EP3446071A1 - Bürstenloser gleichstrommotor und verfahren zur bereitstellung eines winkelsignals - Google Patents

Bürstenloser gleichstrommotor und verfahren zur bereitstellung eines winkelsignals

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Publication number
EP3446071A1
EP3446071A1 EP17710700.0A EP17710700A EP3446071A1 EP 3446071 A1 EP3446071 A1 EP 3446071A1 EP 17710700 A EP17710700 A EP 17710700A EP 3446071 A1 EP3446071 A1 EP 3446071A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
angle signal
electrically conductive
motor
rotor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17710700.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fabian Utermoehlen
Stefan Leidich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3446071A1 publication Critical patent/EP3446071A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/2006—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the self-induction of one or more coils
    • G01D5/202—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the self-induction of one or more coils by movable a non-ferromagnetic conductive element
    • G—PHYSICS
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    • G01D5/2208—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature differentially influencing two coils by influencing the self-induction of the coils
    • G01D5/2225—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature differentially influencing two coils by influencing the self-induction of the coils by a movable non-ferromagnetic conductive element
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • H02K29/12—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using detecting coils using the machine windings as detecting coil
    • G—PHYSICS
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/70—Position sensors comprising a moving target with particular shapes, e.g. of soft magnetic targets
    • G01D2205/77—Specific profiles
    • G01D2205/775—Tapered profiles

Definitions

  • the invention is based on a brushless DC motor or a method for providing an angle signal according to the preamble of the independent claims.
  • servo drives with brushless DC motors for throttle valves or comparable systems are known from the prior art, whose position is varied over a geared transmission.
  • the position of the output is the position of the output as a functional Aspect detected.
  • a second sensor is required because the translation would require the distinction of several (electrical / mechanical) revolutions.
  • the use of the sensor at the output for the engine control is problematic because the backlash can lead to comparatively large angle errors in determining the rotor position.
  • By using motors with a high number of electrical poles can be partly dispensed with the mechanical translation (direct drive). In sensorless operation and when using magnetic sensors and double use of permanent excitation, the electrical phase does not correspond to the absolute position of the motor shaft.
  • a steering angle sensor for detecting the rotation angle or a rotation angle change of the steering wheel of a motor vehicle in which by means of an electromechanical component an electrical signal dependent on the angle of rotation or a rotation angle is generated.
  • a non-contact steering angle sensor consists of a, attached to the end of a steering shaft permanent magnet whose magnetization axis is perpendicular to the axis of the steering shaft. In the region of the permanent magnet is a magnetic field-sensitive sensor, which preferably consists of Hall elements in discrete or integrated form.
  • the brushless DC motor with the features of independent claim 1 and the method for providing an angle signal with the features of independent claim 7 have the advantage that by the functionalization of the rotating bell of the brushless DC motor for absolute angle determination of the rotor by means of an eddy current sensor, a cost reduction and a Installation space reduction can be made possible.
  • the sensor delivers a measurement signal with a uniqueness of up to 360 ° independent of the pole pair number of the brushless DC motor.
  • the measuring signal can be used, for example, for the commutation of the stator coils, which is essential in particular for jerk-free starting in electric vehicles.
  • the sensor can be used in addition to the engine control for regulating the output or the useful function. It can thus be dispensed with a second sensor.
  • Embodiments of the present invention provide a brushless DC motor external rotor comprising a stator, a rotor, a rotating bell, and a sensor which determines an angular position of the rotor.
  • a target with at least one electrically conductive track is applied to the co-rotating bell and the sensor is designed as an eddy current sensor with at least one coil, wherein the sensor radially spaced from the target is arranged so that the at least one electrically conductive track at least one coil at least partially covered, wherein the sensor as a function of the overlap of the at least one coil by the at least one electrically conductive track provides an angle signal which uniquely represents the absolute angular position of the rotor up to 360 °.
  • an angle signal which represents an angular position of a rotor of a brushless DC motor, wherein the DC motor is designed as an external rotor with a rotating bell.
  • the angle signal is generated as a function of the overlap of at least one coil of a sensor designed as eddy current sensor by at least one electrically conductive track of a target, which is applied to the co-rotating bell, wherein the angle signal represents the absolute angular position of the rotor up to 360 °.
  • the gist of the invention is to provide an electrically conductive trace on the rotating bell of the brushless DC motor, attach a corresponding eddy current sensor to measure the absolute angular position, and provide an angular signal representing the absolute angular position.
  • the angle signal can be used for commutation of the stator coils and / or for regulating the output.
  • Embodiments of the invention require less additional compared to Wellenendesenso- ren, which increase the length of the DC motor Space.
  • additional sensors on the driven assemblies such as flaps, etc., can be saved.
  • the implementation of the eddy current principle with regard to EMC allows a robust measurement independent of static magnetic fields and motor currents.
  • the angle signal provided results in better control of the commutation compared to sensorless methods.
  • the evaluation and control unit can be understood as meaning an electrical device, such as a control unit, in particular an engine control unit, which processes or evaluates detected sensor signals.
  • the evaluation and control unit may have at least one interface, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the evaluation and control unit.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • a computer program product with program code which is stored on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the evaluation when the program is executed by the evaluation and control unit.
  • a sensor is understood to mean a structural unit which comprises at least one sensor element which directly or indirectly detects a physical variable or a change in a physical variable and preferably converts it into an electrical sensor signal.
  • the sensor can generate the angle signal via a measurement of the inductance of the at least one coil as a function of the coverage by the at least one electrically conductive track.
  • the at least one coil generates eddy currents in the at least one electrically conductive track, which generate an angle-dependent change in the inductance of the at least one coil.
  • This inductance change can be determined in the evaluation and control unit, for example via an LC resonant circuit with frequency counter or with an LR connection and measurement of the decay time.
  • the sensor may generate the angle signal via an inductive coupling between at least two coils as a function of the coverage by the at least one electrically conductive track.
  • the alternative evaluation concept can, analogously to a transformer, utilize the coupling between two sensor coils with simultaneous coverage by the at least one electrically conductive track.
  • the evaluation and control unit the angle signal used for commutation of stator coils and / or output control.
  • the evaluation and control unit can output the angle signal to other vehicle systems and / or vehicle functions.
  • the angle signal can be generated via a measurement of the inductance of the at least one coil as a function of the overlap by the at least one electrically conductive track.
  • the angle signal can be generated via an inductive coupling between at least two coils as a function of the coverage by the at least one electrically conductive track.
  • the angle signal for commutation of stator coils of brushless DC motor and / or used for output control of the brushless DC motor and / or output to other vehicle systems and / or vehicle functions.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a brushless DC motor according to the invention as external rotor.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a first exemplary embodiment of a developed target, which is mounted on a rotating bell of the brushless DC motor from FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a second exemplary embodiment of a developed target, which is applied to a rotating bell of the brushless DC motor from FIG. 1.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a third exemplary embodiment of a developed target, which is applied to a rotating bell of the brushless DC motor from FIG.
  • the exemplary embodiment of a brushless DC motor 1 comprises as external rotor an evaluation and control unit 7, a stator (not shown), a rotor (not shown in detail), a rotating bell 5 and a sensor 10 which determines an angular position of the rotor.
  • a target 20, 20A, 20B, 20C with at least one electrically conductive track 22, 22A, 22B, 22C is applied to the co-rotating bell 5, and the sensor 10 is used as an antenna.
  • Belstromsensor with at least one coil 12, 14 running.
  • the sensor 10 is radially spaced from the target 20, 20A, 20B, 20C arranged so that the at least one electrically conductive track 22, 22A, 22B, 22C at least partially covers the at least one coil 12, 14, the sensor 10 as a function of Coverage of the at least one coil 12, 14 through which at least one electrically conductive track 22, 22A, 22B, 22C provides an angle signal which uniquely represents the absolute angular position of the rotor up to 360 °.
  • the evaluation and control unit 7 controls the operation of the brushless DC motor 1 at least three coils of the stator in such a way that a magnetic rotating field is generated, which drives a usually permanently excited rotor (permanently excited synchronous motor). For this purpose, two coils are usually driven simultaneously and the third is de-energized. To detect which two coils have the desired torque effect on the rotor, the rotor position is determined. The rotor position is, for example, in other known from the prior art DC motors
  • Hall sensors optical sensors or sensorless realized via the evaluation of the induction voltage in the unused coil.
  • the sensorless version is usually used only in applications where little starting torque is needed and where a smooth starting of the engine is not necessarily required, such as when driving propellers.
  • a direct position measurement of the rotor is performed in most cases.
  • Most direct current motors use a pole pair number Np greater than 1 (typically 4 to 12).
  • the electrical control thus commutates four or twelve times within one mechanical revolution.
  • the determination of the angular position of the rotor with a uniqueness range of 360 ° allows by modulo division the calculation of the electrical phase position cp (e) according to the following equation (1).
  • cp (abs) represents the absolute angular position of the rotor and Np the number of pole pairs.
  • a sensor with a smaller uniqueness range or the sensorless determination of the rotor position does not allow extrapolation to the absolute position of the rotor or the output. Thus, even with direct drives without a gearbox, it is not possible to use the rotor position signal for the control of the output.
  • Embodiments of the present invention functionalize the co-rotating bell 5 of the DC brushless motor 1 as an external rotor in that a measurement of the absolute angle position is realized with a uniqueness range of 360 °.
  • a target 20, 20A, 20B, 20C made of a conductive material is guided past the sensor 10 embodied as an eddy current sensor and generates an angle-dependent change in the inductance of the at least one sensor coil 12, 14. This can be done by the evaluation and control unit 7, for example via a LC resonant circuit with frequency counter or with an LR connection and measurement of the decay time can be determined.
  • the target 20, 20A, 20B, 20C forms a cylindrical shell surface, which is applied to the outside of the bell 5, and in each case comprises two electrically conductive tracks 22, 22A, 22B, 22C, which the at least one coil 12, Cover 14 at least partially as a function of the angular position of the rotor or the co-rotating bell 5.
  • An alternative evaluation concept could also determine the coupling between two sensor coils 12, 14 with simultaneous coverage by the target 20, 20A, 20B, 20C.
  • a thickness and / or a width of the at least one electrically conductive track 22, 22A, 22B, 22C varies over a circulation of 360 °.
  • each target 20, 20A, 20B, 20C has two separate electrically conductive traces 22, 22A, 22B, 22C.
  • an electrically conductive first track 22.1, 22.1A, 22.1B, 22C extends on the left lateral edge of the cylindrical lateral surface of the target 20, 20A, 20B, 20C and in each case an electrically conductive second track 22.2, 22.2A, 22.2B, 22.2C on the right lateral edge of the cylindrical surface of the target 20, 20A, 20B, 20C.
  • the width of the first track 22.1 decreases from top to bottom and the width of the second track 22.2 increases from top to bottom.
  • the electrical traces 22A each have the shape of an isosceles triangle in the illustrated second embodiment of the target 20A, wherein the width of the first track 22.1A decreases from top to bottom and the width of the second track 22.2A increases from top to bottom.
  • the electrical tracks 22 B in the illustrated third exemplary embodiment of the target 20 B each have the shape of a right-angled triangle, the width of the first track 22.1 B increasing from top to bottom and the width of the second track 22.2 B decreases from top to bottom.
  • the electrical traces 22C in the illustrated fourth embodiment of the target 20C analogous to the third embodiment in each case in the form of a right triangle, wherein the triangular areas of the electrical traces 22C in the fourth embodiment are greater than in the third embodiment.
  • the width of the first track 22. IC increases from top to bottom, and the width of the second track 22. 2C decreases from top to bottom.
  • the sensor 10 in the exemplary embodiments illustrated comprises two coils 12, 14 arranged next to each other, so that the sensor 10 transmits the angle signal via a measurement of the inductances of the two coils 12, 14 as a function of the overlap the at least one electrically conductive track 22, 22 A, 22 B, 22 C generated.
  • Embodiments of the inventive method for providing an angle signal which represents an angular position of a rotor of a brushless DC motor 1, wherein the DC motor 1 is designed as an external rotor with a rotating bell 5, generate the angle signal as a function of the coverage of at least one coil 12, 14 as a We- Belstrom sensor sensor 10 by at least one electrically conductive track 22, 22A, 22B, 22C of a target 20, 20A, 20B, 20C, which is applied to the co-rotating bell 5, wherein the angle signal uniquely represents the absolute angular position of the rotor up to 360 ° ,
  • the angle signal is generated via a measurement of the inductance of the at least one coil 12, 14 as a function of the coverage by the at least one electrically conductive track 22, 22A, 22B, 22C.
  • This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in the evaluation and control unit 7.
  • the evaluation and control unit 7 can use the angle signal for commutation of stator coils of the brushless DC motor 1 and / or for output control of the brushless DC motor 1 and / or output to other vehicle systems and / or vehicle functions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen bürstenloser Gleichstrommotor (1) als Außenläufer mit einer Auswerte- und Steuereinheit (7), einem Stator, einem Rotor, einer mitdrehenden Glocke (5) und einem Sensor (10), welcher einen Winkelstellung des Rotors bestimmt, sowie ein Verfahren zur Bereitstellung eines Winkelsignals. Hierbei ist auf der mitdrehenden Glocke (5) ein Target (20) mit mindestens einer elektrisch leitfähigen Spur (22) aufgebracht und der Sensor (10) ist als Wirbelstromsensor mit mindestens einer Spule ausgeführt, wobei der Sensor (10) radial beabstandet zum Target (20) so angeordnet ist, dass die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur (22) die mindestens eine Spule zumindest teilweise überdeckt, wobei der Sensor (10) als Funktion der Überdeckung der mindestens einen Spule durch die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur (22) ein Winkelsignal bereitstellt, welches die absolute Winkelstellung des Rotors bis zu 360° eindeutig repräsentiert.

Description

Beschreibung
Titel
Bürstenloser Gleichstrommotor und Verfahren zur Bereitstellung eines Winkelsignals
Die Erfindung geht aus von einem bürstenlosen Gleichstrommotor oder einem Verfahren zur Bereitstellung eines Winkelsignals nach Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
Aus dem Stand der Technik sind bürstenlose Gleichstrommotoren als Außenläufer mit sensorgesteuerter und sensorloser Kommutierung bekannt. Bei der sensorgesteuerten Kommutierung wird eine Position des Rotors des Gleichstrommotors beispielsweise mit optischen Sensoren und/oder Hall-Sensoren gemessen, um entsprechend die Phasen eines Stators anzusteuern. Dies ermöglicht ein nahezu„ruckfreies" Anfahren des Gleichstrommotors. Die Verwendung von magnetischen Sensoren legt die Doppelnutzung der Magnete der Permanenterregung als Sensormagnet nahe. Da im Normalfall immer nur zwei Wicklungen des mindestens dreiphasigen Statorsystems angesteuert werden, erfolgt die Bestimmung der Rotorposition bei der sensorlosen Kommutierung durch die induzierte Spannung in der gerade nicht angesteuerten Statorwicklung. Dieses Signal steht jedoch nur bei Bewegung des Rotors zur Verfügung. Das sensorlose Anfahren ist deshalb besonders kritisch. Häufig wird dazu der Motor mit einem festen Taktschema angefahren. Aufgrund der Unbestimmtheit der initialen Rotorlagen kann dies zu einem starken Ruckeln führen. Für zahlreiche Anwendungen ist dieses Verhalten nicht akzeptabel.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Servoantriebe mit bürstenlosen Gleichstrommotoren für Drosselklappen oder vergleichbare Systeme bekannt, deren Stellung über ein untersetztes Getriebe variiert wird. Zusätzlich zur Rotorlage für die Motorsteuerung wird hier die Position des Abtriebs als funktionaler Aspekt detektiert. Dazu ist ein zweiter Sensor erforderlich, weil die Übersetzung die Unterscheidung mehrerer (elektrischer/mechanischer) Umdrehungen erfordern würde. Die Verwendung des Sensors am Abtrieb für die Motorsteuerung ist problematisch, weil das Getriebespiel zu vergleichsweise großen Winkelfehlern bei Bestimmung der Rotorposition führen kann. Durch Verwendung von Motoren mit einer hohen Anzahl elektrischer Pole kann auf die mechanische Übersetzung teilweise verzichtet werden (Direktantrieb). Beim sensorlosen Betrieb und bei Verwendung von Magnetsensoren und Doppelnutzung der Permanenterregung entspricht die elektrische Phasenlage nicht der absoluten Position der Motorwelle.
Aus der EP 0856 720 AI ist beispielsweise ein Lenkwinkelsensor zur Detektie- rung des Drehwinkels oder einer Drehwinkeländerung des Lenkrades eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei welchem mittels eines elektromechanischen Bauteils ein vom Drehwinkel oder einer Drehwinkeländerung abhängiges elektrisches Signal erzeugt wird. Ein berührungsfreier Lenkwinkelsensor besteht aus einem, am Ende einer Lenkspindel angebrachten Dauermagneten, dessen Magnetisierungsachse senkrecht zur Achse der Lenkspindel liegt. Im Bereich des Dauermagneten befindet sich ein magnetfeldempfindlicher Sensor, der vorzugsweise aus Hallelementen in diskreter oder integrierter Form besteht.
Offenbarung der Erfindung
Der bürstenlose Gleichstrommotor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und das Verfahren zur Bereitstellung eines Winkelsignals mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 7 haben den Vorteil, dass durch die Funktionalisierung der mitdrehenden Glocke des bürstenlosen Gleichstrommotors zur Absolutwinkelbestimmung des Rotors mit Hilfe eines Wirbelstromsensors eine Kostenreduzierung und eine Bauraumverkleinerung ermöglicht werden. Der Sensor liefert ein Messsignal mit einer Eindeutigkeit bis zu 360° unabhängig von der Polpaarzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors. Das Messsignal kann beispielsweise für die Kommutierung der Statorspulen verwendet werden, was insbesondere zum ruckfreien Anfahren in Elektrofahrzeugen unabdingbar ist. Bei Anwendungen, welche durch die Verwendung entsprechend drehmomentstarker Motoren auf eine mechanische Übersetzung verzichten kön- nen, kann der Sensor neben der Motorsteuerung auch zur Regelung des Abtriebs bzw. der Nutzfunktion verwendet werden. Es kann somit auf einen zweiten Sensor verzichtet werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen bürstenlosen Gleichstrommotor als Außenläufer zur Verfügung, welcher einen Stator, einen Rotor, eine mitdrehende Glocke und einen Sensor umfasst, welcher eine Winkelstellung des Rotors bestimmt. Hierbei ist auf der mitdrehenden Glocke ein Target mit mindestens einer elektrisch leitfähigen Spur aufgebracht und der Sensor ist als Wirbelstromsensor mit mindestens einer Spule ausgeführt, wobei der Sensor radial beabstandet zum Target so angeordnet ist, dass die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur die mindestens eine Spule zumindest teilweise überdeckt, wobei der Sensor als Funktion der Überdeckung der mindestens einen Spule durch die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur ein Winkelsignal bereitstellt, welches die absolute Winkelstellung des Rotors bis zu 360° eindeutig repräsentiert.
Zudem wird ein Verfahren zur Bereitstellung eines Winkelsignals vorgeschlagen, welches eine Winkelstellung eines Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors repräsentiert, wobei der Gleichstrommotor als Außenläufer mit einer mitdrehenden Glocke ausgeführt ist. Hierbei wird das Winkelsignal als Funktion der Überdeckung von mindestens einer Spule eines als Wirbelstromsensor ausgeführten Sensors durch mindestens eine elektrisch leitfähige Spur eines Targets erzeugt, welches auf der mitdrehenden Glocke aufgebracht ist, wobei das Winkelsignal die absolute Winkelstellung des Rotors bis zu 360° eindeutig repräsentiert.
Der Kern der Erfindung ist das Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Spur auf der mitdrehenden Glocke des bürstenlosen Gleichstrommotors, das Anbringen eines entsprechenden Wirbelstromsensors zur Messung der Absolutwinkelposition und das Bereitstellen eines Winkelsignals, welches die Absolutwinkelposition repräsentiert. Das Winkelsignal kann zur Kommutierung der Statorspulen und/oder zur Regelung des Abtriebs eingesetzt werden.
Ausführungsformen der Erfindung benötigen im Vergleich zu Wellenendesenso- ren, welche die Länge des Gleichstrommotors vergrößern, weniger zusätzlichen Bauraum. Durch die eindeutige Bestimmung der absoluten Winkelstellung des Rotors im Bereich bis zu 360° können zusätzliche Sensoren an den angetriebenen Baugruppen, wie beispielsweise Klappen usw. eingespart werden. Des Weiteren ist durch die Umsetzung des Wirbelstromprinzips im Hinblick auf EMV eine robuste Messung unabhängig von statischen Magnetfeldern und Motorströmen möglich. Zudem ergibt sich durch das bereitgestellte Winkelsignal im Vergleich zu sensorlosen Verfahren eine bessere Regelung der Kommutierung.
Unter der Auswerte- und Steuereinheit kann vorliegend ein elektrisches Gerät, wie beispielsweise ein Steuergerät, insbesondere ein Motorsteuergerät, verstanden werden, welches erfasste Sensorsignale verarbeitet bzw. auswertet. Die Auswerte- und Steuereinheit kann mindestens eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Auswerte- und Steuereinheit beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung der Auswertung verwendet wird, wenn das Programm von der Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt wird.
Unter einem Sensor wird vorliegend eine Baueinheit verstanden, welche mindestens ein Sensorelement umfasst, welches eine physikalische Größe bzw. eine Änderung einer physikalischen Größe direkt oder indirekt erfasst und vorzugsweise in ein elektrisches Sensorsignal umwandelt.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen bürstenlosen Gleichstrommotors und des im unabhängigen Patentanspruch 7 angegebenen Verfahrens zur Bereitstellung eines Winkel- Signals möglich. Besonders vorteilhaft ist, dass eine Dicke und/oder eine Breite der mindestens einen elektrisch leitfähigen Spur über einen Umlauf von 360° variieren können, um die Messung zu erleichtern.
In vorteilhafter Ausgestaltung des Gleichstrommotors kann der Sensor das Winkelsignal über eine Messung der Induktivität der mindestens einen Spule als Funktion der Überdeckung durch die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur erzeugen. Die mindestens eine Spule erzeugt Wirbelströme in der mindestens einen elektrisch leitfähigen Spur, welche eine winkelabhängige Änderung der Induktivität der mindestens einen Spule erzeugen. Diese Induktivitätsänderung kann in der Auswerte- und Steuereinheit beispielsweise über einen LC- Schwingkreis mit Frequenzzähler oder mit einer LR-Verschaltung und Messung der Abklingzeit bestimmt werden. Alternativ kann der Sensor das Winkelsignal über eine induktive Kopplung zwischen mindestens zwei Spulen als Funktion der Überdeckung durch die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur erzeugen. Das alternative Auswertekonzept kann analog zu einem Transformator die Kopplung zwischen zwei Sensorspulen bei gleichzeitiger Überdeckung durch die mindestens eine elektrisch leitende Spur ausnutzen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Gleichstrommotors kann die Auswerte- und Steuereinheit das Winkelsignal zur Kommutierung von Statorspulen und/oder zur Abtriebsregelung verwendet. Zudem kann die Auswerte- und Steuereinheit das Winkelsignal an andere Fahrzeugsysteme und/oder Fahrzeugfunktionen ausgeben.
In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens zur Bereitstellung eines Winkelsignals kann das Winkelsignal über eine Messung der Induktivität der mindestens einen Spule als Funktion der Überdeckung durch die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur erzeugt werden. Alternativ kann das Winkelsignal über eine induktive Kopplung zwischen mindestens zwei Spulen als Funktion der Überdeckung durch die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur erzeugt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens zur Bereitstellung eines Winkelsignals kann das Winkelsignal zur Kommutierung von Statorspulen des bürstenlosen Gleichstrommotors und/oder zur Abtriebsregelung des bürstenlosen Gleichstrommotors verwendet und/oder an andere Fahrzeugsysteme und/oder Fahrzeugfunktionen ausgegeben werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen bürstenlosen Gleichstrommotors als Außenläufer.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines abgewickelten Targets, welches auf einer mitdrehenden Glocke des bürstenlosen Gleichstrommotors aus Fig. 1 aufgebracht ist.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines abgewickelten Targets, welches auf einer mitdrehenden Glocke des bürstenlosen Gleichstrommotors aus Fig. 1 aufgebracht ist.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines abgewickelten Targets, welches auf einer mitdrehenden Glocke des bürstenlosen Gleichstrommotors aus Fig. 1 aufgebracht ist.
Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus Fig. 1 bis 4 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen bürstenlosen Gleichstrommotors 1 als Außenläufer eine Auswerte- und Steuereinheit 7, einen nicht näher dargestellten Stator, einen nicht näher dargestellten Rotor, eine mitdrehende Glocke 5 und einen Sensor 10, welcher einen Winkelstellung des Rotors bestimmt. Hierbei ist auf der mitdrehenden Glocke 5 ein Target 20, 20A, 20B, 20C mit mindestens einer elektrisch leitfähigen Spur 22, 22A, 22B, 22C aufgebracht und der Sensor 10 ist als Wir- belstromsensor mit mindestens einer Spule 12, 14 ausgeführt. Der Sensor 10 ist radial beabstandet zum Target 20, 20A, 20B, 20C so angeordnet, dass die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur 22, 22A, 22B, 22C die mindestens eine Spule 12, 14 zumindest teilweise überdeckt, wobei der Sensor 10 als Funktion der Überdeckung der mindestens einen Spule 12, 14 durch die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur 22, 22A, 22B, 22C ein Winkelsignal bereitstellt, welches die absolute Winkelstellung des Rotors bis zu 360° eindeutig repräsentiert.
Prinzipiell steuert die Auswerte- und Steuereinheit 7 zum Betrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors 1 mindestens drei Spulen des Stators derart an, dass ein magnetisches Drehfeld entsteht, welches einen zumeist permanent erregten Rotor antreibt (permanent erregter Synchronmotor). Dafür werden zumeist gleichzeitig zwei Spulen angesteuert und die dritte stromlos geschaltet. Um zu erkennen, welche zwei Spulen die gewünschte Drehmomentwirkung auf den Rotor haben, wird die Rotorposition ermittelt. Die Rotorposition wird bei anderen aus dem Stand der Technik bekannten Gleichstrommotoren beispielsweise über
Hallsensoren, optische Sensoren oder sensorlos über die Auswertung der Induktionsspannung in der nicht genutzten Spule realisiert. Die sensorlose Ausführung wird in der Regel nur bei Anwendungen eingesetzt, bei welchen wenig Anfahrmoment benötigt wird und bei denen ein ruckfreies Anlaufen des Motors nicht zwangsläufig erforderlich is, wie beispielsweise beim Antrieb von Propellern. Bei Anwendungen, welche über ein Getriebe mit einem solchen bürstenlosen Gleichstrommotor verbunden sind, wird in den meisten Fällen eine direkte Lagemessung des Rotors durchgeführt. Die meisten Gleichstrommotoren verwenden eine Polpaarzahl Np größer als 1 (typischerweise 4 bis 12). Die elektrische Ansteue- rung kommutiert somit innerhalb einer mechanischen Umdrehung vier- bzw. zwölfmal. Die Bestimmung der Winkelposition des Rotors mit einem Eindeutigkeitsbereich von 360° erlaubt durch Modulo-Division die Berechnung der elektrischen Phasenlage cp(e) nach folgender Gleichung (1).
(p(e)=Mod((p(abs),360°/Np)
Hierbei repräsentiert cp(abs) die absolute Winkelstellung des Rotors und Np die Anzahl der Polpaare. Ein Sensor mit einem kleineren Eindeutigkeitsbereich bzw. die sensorlose Bestimmung der Rotorlage erlaubt keine Extrapolation auf die absolute Lage des Rotors bzw. des Abtriebs. Es ist somit selbst bei Direktantrieben ohne Getriebe nicht möglich, das Rotorpositionssignal für die Regelung des Abtriebs zu ver- wenden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung funktionalisieren die sich mitdrehende Glocke 5 des bürstenlosen Gleichstrommotors 1 als Außenläufer dahingehend, dass eine Messung der Absolutwinkelposition mit einem Eindeutigkeitsbereich von 360° realisiert wird. Dazu wird an dem als Wirbelstromsensor ausgeführten Sensor 10 ein Target 20, 20A, 20B, 20C aus einem leitfähigen Material vorbeigeführt und erzeugt eine winkelabhängige Änderung der Induktivität der mindestens einen Sensorspule 12, 14. Diese kann von der Auswerte- und Steuereinheit 7 beispielsweise über einen LC-Schwingkreis mit Frequenzzähler oder mit einer LR-Verschaltung und Messung der Abklingzeit bestimmt werden. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen bildet das Target 20, 20A, 20B, 20C eine zylindrische Mantelfläche, welche auf die Außenseite der Glocke 5 aufgebracht ist, und umfasst jeweils zwei elektrisch leitfähige Spuren 22, 22A, 22B, 22C, welche die mindestens eine Spule 12, 14 in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors bzw. der mitdrehenden Glocke 5 zumindest teilweise überdecken. Ein alternatives Auswertekonzept könnte auch die Kopplung zwischen zwei Sensorspulen 12, 14 bei gleichzeitiger Überdeckung durch das Target 20, 20A, 20B, 20C ermitteln. Wie aus Fig. 1 bis 4 weiter ersichtlich ist, variiert eine Dicke und/oder eine Breite der mindestens einen elektrisch leitfähigen Spur 22, 22A, 22B, 22C über einen Umlauf von 360°. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen weist jedes Target 20, 20A, 20B, 20C zwei voneinander getrennte elektrisch leitfähige Spuren 22, 22A, 22B, 22C auf. Hierbei verläuft jeweils eine elektrisch leitfähige erste Spur 22.1, 22.1A, 22.1B, 22. IC am linken seitlichen Rand der zylindrischen Mantelfläche des Targets 20, 20A, 20B, 20C und jeweils eine elektrisch leitfähige zweite Spur 22.2, 22.2A, 22.2B, 22.2C am rechten seitlichen Rand der zylindrischen Mantelfläche des Targets 20, 20A, 20B, 20C. Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, nimmt im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Targets 20 die Breite der ersten Spur 22.1 von oben nach unten ab und die Breite der zweiten Spur 22.2 von oben nach unten zu. Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich ist, weisen die elektrischen Spuren 22A im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel des Targets 20A jeweils die Form eines gleichschenkligen Dreiecks auf, wobei die Breite der ersten Spur 22.1A von oben nach unten abnimmt und die Breite der zweiten Spur 22.2A von oben nach unten zunimmt.
Wie aus Fig. 3 weiter ersichtlich ist, weisen die elektrischen Spuren 22 B im dargestellten dritten Ausführungsbeispiel des Targets 20B jeweils die Form eines rechtwinkligen Dreiecks auf, wobei die Breite der ersten Spur 22.1 B von oben nach unten zunimmt und die Breite der zweiten Spur 22.2B von oben nach unten abnimmt.
Wie aus Fig. 4 weiter ersichtlich ist, weisen die elektrischen Spuren 22C im dargestellten vierten Ausführungsbeispiel des Targets 20C analog zum dritten Ausführungsbeispiel jeweils die Form eines rechtwinkligen Dreiecks auf, wobei die Dreieckflächen der elektrischen Spuren 22C im vierten Ausführungsbeispiel größer als im dritten Ausführungsbeispiel sind. Hierbei nimmt die Breite der ersten Spur 22. IC von oben nach unten zu und die Breite der zweiten Spur 22.2C nimmt von oben nach unten ab. Wie aus Fig. 2 bis 4 weiter ersichtlich ist, umfasst der Sensor 10 in den dargestellten Ausführungsbeispielen zwei nebeneinander angeordnete Spulen 12, 14, so dass der Sensor 10 das Winkelsignal über eine Messung der Induktivitäten der beiden Spulen 12, 14 als Funktion der Überdeckung durch die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur 22, 22 A, 22 B, 22C erzeugt.
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bereitstellung eines Winkelsignals, welches eine Winkelstellung eines Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors 1 repräsentiert, wobei der Gleichstrommotor 1 als Außenläufer mit einer mitdrehenden Glocke 5 ausgeführt ist, erzeugen das Winkelsignal als Funktion der Überdeckung von mindestens einer Spule 12, 14 eines als Wir- belstromsensor ausgeführten Sensors 10 durch mindestens eine elektrisch leitfähige Spur 22, 22A, 22B, 22C eines Targets 20, 20A, 20B, 20C, welches auf der mitdrehenden Glocke 5 aufgebracht wird, wobei das Winkelsignal die absolute Winkelstellung des Rotors bis zu 360° eindeutig repräsentiert. In den dargestellten Ausführungsbeispielen wird das Winkelsignal über eine Messung der Induktivität der mindestens einen Spule 12, 14 als Funktion der Überdeckung durch die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur 22, 22A, 22B, 22C erzeugt.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in der Auswerte- und Steuereinheit 7 implementiert sein. Die Auswerte- und Steuereinheit 7 kann das Winkelsignal zur Kommutierung von Statorspulen des bürstenlosen Gleichstrommotors 1 und/oder zur Abtriebsregelung des bürstenlosen Gleichstrommotors 1 verwenden und/oder an andere Fahrzeugsysteme und/oder Fahrzeugfunktionen ausgegeben.

Claims

Ansprüche
1. Bürstenloser Gleichstrommotor (1) als Außenläufer mit einer Auswerte- und Steuereinheit (7), einem Stator, einem Rotor, einer mitdrehenden Glocke (5) und einem Sensor (10), welcher einen Winkelstellung des Rotors bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass auf der mitdrehenden Glocke (5) ein Target (20, 20A, 20B, 20C) mit mindestens einer elektrisch leitfähigen Spur (22, 22A, 22B, 22C) aufgebracht ist und der Sensor (10) als Wirbelstromsensor mit mindestens einer Spule (12, 14) ausgeführt ist, wobei der Sensor (10) radial beabstandet zum Target (20, 20A, 20B, 20C) so angeordnet ist, dass die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur (22, 22A, 22B, 22C) die mindestens eine Spule (12, 14) zumindest teilweise überdeckt, wobei der Sensor (10) als Funktion der Überdeckung der mindestens einen Spule (12, 14) durch die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur (22, 22A, 22B, 22C) ein Winkelsignal bereitstellt, welches die absolute Winkelstellung des Rotors bis zu 360° eindeutig repräsentiert.
2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke und/oder eine Breite der mindestens einen elektrisch leitfähigen Spur (22, 22A, 22B, 22C) über einen Umlauf von 360° variiert.
3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) das Winkelsignal über eine Messung der Induktivität der mindestens einen Spule (12, 14) als Funktion der Überdeckung durch die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur (22, 22A, 22B, 22C) erzeugt.
4. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) das Winkelsignal über eine induktive Kopplung zwischen mindestens zwei Spulen (12, 14) als Funktion der Überde- ckung durch die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur (22, 22A, 22B, 22C) erzeugt.
Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (7) das Winkelsignal zur Kommutierung von Statorspulen und/oder zur Abtriebsregelung verwendet.
Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (7) das Winkelsignal an andere Fahrzeugsysteme und/oder Fahrzeugfunktionen ausgibt.
Verfahren zur Bereitstellung eines Winkelsignals, welches eine Winkelstellung eines Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors (1) repräsentiert, wobei der Gleichstrommotor (1) als Außenläufer mit einer mitdrehenden Glocke (5) ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Winkelsignal als Funktion der Überdeckung von mindestens einer Spule (12, 14) eines als Wirbelstromsensor ausgeführten Sensors (10) durch mindestens eine elektrisch leitfähige Spur (22, 22A, 22B, 22C) eines Targets (20, 20A, 20B, 20C) erzeugt wird, welches auf der mitdrehenden Glocke (5) aufgebracht ist, wobei das Winkelsignal die absolute Winkelstellung des Rotors bis zu 360° eindeutig repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Winkelsignal über eine Messung der Induktivität der mindestens einen Spule (12, 14) als Funktion der Überdeckung durch die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur (22, 22A, 22B, 22C) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Winkelsignal über eine induktive Kopplung zwischen mindestens zwei Spulen (12, 14) als Funktion der Überdeckung durch die mindestens eine elektrisch leitfähige Spur (22, 22A, 22B, 22C) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Winkelsignal zur Kommutierung von Statorspulen des bürsten- losen Gleichstrommotors (1) und/oder zur Abtriebsregelung des bürstenlosen Gleichstrommotors (1) verwendet und/oder an andere Fahrzeugsysteme und/oder Fahrzeugfunktionen ausgegeben wird.
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