
strichpunktierte Linie angedeutet. Der Hall-Sensor 11 ist
in axialer Richtung zwischen den beiden Luftspalten 14, 15 angeordnet.
Die Dauermagneten 12, 13 sind vom Hall-Sensor 11 aus
gesehen jeweils in axialer Richtung auf den gegenüberliegenden
Seiten der Luftspalte 14, 15 angeordnet.
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In den Luftspalten 14, 15 fahren
die Blenden 8, 9 bei sich drehendem Rotor 7 ein
und aus und steuern so den den Hall-Sensor 11 durchsetzenden magnetischen
Fluss, der als Maß für die Position
der Blenden 8, 9 und somit des Rotors 7 und
der Triebwelle 3 dient. Die sich einstellende, sogenannte
Hallspannung wird in einer nicht dargestellten elektronischen Auswerteeinheit
ausgewertet. Der zweite, zusätzliche
Dauermagnete 13 dient mit der sich einstellenden zweiten
Magnetschranke der Verstärkung
des gemessenen Signals und somit der Messgenauigkeit. Die Positionsmesseinheiten 10 können in
einem Gehäuse 14 des
Antriebssystems integriert sein. Sie sind vorzugsweise in einem
Zwischenring des Gehäuses 14 integriert,
welcher Brennkraftmaschinengehäuse
und Getriebegehäuse
miteinander verbindet und als Gehäuse für die elektrische Maschine 2 dient.
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In der 4 ist
eine Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform eines nicht näher bezeichneten
Lageermittlers bestehend aus zwei Positionsmesseinheiten 10 dargestellt.
Die Draufsicht erfolgt mit Blickrichtung ausgehend vom Umfang des
Rotors 7. Jeder der Blenden 8, 9 ist
eine Positionsmesseinheit 10 zugeordnet. Die Positionsmesseinheiten 10 sind
in Richtung senkrecht zur Axialrichtung nebeneinander angeordnet.
Sie enthalten jeweils die zur 3 beschriebenen
Bauteile, jedoch in spiegelverkehrter Anordnung. Da es sich bei
den Dauermagneten 12, 13 vorzugsweise um gleiche
Dauermagneten handelt, hat diese spiegelverkehrte Anordnung keine Auswirkung.
Die beiden Hall-Sensoren 11 sind
in Richtung senkrecht zur Axialrichtung beabstandet voneinander
zwischen den Luftspalten 14, 15 angeordnet. Die
Dauermagneten 12, 13 sind, wie bereits zur 3 beschrieben, jeweils auf
den gegenüberliegenden
Seiten der Luftspalte 14, 15 angeordnet. Die Beabstandung
der Dauermagneten 12 und 13 entspricht der Beabstandung
der Hall-Sensoren 11. Die Beabstandung entspricht vorzugsweise
einen Winkelsegment von 90 Grad bzw. π/2. Hierbei handelt es sich
um einen sogenannten elektrischen Winkel. Ein elektrischer Winkel
von 360 Grad entspricht einem mechanischen bzw. physischen Winkel
von 360 Grad dividiert durch die Anzahl der Polpaare.
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Die eine Positionsmesseinheit 10 dient
der Bestimmung der Position der ersten Blende 8, während die
andere, spiegelverkehrt angeordnete Positionsmesseinheit 10 der
Bestimmung der Position der zweiten Blende 9 dient. Da
die Kontur der Blende 8 sinusförmige ist, ist auch die von
dem Hall-Sensor 11 der der Blende 8 zugeordneten
Positionsmesseinheit 10 ermittelte Messgröße, bei
welcher es sich vorzugsweise um eine Spannung handelt, sinusförmig. In
der 5a ist beispielhaft ein derartiger,
sinusförmiger
Verlauf der Messgröße des Hall-Sensors 11 dargestellt.
Auf der Abzisse ist die Lage bzw. die Winkelposition des Rotors 7 bzw.
der Triebwelle 3 aufgetragen. Die Kontur der Blende 9 ist
ebenfalls sinusförmig,
jedoch gegenüber
der Kontur der Blende 8 vorzugsweise um einen elektrischen
Winkel von 180 Grad phasenverschoben. Da die Positionsmesseinheit 10,
welche der Blende 9 zugeordnet ist, vorzugsweise um 90
Grad gegenüber
der Positionsmesseinheit 10 der Blende 8 phasenverschoben
ist, ist die von dem Hall-Sensor 11 der der Blende 9 zugeordneten
Positionsmesseinheit 10 ermittelte Messgröße kosinusförmig. In
der 5b ist beispielhaft ein derartiger,
kosinusförmiger
Verlauf dieser Messgröße, vorzugsweise
einer Spannung, dargestellt. Auf der Abzisse ist die Lage bzw. die
Winkelposition des Rotors 7 aufgetragen. Die ermittelten
Positionen bzw. Messgrößen werden
in einer nicht dargestellten Auswerteeinheit verarbeitet. Die Auswerteeinheit
ist bevorzugterweise in der Leistungselektronik der elektrischen
Maschine 2 und/oder in einem Steuergerät für die Brennkraftmaschine 1 integriert.
Die Auswerteeinheit kann aber auch in einem eigenen Steuergerät inte griert
sein. Die Kommunikation zwischen diesen Geräten kann beispielsweise über einen
CAN-Bus erfolgen.
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Aus der Sinusfunktion bzw. dem sinusförmigen Verlauf
der Messgröße und der
Kosinusfunktion bzw, dem kosinusförmigen Verlauf der Messgröße wird
in der Auswerteeinheit eine Arkustangensfunktion F(α) = arctan(sin(α)/cos(α)) gebildet,
wobei α der Drehwinkel
bzw. die Lage bzw. die Position der Blenden 8, 9 und
somit des Rotors 7 und der Triebwelle 3 ist. Etwaige
Verstärkungsfaktoren,
welche in dem sinus- und dem kosinusförmigen Verlauf enthalten sein können, können durch
die Division vorteilhafterweise „herausgekürzt" werden. Eine derartige Arkustangensfunktion
F(α) ist
beispielhaft in der 5c dargestellt.
Sie hat die Form einer Sägezahnfunktion
mit der halben Wellenlänge
der Sinus- bzw. der Kosinusfunktion und Amplitudenwerten von –π/2 und π/2. Sind
keine Störungen
wie beispielsweise weißes Rauschen
in den Messgrößen enthalten,
so entspricht F(α)
dem Winkel α.
In der Funktion F(α)
sind vorzugsweise Faktoren enthalten, die beispielsweise der Umrechnung
eines elektrischen Winkels in einen mechanischen Winkel dienen;
in diesem Falle wäre dann
F(α) nicht
mehr gleich dem Winkel α.
Der Faktor entspräche
der Polpaarzahl.
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Auf der Abzisse ist die Lage bzw.
die Winkelposition des Rotors 7 bzw. der Triebwelle 3 aufgetragen.
Durch die Messwerte der Hall-Sensoren 11 lässt sich
somit permanent die Lage bzw. der Drehwinkel des Rotors 7 und
somit der Triebwelle 3 ermitteln. Durch eine Differentiation
der Lage, vorzugsweise mittels der nicht dargestellten Auswerteeinheit,
ergibt sich die Winkel- bzw. Drehgeschwindigkeit des Rotors 7.
Da der Rotor 7 drehfest mit der Triebwelle 3 verbunden
ist, entspricht diese Drehgeschwindigkeit der Drehgeschwindigkeit
der Triebwelle 3.
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Selbstverständlich können die Phasenverschiebungen
zwischen den Konturen der Blenden 8, 9 und der
Positionsmesseinheiten 10 anders als oben beschriebenen
gewählt
werden. Die sich ergebende, relative Phasenverschiebung zwischen
den jeder Blende zugeordneten Messgrößen muss dann bei der Berechnung
der Funktionswerte der Arkustangensfunktion berücksichtigt werden.
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In einer alternativen Ausführungsform
sind anstelle der Blenden 8, 9 zwei phasenverschobene sinusförmige Spuren
beabstandet voneinander auf der Oberfläche bzw. dem Umfang des Rotors 7 oder der
Oberfläche
der Triebwelle 3 angeordnet, welche von entsprechenden
Sensoren abgetastet werden. Die Spuren sind vorzugsweise reflektierend
und als Sensoren werden vorzugsweise optoelektronische Sensoren
mit einem Strahlerzeuger eingesetzt, welche ein Signal erzeugen
und ein reflektiertes Signal detektieren können. Als solche optoelektronischen Sensoren
können
beispielsweise Halbleiterbild-Aufnahmesensoren nach Art eines sogenannten CCD-Sensors
eingesetzt werden. Die Phasenverschiebungen können entsprechend den oben
erwähnten
gewählt
werden. Alternativ oder zusätzlich können die
Spuren aus leitendem Material sein, welches mit Hilfe eines induktiven
Sensors, welcher beispielsweise eine Induktionsschleife aufweist,
abgetastet werden können.
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In den 6, 7 und 8 sind zwei weitere bevorzugte Ausführungsformen
eines Teilbereichs eines erfindungsgemäßen Antriebssystems dargestellt.
Die 6 und 7 zeigen je eine schematische Darstellung
eines Rotors 7 einer elektrischen Maschine 2 mit
Blickebene in Axialrichtung. Dargestellt ist der Umfang bzw. die
Oberfläche
des Rotors 7. Dem Rotor 7 ist sowohl in der 6 als auch in der 7 ein ringförmiger Signaturstreifen 16 zugeordnet,
welcher den Rotor 7 vorzugsweise entlang dessen gesamten
Umfangs umgibt. Der Signaturstreifen 16 liegt bevorzugterweise
flach auf der Rotoroberfläche
auf und/oder ist mit dieser verbunden.
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In der in der 6 dargestellten Ausführungsform besteht der Signaturstreifen 16 aus
einem Streifen mit parallelen Seiten bzw. Kanten, auf welchem ein
Band 17 mit wellen- bzw. sinusförmigen Rändern angeordnet ist, wobei
die Form des einen Rands bevorzugterweise eine Spiegelung der Form der
anderen Rands ist und wobei sich das Band in radialer Richtung erhebt.
Der eine Rand ist also gegenüber
dem anderen Rand um 180 Grad (elektrischer Winkel) phasenverschoben.
Alternativ kann der Signaturstreifen 16 als ein Streifen
mit wellen- bzw. sinusförmigen
Kanten bzw. Seiten ausgeführt
sein, wobei die Form der einen Kante bevorzugterweise eine Spiegelung
der Form der anderen Kante ist. Der Signaturstreifen 16 bzw.
das Band 17 bestehen aus leitendem Material. Die Anzahl
der Perioden der sinusförmigen
Ränder
bzw. Kanten/Seiten entspricht vorzugsweise der Anzahl der Polpaare
bzw. der doppelten Anzahl der Pole der elektrischen Maschine 2.
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In der in der 7 dargestellten, weiteren Ausführungsform
besteht der Signaturstreifen 16 aus einem Streifen mit
parallelen Seiten, auf welchem eine Aneinanderreihung von gleich
ausgerichteten Dreiecken 19, die sich in radialer Richtung
erhebt, angeordnet ist. Alternativ kann der Signaturstreifen als
eine Aneinanderreihung von gleich ausgerichteten Dreiecken 19 ausgeführt sein.
Die Dreiecke 19 bestehen aus leitendem Material. Die Anzahl
der Dreiecke 19 entspricht vorzugsweise der doppelten Anzahl
der Pole bzw. der Anzahl der Polpaare der elektrischen Maschine 2.
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Die 8 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung der in der 6 und 7 dargestellten
bevorzugten Ausführungsformen
des Rotors 7 und entsprechender bevorzugter Ausführungsformen
eines Lageermittlers mit Schnittrichtung in Axialrichtung. Der Rotors 7 ist
beispielhaft direkt mit der Triebwelle bzw. Kurbelwelle 3 verbunden.
Wie bereits zu den 6 und 7 ausgeführt, ist der Signaturstreifen 16 auf
dem Umfang bzw. der Oberfläche
des Rotors 7 angeordnet. Radial hebt sich vom Signaturstreifen 16 das
Band 17 mit den sinusförmigen
Rändern
bzw. die Dreiecksanordnung 19 ab. Die gestrichelten Linien des
Rotors 7 sollen die baugleiche Gestaltung des Rotors 7 in
radialer Richtung andeuten. Dem Signaturstreifen 16 sind
im Falle der Dreiecksanordnung 19 eine Positionsmesseinheit 18,
im Falle des Bandes 17 mit den sinusförmigen Rändern zwei Positionsmesseinheiten
18 eines
Lagerermittlers zugeordnet, welche radial beabstandet von dem Signaturstreifen 16 angeordnet
ist.
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Ist der Signaturstreifen 16 wie
zur 6 beschrieben ausgeführt, so
sind zwei Positionsmesseinheiten 18 vorgesehen, welche
vorzugsweise im Abstand einer halben Periodendauer der Sinusform des
Bandes 17 angeordnet sind. Die Anordnung der Positionsmesseinheiten 18 erfolgt
vorzugsweise radial gesehen oberhalb der in der 6 dargestellten gestrichelten Linien
in einem Abstand von 90 Grad (elektrischer Winkel). Dadurch dass
die eine Positionsmesseinheit 18 90 Grad nach der anderen
Positionsmesseinheit 18 angeordnet ist und der eine Rand bzw.
die eine Kante gegenüber
dem anderen Rand des Bandes 17 bzw. der Kante um 180 Grad
phasenverschoben ist, wird die Phasenverschiebung zwischen den gemessenen
Signalen der Positionsmesseinheiten 18 90 Grad (elektrischer
Winkel). Die Positionsmesseinheiten 18 enthalten vorzugsweise
induktive Sensoren bzw. Induktionsschleifen, mit welchen die sinusförmigen Verläufe der
Ränder
des Bandes 17 bzw. der Kanten des Signaturstreifens 16 erfasst
werden kann.
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Ist der Signaturstreifen 16 wie
zur 7 beschrieben ausgeführt, so
ist eine Positionsmesseinheit 18 vorgesehen, welche vorzugsweise
einen induktiven Sensor bzw. eine Induktionsschleife enthält, mit
welcher der Verlauf der Dreiecksanordnung 19 des Signaturstreifens 16 erfasst
werden kann.
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Alternativ kann der Verlauf der Bandes 17 bzw.
des Signaturstreifens 16 mit den sinusförmigen Rändern/Kanten bzw. der Dreiecksanordnung 19 auch
mittels optoelektronischer Sensoren erfasst werden. Hierzu ist das
Band 17 bzw. die Dreiecksanordnung 19 reflektierend
und/oder bezüglich
der Farbwahl gegenüber
der Umgebung bzw. der Rotoroberfläche kontrastierend ausgeführt. Sie
braucht kein leitendes Material zu enthalten. Als Sensor wird vorzugsweise
ein optoelektronischer Sensor mit einem Strahlerzeuger eingesetzt,
welcher ein Signal erzeugen und ein reflektiertes Signal detektieren kann,
beispielsweise ein Halbleiterbild-Aufnahmesensor nach Art eines
sogenannten CCD-Sensors.
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Die Positionsmesseinheiten 18 können in
einem Gehäuse 14 des
Antriebssystems integriert sein. Sie sind vorzugsweise in einem
Zwischenring des Gehäuses 14 integriert,
welcher Brennkraftmaschinengehäuse
und Getriebegehäuse
miteinander verbindet und als Gehäuse für die elektrische Maschine 2 dient.
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Die Positionsmesseinheiten 18 bzw.
die Positionsmesseinheit 18 dienen der Bestimmung der Position
des Rotors 7 bzw. des Signaturstreifens 16 mit
dem sinusförmigen
Band 17 bzw. der Dreieckanordnung 19. Bei der
Ausführungsform
mit dem Band 17 mit den sinusförmigen Rändern wird von der einen Positionsmesseinheit 18 eine
sinusförmige
Messgröße, wie
in der 5a dargestellt, ermittelt und
von der anderen Positionsmesseinheit 18 eine kosinusförmige Messgröße, wie
in 5b dargestellt, ermittelt. Aus
der Sinusfunktion bzw. der sinusförmigen Messgröße und der
Kosinusfunktion bzw. der kosinusförmigen Messgröße wird
in der Auswerteeinheit eine Arkustangensfunktion F(α) = arctan(sin(α)/cos(α)) gebildet,
wobei α der
Drehwinkel bzw. die Lage bzw. die Position der Blenden 8, 9 und somit
des Rotors 7 und der Triebwelle 3 ist. Ein derartige
Arkustangensfunktion ist beispielhaft in der 5c dargestellt.
Auf der Abzisse der 5a, 5b und 5c ist
die Winkelposition bzw. die Lage aufgetragen.
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Selbstverständlich können die Phasenverschiebungen
zwischen den Rändern
des Bandes 17 bzw. den Kanten des Signaturstreifens 16 und
der Positionsmesseinheiten 18 anders als oben beschriebenen
gewählt
werden. Die sich ergebende, relative Phasenverschiebung zwischen
den jedem Rand bzw. jeder Kante zugeordneten Messgrößen muss
dann bei der Berechnung der Funktionswerte der Arkustangensfunktion
berücksichtigt
werden.
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Bei der Ausführungsform mit der Dreiecksanordnung 19 wird
abhängig
davon, wieweit die Schenkel eines Dreiecks 19 bei einer bestimmten Lage
des Rotors 7 auseinanderstehen, ein bestimmter Signalwert,
vorzugsweise ein Spannungswert, in der Positionsmesseinheit 18 induziert.
Der Verlauf dieses Signals entspricht einer Sägezahnfunktion, die der 5c dargestellten entspricht. Auf der Abzisse
ist die Winkelposition bzw. die Lage aufgetragen.
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Die ermittelten Messgrößen bzw.
Positionen werden in einer nicht dargestellten Auswerteeinheit verarbeitet.
Die Auswerteeinheit ist bevorzugterweise in der Leistungselektronik
der elektrischen Maschine 2 und/oder in einem Steuergerät für die Brennkraftmaschine 1 integriert.
Die Auswerteeinheit kann aber auch in einem eigenen Steuergerät integriert
sein. Die Kommunikation zwischen diesen Geräten kann beispielsweise über einen
CAN-Bus erfolgen.
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Sowohl mittels den in den 2, 3 und 4 dargestellten
Ausführungsformen
des Rotors 7 und des Lageermittlers als auch mittels den
in den 6, 7 und 8 dargestellten Ausführungsformen wird ein Signal
ermittelt, welches den Verlauf einer Sägezahnfunktion hat und welches
von der Winkelposition des Rotors 7 bzw. der Triebwelle 3 abhängig ist.
Unter dem Begriff Sägezahnfunktion
wird auch die weiter oben im Text beschriebene Arkustangensfunktion verstanden.
Verlängert
sich das Winkelsegment, in dem dieses Signal von einem Minimum zu
einem Maximum ansteigt, so kann auf eine Laufunruhe bzw. einen Zündaussetzer
geschlossen werden. Hierfür wird
der Verlauf des Signals bzw. der ermittelten Sägezahnfunktion in einem bestimmten
Winkelintervall mit einem drehzahlabhängigen Referenzverlauf, der beispielsweise
als Kennlinie bzw. als Kennfeld in einem Steuergerät hinterlegt
sein kann, verglichen und eine Laufunruhe wird erkannt, wenn eine
Abweichung der ermittelten Sägezahnfunktion
von dem Referenzverlauf ein bestimmtes Maß überschreitet. Eine Laufunruhe
wird beispielsweise dadurch erkannt, dass die Steigerung der Sägezahnfunktion
unter einen bestimmten Wert fällt.
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Dem Winkelsegment, in welchem das
Signal von einem Minimum zu einem Maximum ansteigt, kann auch die
Dauer der Drehung um dieses Segment, das heisst eine Segmentzeit,
zugeordnet werden. Ein Vergleich der ermittelten Segmentzeit mit
einer drehzahlabhängigen
Referenzsegmentzeit, welche als Kennlinie bzw. als Kennfeld beispielsweise
in einem Steuergerät
hinterlegt ist, führt
zu einer Erkennung von Laufunruhen und Zündaussetzern. Überschreitet
eine ermittelte Segmentzeit eine Referenzsegment und liegt die Abweichung über einem
gewissen Schwellwert, so ist dies ein Anzeichen für einen Zündaussetzer
bzw. eine Laufunruhe.
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Eine Laufunruhe kann auch dadurch
erkannt werden, dass eine Auswertung der Anzahl der Null-Durchgänge der
Sägezahnfunktion
für ein
bestimmtes Lage- bzw. Winkelintervall erfolgt. Hierbei wird eine
Laufunruhe bzw. ein Zündaussetzer
dann diktiert, wenn die Anzahl der Null-Durchgänge eine bestimmte Anzahl unterschreitet.
Ein zu häufiges Zünden würde zu einer Überschreitung
führen.
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Um bei einem detektierten Zündaussetzer eine
Aussage darüber
treffen zu können,
in welchem Zylindern der Zündaussetzer
aufgetreten ist, muss eine Zuordnung von Zylinder zu Triebwellen- bzw. Rotorposition
bzw. zu den Segmentzeiten erfolgen. Hierfür kann das Signal eines im
Antriebssystem vorgesehenen, nicht dargestellten Nockenwellensensors
herangezogen werden, welcher der Ermittlung der Nockenwellenposition
dient. Dieser Sensor kann beispielsweise ein induktiver Sensor sein.
Dessen Sensorsignal gibt beispielsweise Aufschluss darüber, in
welcher der zwei 360 Grad-Kurbelwellenumdrehungen sich die Triebwelle 3 bei
einem 4-Takt-Motor gerade befindet. Die gemessenen Sägezahnfunktionen
zweier Triebwellenumdrehungen können
dann den jeweils betroffenen Zylindern pro Triebwellenumdrehung
zugeordnet werden und durch die Anzahl der jeweils betroffenen Zylinder
geteilt werden. Hierdurch kann jedem Zylindern ein entsprechendes
Intervall der gemessenen Sägezahnfunktionen
bzw. die diesen Intervallen entsprechenden Segmentzeiten zweier
Triebwellenumdrehungen zugeordnet werden.
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Ist der Brennkraftmaschine
1 bereits
ein nicht dargestellter Drehzahl- bzw. Drehwinkelsensor zugeordnet,
welcher beispielsweise nach dem in der
DE 29 396 643 A1 offenbarten
induktiven Prinzip arbeitet und vorzugsweise an der Stirnseite der
Brennkraftmaschine
1 angeordnet ist, so können die
in den
2 bis
7 dargestellten erfindungsgemäßen Ausgestaltungen
eines Antriebssystems zusätzlich
eingesetzt werden, um redundante Messungen des Drehwinkels der Triebwelle
3 und
somit ein redundantes Erkennen von Laufunruhen und Zündaussetzern
zu ermöglichen.
Dies führt
zu einer Erhöhung der
Verfügbarkeit
der Messgrößen. Das
erfindungsgemäße Antriebssystem
ist nun vorteilhafterweise auch bei hohen Drehgeschwindigkeiten
einsetzbar, wenn induktive Drehwinkelsensoren, die mit einer mit der
Triebwelle
3 umlaufenden Scheibe arbeiten, insbesondere
wegen der zusätzlichen
Rotormassen einer im Triebstrang integrierten elektrischen Maschine an
ihre Grenzen stoßen.
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Es ist prinzipiell auch möglich, elektrische Maschinen
ohne Lage- bzw. Drehwinkelsensor zu regeln. Die Regelung der elektrischen
Maschine erfolgte in diesem Fall mittels anderer, messbarer Zustandsgrößen der
elektrischen Maschine. Bei diesen anderen messbaren Zustandsgrößen kann
beispielsweise mittels eines so genannten Beobachters auch die Lage
bzw. der Drehwinkel des Rotors und somit der Triebwelle ermittelt
bzw. berechnet werden. Dieser errechnete Drehwinkel kann dann zur
Detektion von Laufunruhen und Zündaussetzern
wie oben beschrieben herangezogen werden.