WO2019197029A1 - Mikrowellen-drehwinkelgeber - Google Patents

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WO2019197029A1
WO2019197029A1 PCT/EP2018/059369 EP2018059369W WO2019197029A1 WO 2019197029 A1 WO2019197029 A1 WO 2019197029A1 EP 2018059369 W EP2018059369 W EP 2018059369W WO 2019197029 A1 WO2019197029 A1 WO 2019197029A1
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WO
WIPO (PCT)
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rotor
electromagnetic waves
scanning unit
rotation
drehwinkelgebersystem
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/059369
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Meyer
Jürgen ZETTNER
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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 Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to PCT/EP2018/059369 priority Critical patent/WO2019197029A1/de
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    • G—PHYSICS
    • 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
    • G01D5/48—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 wave or particle radiation means

Definitions

  • the present invention relates to a rotary encoder system for determining a rotation angle in an electric machine. This invention also relates to a method for determining a rotation angle of a device.
  • the patent DE 10 2013 202765 B4 describes an elec tric measuring system.
  • This measuring system has a sensor for receiving an electromagnetic wave and a guide part for guiding the electromagnetic wave.
  • the Füh tion part is elongated and preferably a me-metallic profile part. In the longitudinal direction, it has a
  • the published patent application DE 10 2013 209364 A1 describes a method for measuring the frequency of an electrical signal and an electrical measuring system.
  • the electrical measuring system is described with a six-gate circuit and a delay line.
  • An electrical signal is supplied on the one hand di rectly and on the other hand via the delay line of the six-gate circuit.
  • the frequency of the signal is calculated by the six-port circuit as a function of the length of the delay line.
  • the document WO 2013/098803 A1 describes a high-resolution coding device.
  • the encoder has a rotary washer, which is attached to a shaft.
  • the ro tierende disc has in particular different permanent magnets on which are arranged in a circle on the disc.
  • Hall sensors can be arranged on the rotating disk. From obtained electrical signals an absolute angular position is calculated.
  • Rotary encoders usually consist of a detection unit which scans a material measure, that is to say that component which encodes the angle of rotation.
  • the rotation angle is transmitted as a high-frequency present position-actual value digitally to a controller or, if it is an analog interface, scanned by the latter (for example sine / cosine encoder) and the actual position value in the STEU calculated.
  • the known measuring methods have a number of disadvantages.
  • Optically high-precision encoders are ponderein intensive, since usually a high-precision assembly of the detection unit for measuring scale is necessary.
  • integrated encoders they are susceptible to dirt and expensive and thus to be permanently encapsulated by the engine manufacturer. The requirement for low latency for a change in the control requires fast physical measurement principles or position correction techniques.
  • Material measures which are known in the art as encoded Multipolmagnetrate or gears or as inductive or capacitive printed circuit board structures or op table glass or plastic discs with transmissive or reflective structures to be micrometer be known must be expensive for high accuracies in an area over 18 bits be made. As the accuracy class increases, the respective feature sizes become smaller and smaller.
  • Rotary encoders with matrix detectors require to create the holographic structure precision and accuracy in the manufacture of the rotary encoder, as is not common in conventional engine manufacturing.
  • a contactless rotation angle measurement of high accuracy by scanning a material measure which with conventional, metal-processing manufacturing technology such as PCB structures or, for example, additive manufacturing tion technology could be created, while insensitive to pollution is Ver and allows a cost-effective arrangement with tolerant ter assembly, is not yet known. Therefore, in the context of this invention, a new Drehwinkelgebersys system for determining a rotation angle in an electric machine is proposed.
  • the Drehwinkelgebersystem has a rotor which is rotatable. As a rule, the rotor is part of an electric machine.
  • the rotation angle system also has a scanning unit for scanning a first surface of the rotor by means of electromagnetic waves.
  • the Drehwinkelgeber system is characterized in that the scanning unit egg nen waveguide with a first interface for Einspei sen of the electromagnetic waves and a second interface point for receiving the electromagnetic waves.
  • the rotary encoder system has an evaluation unit, which is designed to analyze the received electromagnetic waves for the determination of the angle of rotation to analyze, wherein on the first surface of the rotor at least one material measure is arranged with at least one geometri's extent. In this case, the at least one geometric extension is defined in a range of 0.1 mm to 15 mm.
  • the scanning of the first surface of the rotor takes place by means of electromagnetic waves.
  • the electromagnetic waves are influenced by a rotation of the rotor.
  • the electromagnetic waves are in particular not limited exclusively to the waveguide, but in particular detect the first surface of the Ro tor. This can ensure that a rotation of the rotor affects the electromagnetic waves.
  • the elec tromagnetic waves which are formed in particular as microwaves, chen Errei the first surface of the rotor and interact with it.
  • the electromag- netic waves are influenced by the first surface and in particular by a rotation of the first surface. Even if the waveguide is arranged on or in the scanning unit, the electromagnetic waves can reach and interact with the first surface of the rotor. In particular, they are not isolated from the first surface of the rotor.
  • the first surface of the rotor has at least one redesignver stresseselement, as a rule, a lot of number of scale elements on the first surface is arranged, the bil together a material measure the structure.
  • the at least one scale element may be, for example, a vertical elevation or depression starting from the first surface of the rotor. These elevations or depressions may be formed for example in the form of round holes. If the first surface of the rotor has a plurality of materializing elements, it is often referred to as a materializing structure or coding structure. Using such a coding structure, a rotation angle can be coded.
  • the first surface of the rotor on at least one trenchverismeungselement which allows to encode a Drehwin angle.
  • the at least one material measure element or the structure of several constitutionalver stressesungsele elements influence the electromagnetic waves. This in particular indicates that the received electromagnetic waves interact with the at least one material measure element and this interaction is visible through a corresponding change in the electromagnetic waves. This change can be detected by the evaluation unit.
  • electromagnetic waves are used in the micelle wavelength range. These are mainly elec tromagnetic waves with a wavelength of 1 mm to 300 mm. For this reason, at least one dimension of the scale element has a value ranging from 0.1 mm to 15 mm. This extension is to be understood in particular as a spatial extension.
  • the spatial extension can be, for example, a diameter or a depth of a bore.
  • a materializing structure of a plurality of materializing elements can be characterized in particular by the fact that the transmission behavior (amplitude versus wavelength and / or phase versus wavelength) of the angle of rotation associated structure in the waveguide is unique.
  • the evaluation unit can clearly determine a rotation angle.
  • a Rotorstirn- or a Rotorman telology an electrical machine with a plurality of wells (cutouts, holes, cast structures or circuit board resonance structures) are provided.
  • a sometimes complex material measure structure can be created, which allows to encode many different angles of rotation.
  • the interaction of the electromagnetic Wel len with the first surface of the rotor or the transmission behavior of the electromagnetic waves can be selectively influenced.
  • Diameter in their shape and in depth variie Ren.
  • the distance between the Koreanöungsetti to each other can also be summarized as a geometric extension.
  • a rotary encoder system can be created, which is much easier to manufacture than many optical rotary encoder systems.
  • the various measuring elements can be combined with conventional, metal-working production technology can be generated on the first surface of the rotor. With a corresponding scale embodiment, however, an accuracy can be achieved, as is achieved with optically diffractive rotary encoders.
  • a further variant of this invention provides a rotary encoder system, wherein the fed electromagnetic waves have a frequency of 20 GHz to 240 GHz. Elek tromagnetic waves in this frequency range mentioned have a wavelength in the millimeter range. So eig nen such waves are particularly good to be able to effectively interact with the minima least one Tonyver stresseselement. This is mainly due to the fact that the injected electromagnetic waves at a frequency of 20 to 240 GHz have wavelengths that is comparable to the geometric extent of the scale element.
  • a Drehwinkelgebersystem in which electromagnetic waves are used in said frequency range, works much better than when electromagnetic waves with wavelengths in the nanometer range are used.
  • a further variant of this invention provides a rotary encoder system, wherein the first surface of the rotor is formed of a metal.
  • the first surface of the rotor may be formed, for example, of aluminum, iron, stainless steel or on their metallic alloys.
  • the simple processing is particularly advantageous. If the first surface of the rotor formed of metal, it can be easier to work example by drilling or milling who the. The production of a material measure structure is thus possible without much effort.
  • optical rotary encoders can still be created on the first surface of the rotor at a lower tolerance in a production here an effective mecanical restructuring.
  • a further variant of the invention provides a Drehwinkelge bersystem before, wherein the waveguide is formed totally reflecting at least in a partial area.
  • the wave Ladder may be, for example, round or out as an angular channel forms.
  • those surfaces of the waveguide, which are remote from the first surface of the rotor are totally reflecting.
  • the waveguide is preferably out in the direction of the first surface of the rotor out leads.
  • the waveguide has only those opening or openings that are required so that the electromagnetic waves can interact with the first surface of the rotor Oberflä.
  • the other surfaces of the waveguide can be made totally reflective. An unwanted attenuation of the electromagnetic waves by transmission can be prevented, and thus the effectiveness of the Drehwinkelgebersystems can be increased.
  • a further variant of this invention provides that the direction of the at least one extension of the Schoverkörpe tion element is perpendicular to the first surface of the rotor.
  • This can be implemented, for example, by a vertical elevation or by a vertical bore.
  • the material measure elements can protrude obliquely from the first surface or project obliquely into it.
  • cones, pyramids or prism shapes can be introduced into the first surface by embossing or laser patterning.
  • Additive Manufacturing Manufacturing technologies can create virtually any cavity ("holes") / elevations "knobbed" shapes.
  • Scale elements that are perpendicular to the first surface are often referred to as “nubs” or as “holes.” These shapes of the scale elements extend perpendicularly from the first surface and extend perpendicularly into the first surface. particular be a surface layer having a predetermined thickness. This first surface or surface layer is used in particular to determine a Troverkörpe tion structure with several measuring elements ready.
  • dichimasis which protrude perpendicularly from this surface layer (studs) or perpendicularly project into this surface layer (holes), can be particularly easy to produce manufacturing technology.
  • a further variant of this invention provides that the at least one extension has a value correlated to a mean wavelength of a band of a plurality of electromagnetic wavelengths, the waves being located in the band for scanning.
  • the band of electromagnetic waves may be defined, for example, with a lower wavelength and an upper wavelength.
  • the at least one extent may in this case be formed as a function of this wavelength interval.
  • a height or depth of the at least one scale element with a mean wavelength of the band can be corrected. It is possible that, in the case of several dimensioning elements, the respective vertical expansions to the first surface of the rotor have different values.
  • the resolution can be further increased.
  • the height or depth of the vertical extent of the at least one material measure element represents an additional parameter for the Drehwin kelcodtechnik.
  • the lateral dimensions of the scale element can be specified depending on the mittle ren wavelength. For example, different holes with different diameters can be easily seen. This represents an additional parameter which improves the rotation angle coding or the resolution of the rotation angle coding.
  • a further variant provides that the at least one and further dimensional standard elements are distributed over the surface of the first surface of the rotor surface.
  • the material measure not only along a Li are never arranged, but can be distributed over the entire first surface of the rotor Oberflä.
  • the measuring graduation elements would not only be distributed along the diameter, but also in the direction of different angles.
  • the material measure elements are distributed homogeneously over the first surface of the rotor.
  • the areal distribution of the material measure elements together with different heights or depths of the measure can embody a parameter set which can make a high resolution possible with a rotation angle coding of the rotary encoder system.
  • a further variant provides that a base of the at least one measuring element is a circle or a square.
  • Circular scale elements can be relatively easily, for example, using a drill ago.
  • Measuring scale elements with a square base area can be produced, for example, by means of stamping.
  • a different arrangement of several different measuring scale elements with different base area can be used as a further parameter for the rotation angle coding.
  • a further variant provides a rotary encoder system, wherein the evaluation unit is designed to analyze the received electromagnetic waves relating to a phase shift and / or an intensity distribution over the wavelength of the electromagnetic waves.
  • the evaluation unit can in particular determine whether amplitudes have changed in the electromagnetic waves. Since a Rota tion of the first surface of the rotor affects the electromagnetic waves, the evaluation unit can determine a Phasenver shift and / or an intensity distribution over the wavelength of the electromagnetic waves Wel.
  • a transmission characteristic per rotation angle is detected by the evaluation unit.
  • the transmission characteristic includes, in particular, an analysis of the phase shift, the intensity distribution and / or possibly a changed amplitude of the electromagnetic waves.
  • the evaluation unit can in particular special determine only based on the received electromagnetic waves rule, which angle of rotation is currently available.
  • a measurement of the transmission characteristic per rotation angle is advantageous because the electronics works with a simple power detector and at the same time a reduction in intensity, for example, pollution or power reduction over the temperature or operating hours does not cause Ver falsification of the angle assignment.
  • the measurement of the transmission characteristic does not have to use a more complex phase evaluation.
  • a further variant provides a rotary encoder system, wherein the evaluation unit is designed to assign a respective rotation angle to the received electromagnetic waves based on given reference data.
  • the reference data include, in particular, as information which transmission characteristic or transmission behavior is present at a certain predetermined rotation angle.
  • the transmission characteristic regarding the electromagnetic waves may be determined in advance. This makes it possible to assign a rotation angle to a specific transmission characteristic.
  • the transmission characteristic includes, in particular, a modified amplitude, a phase shift and / or a new intensity distribution by means of which the angle of rotation can be derived.
  • a further variant of this invention provides a rotary encoder system, wherein the rotor is cylindrical and the scanning unit is adapted to the first surface as a base of the rotor along a direction of the diameter and / or along a direction of a Se edge with respect to the first surface of the rotor.
  • This can be achieved, for example, by guiding a waveguide which is open in the direction of the first surface along a diameter or along a secant with respect to the first surface. If the scanning along the direction of the diameter, so it can be spoken of a symmetrical scanning. If the Ab keys along the secant of the scanning executed, it may result in an intentional unregelmäßi ges sampling.
  • These different methods of sampling can be used for additional improved rotation angle coding. This may mean, in particular, that the arrangement of the material measure elements depending on the type of scanning can be specified. This can allow additional degrees of freedom in terms of the rotation angle coding.
  • a further variant provides a rotary encoder system, wherein the rotor is cylindrical, on the first surface of the rotor a plurality of dilemmaver analysesungs institute are arranged, wherein the plurality of motherboardworksungs mandate are conductive and are electrically connected along a radial direction on an end face of the first surface of the rotor.
  • those rejoinver analysesungs comprise electro-magnetically interact with each other, which lie along a radius. In particular, a change in the electromagnetic waves along a radius can be investigated.
  • a different material measure structure can be selected.
  • several decisionver emotionsungsele elements can be arranged on a lateral surface of the cylindrical rotor to.
  • Such a materializing structure has preferably from each other electrically separated structures on the angle.
  • an electrically contiguous structure of the material measure can be ge give. This is therefore particularly advantageous since at measure embodiments, which are distributed over the lateral surface, as a rule, the waveguide runs parallel to the cylinder axis.
  • the Schlver stressesungs comprise along the axial direction interact better, which can additionally influence the transmission behavior of the electromagnetic waves or their transmission characteristics.
  • the measurement of the rotation angle can be additionally improved.
  • the material measure elements are formed from a different material than the first surface of the rotor or the surface layer of the rotor. This could be achieved, for example, by partially introducing a dielectric into the holes of the measuring elements. This dielectric may additionally affect the interaction of the rotor rotating with the electromagnetic waves.
  • a plurality of different dielectrics be used for the material measure elements. All these examples show how the number of support points for the rotation angle coding can be influenced and thus a higher resolution can be achieved.
  • a rotary encoder system wherein the rotor is designed as a printed circuit board.
  • Printed circuit boards usually have fiberglass fabric in plastic / epoxy resins and a variety of printed circuit layers (copper, gold-plated copper), which can be provided in conventional circuit board structuring technologies to a few ym exactly with structures that act as constitutionalverkörpe tion structures. On printed circuit boards can thus Reso nance structures are arranged, which cause a measurable and clear interaction of the electromagnetic waves with the circuit board.
  • the rotary encoder system provides in particular that the scanning unit is static. In contrast to Ro tor, which is designed to be rotatable, the scanning unit preferably does not rotate. This means that there is usually a distance greater than zero between the scanning unit and the rotor. Preferably, this distance is kept small in order to keep any power loss of electromagnetic waves ge ring.
  • the scanning unit also called stator
  • the rotor are never physically connected directly.
  • the angle of rotation sensor system is usually "non-contact.”
  • the air gap is preferably chosen so large that the radio tion of the waveguide and the interaction of the electromagnetic waves with the at least one material measure element or the material measure of meh rerenschurgiver stresses instituten the artefacts of the air gap losses far outweigh ,
  • a further variant provides that the scanning unit has meh rere second interfaces for receiving the fed electromagnetic waves. This can be done a more detailed analysis of the transmitted or received elec tromagnetic waves. This may allow a more accurate rotation angle coding. For example, additional information can thus be obtained which makes it possible to better take into account the influence of further parameters, for example a distance of the scanning unit from the first surface.
  • a further variant provides a rotary encoder system, wherein a second surface of the scanning unit is arranged parallel to the first surface of the rotor and at least a portion of this first surface is projected perpendicular to the second surface of the scanning unit.
  • the scanning unit is arranged above or below the rotor.
  • the first surface of the rotor is parallel, in particular to the second surface of the scanning unit.
  • These two surfaces are arranged to each other such that at least partially results in an overlap of these surfaces in the vertical direction.
  • the first and second surfaces can be the same size and completely overlap.
  • the present invention also provides a method for determining a rotation angle of a device having a scanning unit and a rotatable rotor.
  • a) electromagnetic waves are fed via a first interface of the scanning unit, wherein the fed electromagnetic waves are transmitted in a waveguide to a second interface of the scanning unit.
  • the waveguide is arranged in particular in or on the scanning unit.
  • the first interface of the sampling unit allows in particular a feeding of the electro-magnetic waves
  • the second interface of the Abtastein unit in particular allows receiving the transmitted or transmitted electromagnetic waves.
  • a first surface of the rotor is scanned by means of the electromagnetic waves, wherein the first surface has at least one Tonyver stresseselement with an extension in a range of 0.1 mm to 15 mm.
  • the waveguide is preferably arranged so that the electromagnetic waves can propagate in the direction of ers th surface of the rotor. It can thus be ensured that a rotation of the first surface or of the rotor influences the electromagnetic waves.
  • the transmitted electromagnetic waves are received at the second interface. In place transmitted electromagnetic waves is often spoken of received electromagnetic waves.
  • the transmitted electromagnetic waves are evaluated with regard to a phase shift and / or an intensity distribution over the wavelength for determining the angle of rotation.
  • the evaluation may in particular include an analysis of the respective amplitude with respect to the electromagnetic waves. It can be determined, for example, as to whether an amplitude of the elec tromagnetic waves has changed. Under certain circumstances, an altered amplitude can also be used to determine the determination of the angle of rotation.
  • a further variant of this invention provides that each Weil several electromagnetic waves of different wavelengths are fed, received, evaluated and a result of this evaluation is given as a reference data set for a further determination of the angle of rotation for new electromagnetic waves cal.
  • the measured transmission characteristic is evaluated separately, in particular with regard to the respective rotation angle.
  • a further variant provides that in each case several elec tromagnetic waves of different wavelength at meh reren different positions of the first surface of the Rotor in relation to a second surface of the Abtastein unit for obtaining the reference data set is fed, emp catch and evaluated.
  • This variant uses just if several different wavelengths for through vote.
  • the angle of rotation is also changed in this variant. This happens in particular by means of egg ner rotation of the first surface of the rotor.
  • a band of different electromagnetic waves transmitted at a first rotation angle received and evaluated who the.
  • the position of the first Oberflä surface can be changed to a second angle of rotation and the band of electromagnetic waves with different wavelengths can be re-fed, transmitted and evaluated.
  • These processes are usually extremely fast and can in particular Runaway leads in a split second.
  • the tuning process can be used to recalibrate a rotary encoder system afterwards.
  • a further variant provides that upon rotation of the rotor, an eccentricity of the rotor is measured on the basis of the transmitted electromagnetic waves and the measured eccentricity is taken into account in determining the angle of rotation.
  • This variant mainly affects a cylin derförmigen rotor. Ideally, the rotor turns exactly around its central axis. This may result in an irregular Rota tion of the rotor, which is reflected in the icosver reflect the electromagnetic waves. For example, in an end face of the rotor, the eccentricity of the first surface can be measured. In this case, the evaluation unit of the rotary encoder system can recognize this eccentricity and take into account accordingly in the determination of the rotation angle.
  • a further variant of this invention provides that the supplied electromagnetic waves are received at a plurality of second interfaces.
  • the electromagnetic waves are not limited to a single Body, but can be received in several places.
  • a plurality of second interfaces can be arranged on a waveguide which runs along a lateral surface of a cylindrical rotor. At these meh er second interfaces, the hitherto transmitted electromagnetic wave can be received in each case. Since the position of these multiple second interfaces is generally known, several transmission characteristics can be obtained at predetermined sampling positions.
  • FIG. 1 shows an exemplary dimensional embodiment on egg ner end face of a rotor of an electric Ma chine
  • rungs comprise on the front side of the rotor in the form of knobs;
  • 3 shows by way of example planar distributed requirementverkörpe insurance elements on the front side of the rotor in the form of holes;
  • FIG. 5 shows exemplary arrangement possibility of a waveguide in the scanning unit along a radius
  • FIG. 6 shows an example arrangement possibility of a waveguide in the scanning unit along a secant
  • FIG 7 shows a two-dimensional sketch of a rotor with a scanning unit from which includes a waveguide
  • FIG 9 shows phase spectra of Drehwin kelgebersystems example measured
  • FIG 10 on a lateral surface of a cylindrical ro tor area-wide distributed devisver stressesungsele elements
  • FIG 11 shell-shaped sensing unit, which around the
  • Rotor is arranged
  • FIG. 13 shows simulated high-frequency spectrum of a copper structure on a ceramic substrate with a variation of different size changes
  • FIG. 14 shows a simulated temperature-dependent spectrum with a frequency of 8 GHz
  • FIG. 15 shows a schematic diagram for explaining the transfer matrix of the transmissions of electromagnetic waves
  • FIG. 15 shows by way of example a rotor 30 and a scanning unit 32.
  • the scanning unit 32 is designed in particular as a stator.
  • a waveguide 34 is disposed between the rotor 30 and the scanning unit 32.
  • the waveguide 34 may be part of the scanning unit 32 from.
  • the waveguide 34 has a first interface PI and a second interface P2. At the first interface PI, the electromagnetic waves 50 are fed and received at a second interface P2.
  • Equation 1 A transfer matrix T relating to the transmitted electromagnetic waves 50 may be given in the form of Equation 1. Equation 1
  • Z denotes an impedance to the respectiveiereverkör perungs instituten.
  • the parameters A and B represent Koppelmatri zen. An accurate derivation is at this point waived.
  • the parameter D j is given by the difference of two lengths.
  • the definition of j is given by Equation 2, where j describes an index.
  • a transfer function can be calculated which results from a sequence of several of the dielectric structures.
  • the metallic surfaces are the rotor 30 and the scanning unit 32.
  • FIG. 1 shows an example of an end face of the rotor 30, on which a plurality of material measure elements 10 are arranged.
  • These measuring elements 10 are all circular in the example of FIG. Their different diameters are particularly due to the wavelengths l of the electromagnetic waves 50.
  • the wavelengths l vary between a lower wavelength l h and an upper wavelength l 0 .
  • a first diameter may be one quarter of the upper wavelength l 0
  • a lower diameter may be one quarter of the lower wavelength l h be wear.
  • the differentommeverkörpe tion elements 10 may be arranged on the first surface 12 is flat. This means, in particular, that the mecanicverkör perungs institute 10 kannre bridges not only along a radial direction R, but also along a direction of rotation. Due to a scanning unit 32, not shown in FIG. 1, a detector field 14 results, with which a first surface 12 is scanned during a rotation of the rotor 30.
  • the first surface is a circular surface, which represents an end face of the rotor 30. Strictly speaking, the first surface 12 in FIG. 1 is a circular ring, yet it is often referred to simply as a circular surface.
  • a shaft 16 is arranged around which the rotor 30 rotates.
  • the scanning unit 32 allows the electromagnetic waves 50 in the Detek- Torfeld 14 of these electromagnetic waves with the devisver embodiment structure of FIG 1 interact. This results in a special transmission behavior, which can be measured at the second interface P2.
  • the measured electromagnetic waves 50 transmitted in this way can then be analyzed by an evaluation unit 55 with respect to a respective angle of rotation.
  • the exemplary circular conferencever shown in FIG 1 body members 10 may have different depths relationship or heights.
  • the value of the respective height or depth can be formed in particular by multiplying a mean wavelength ⁇ m by a correction function Ck.
  • This correction function Ck may be dependent in particular on a radial distance to the center of rotation and to the respective angular position. Shifts in the overall characteristic of the received electromagnetic waves 50 in frequency may be caused by the rotor temperature. In this case, the resonance structures (the scale elements 10) may increase, which may cause a change in the amplitude of the electromagnetic waves 50. Likewise, an altered Fre quenzcombkeit the electromagnetic waves 50 result. As a rule, the relative amplitudes within the respective electromagnetic waves 50 remain approximately constant. Due to these changes, a tempera ture of the rotor 30 can be measured in principle.
  • FIG 2 and FIG 3 show two possible first surfaces 12, which is arranged around the shaft 16 around.
  • the first Oberflä surface 12 is formed as the end face of the rotor 30.
  • a plurality of different dimensional standard elements 10 are shown, which, however, all protrude from the first surface 12.
  • the decisionver analysesungsele elements 10 are formed as holes and have an extension in the direction of the rotor 30, in this case to the right.
  • FIG 2 and FIG 3 clearly show that the respective Terverkörpe tion elements 10 may be shaped differently. Looking closer, it can be seen that certain dimensional elements 10 have an angular base. The areal distribution of the material measure elements 10 made it possible to generate a characteristic frequency response of the fed electromagnetic waves 50 for a certain angle of rotation.
  • the respective heights or depths of the mecanicverkörpe tion elements 10 may be different and speed depending on a mean wavelength ⁇ m in combination with the correction function Ck be determined. This results in different heights or depths concerning the material measure elements 10.
  • a depth variation of the material measure structure on the first surface 12 of the rotor 30 can be generated.
  • the depth variation of the scholarverkör tion structure then approximately causes a change in the intensity contribution of the structure.
  • the intensity can be influenced in several gradations as further advantageous.
  • flow parameters serve to further increase the total number of support points PZ per revolution.
  • the total number of supporting points PZ is calculated in particular by the product of the K gradations with regard to the height or depth of the dimensional elements 10, the M mecanicver emotionsungsele elements 10 per revolution and the N constitutionalver emotionsungsetti on the available radius R.
  • wavelengths l are particularly advantageous because the 60-gigahertz frequency band technology can be used in communications links for the sake of simplicity and, on the other hand, because l-quarter structures are in the region of 1 mm and thus are readily manufacturable.
  • An exemplary calculation of the respective numbers M and N are given by equations 3 and 4.
  • R S refers to the radius of the shaft 16, which reduces the effective first surface 12.
  • R r is the otor Ra dius R of the rotor 30 and Pi the known circle number.
  • the respective exemplary values for the radii are given in Equation 5.
  • the dimensions of the dilemmaver analysesungsetti 10 can beschreibt ver, provided that, as is known from the filter technology, a dielectric highest possible quality in the measure of embodiment 10 introduces. This reduces the effective wavelength.
  • the use of a dielectric leads to an additional increase in the possible support Stel len for a given surface of the measure V er Eisenung.
  • the angles are given at an interval of 0 to 360 degrees. Deviating angle values are in particular converted into an angle value which lies within this interval. For example, a rotation angle of 370 degrees is converted to a rotation angle of 10 degrees.
  • the measurement of the respective transmission behavior of the electromagnetic waves 50 is realized, for example, by a fast tuning of the transmission frequencies and the determination of the amplitude values belonging to the frequency by means of a simple power detector. This means that several different electromagnetic waves 50 can be transmitted, received and analyzed by a simplex power detector.
  • Tuning can be used in particular for several different Liehe rotation angle made or provided. By measuring the respective transmission behavior, it is thus possible to obtain a reference data record by means of which a subsequent analysis of the received electromagnetic waves 50 is made possible.
  • FIG 4 shows by way of example a three-dimensional sketch of the scanning unit 32, which is arranged in the stator of the scanning unit 32.
  • the rotor 30 is arranged in FIG.
  • a plurality of material measure elements 10 can be seen.
  • the Wellenlei ter 34 is arranged in FIG 4 in the scanning unit 32.
  • the waveguide 34 is in particular designed such that the electromagnetic waves 50 can act on the first surface 12 of the rotor 30 and can be influenced by the rotation of the ro tor 30.
  • the waveguide 34 is preferably designed so that within the Wellenlei age 34, the irradiated microwaves interact with the rotating structures brought on the material measure and allow the characteristic spectra of the transmission line Drehwinkelcodtechnik over 360 degrees.
  • FIG 5 and FIG 6 show an example of two different embodiments of the scanning units 32.
  • the scanning unit in FIG 5 has a waveguide 34 which is radially angeord net.
  • An arrow standing perpendicular to the scanning unit 32 indicates that electromagnetic waves 50 can emerge from the waveguide 34.
  • a uniform scanning of the first surface 12 of the rotor 30 would take place according to the arrangement of FIG.
  • the scanning can, as the example of FIG. 6 shows, be performed along a secant of the scanning unit 32.
  • the waveguide 34 is longer than in the example of FIG. 5, the scanning of the first surface 12 of the rotor 30 is now carried out along the secant shown by the arrow.
  • the scanning unit 32 does not have to be circular, as shown in FIG. 5 or FIG.
  • the type of sampling refers to it as the first one Surface 12 is scanned.
  • the electromagnetic waves 50 protrude perpendicularly from the waveguide 34 and interact with the materializing structure on the first surface 12.
  • the high-frequency wave guides of the electromagnetic Wel len 50 are in particular designed such that they act axially or radially. This allows different types of scanning are possible, which can be used in addition to the Drehwin kelcodtechnik.
  • the waveguide 34 may be realized in the form of metal of a metal channel.
  • a sol cher metal channel can be made for example by means of milling or casting Shen.
  • suitable antenna structures can be introduced, which can form the first relationship or the second interface.
  • FIG. 7 shows an exemplary two-dimensional Thomasan view of the rotor 30 with a scanning unit arranged above 32, which has a first interface PI and a second interface P2. These two interfaces are interconnected by the waveguide 34.
  • the first surface 12 of the rotor 30 is the scanning unit 32 is applied and has several different penalizedungsele elements 10. These dimensional elements 10 may be different in their diameter, their depth and other dimensions.
  • the base or the basic shape of the respective material measure elements 10 may be formed under different.
  • the material measure elements 10 are partially formed from under defenceli chen dielectrics.
  • an electromagnetic wave 50 is shown, which in this case is shown sinusoidally.
  • the waveguide 34 is formed in the example of FIG 7 upwards totally reflecting.
  • the second interface P2 is connected to the evaluation unit 55.
  • the evaluation unit 55 can unambiguously assign a rotational angle to the transmitted electromagnetic waves 50. This is preferably done by a corresponding analysis of the amplitude, the phase shift and / or an intensity distribution of the electromagnetic waves 50 by the evaluation unit 55.
  • the waveguide 34 is preferably not designed to be totally reflective in the direction of the rotor 30.
  • the waveguide 34 down, so in the direction of ro tor, run open, so that the electromagnetic waves 50 can interact with the first surface 12 of the rotor 30 alternately.
  • Preferably 50 microwaves are used as electromagnetic waves.
  • the waveguide 34 between tween the first interface PI and the second interface P2, together with the rotor 30 and the different dimensional standard elements 10 is a transmission distance, which causes a specific transmission relationship, reflection spectrum.
  • This transmission spectrum Ti is clearly dependent on the wavelength l and the angle of rotation. Since the wavelength used l is usually known, the angle of rotation can be determined by an analysis of the transmission spectrum.
  • FIG. 9 shows an example of a measured phase curve for the rotary encoder system 95.
  • FIG. 9 shows a diagram in which a phase shift 70 is plotted against a frequency 60.
  • the diagram shows, by way of example, three different phase spectra 51, 51 'and 51''.
  • the evaluation unit 55 can assign the respective rotation angle to the respective phase spectra 51, 51 'and 51 ", in particular with the aid of the predetermined reference data set.
  • the phase spectra have the advantage of a reduced distance dependence. This means, in particular, that it is possible to better take into account temperature effects and effects of eccentricity in the case of a plurality of available spectra.
  • FIG. 8 shows, by way of example, a measured amplitude spectrum for the rotary encoder system 95.
  • FIG. 8 shows an intensity 62 as a function of the frequency 60.
  • the absolute total amplitude is generally insignificant.
  • the characteristic ratios serve to encode the rotation angle cx.
  • the diagram of FIG. 8 shows three different amplitude spectra 51, 51 'and 51''. Due to the amplitude variation with respect to the frequency, the evaluation unit can assign a rotational angle cx to each amplitude spectrum Ti.
  • the course of the respective amplitude spectrum Ti is characteristic of a certain angle of rotation cx. This means that the amplitude spectra Ti represent "fingerprints" of the rotation angle cx Alternatively or additionally, the amplitude spectrum T can be used to draw the phase curve fi for evaluation or characterization or coding of the rotation angle cx.
  • FIG 10 shows by way of example that the Trover analysesungselemen te 10 can be distributed over a lateral surface of the rotor 30 (or the axis) of an electrical machine.
  • the material measure elements 10 are formed as circles.
  • FIG 11 shows an equally mantelför shaped scanning unit 32 in a sectional view, wherein the scanning unit from the rotor 30 surrounds.
  • the scanning unit 32 shows a plurality of grooves 90 of an electrical machine.
  • the grooves 90 of an electrical machine are used in particular for receiving the electrical conductors for generating a rotary magnetic field for operating the electric machine.
  • These slots 90 of the electric machine in this case function as "waveguides 34" which are present anyway.
  • FIG. 12 shows an enlarged illustration of a part of FIG. 11.
  • the feeding of the electromagnetic waves 50 can take place in the region of a slot 90 of the electrical machine.
  • a detection of the spectral properties of the detected waves 50 which are changed by the dimensional elements 10 is either in transmission or in reflection possible borrowed.
  • the groove 90 may have the first interface PI for feeding in the electromagnetic waves 50.
  • the electro-magnetic waves 50 can be transported along the groove 90.
  • the electromagnetic waves 50 interact, in particular, with the dimensional standard elements 10 of a rotating rotor 30.
  • the electromagnetic waves 50 thus modified can be received at the second interface P2 and evaluated by the evaluation unit 55.
  • the respective amplitude spectrum Ti or the respective phase curve fi can be used. This analysis allows an unambiguous assignment of the respective amplitude spectrum Ti or of the respective phase curve fi to the currently present rotation angle.
  • FIG. 13 shows by way of example a simulated high-frequency spectrum of a copper structure which is arranged on a ceramic substrate.
  • a width of 600 ym was chosen. Due to temperature effects, different values were assumed for the width. These values are shown in the legend of the diagram of FIG. 13 by the different values for the parameter W.
  • the parameter X indicates a distance to a center of the Keramiksub strate.
  • a plurality of amplitude spectra Ti are shown.
  • the intensity 62 is shown as a function of the frequency 60.
  • the diagram of FIG. 13 clearly shows that, in a range from 8 to 12 GHz, the different dimensions are noticeable in different amplitude spectra Ti under different dimensions. This offers the possi bility to analyze a phase curve fi or an amplitude spectrum Ti to see whether a plastic deformation of the rotary encoder system 95 has occurred.
  • the respective scale elements 10 may be arranged differently on the first surface 12.
  • the mecanicverkörpe are approximately elements 10 advantageously formed of conductive resonator Struk tures, which are mainly two-dimensionally electrically insulated from each other and at the same time along the radius R. are electrically connected.
  • the first surface 12 is formed as a lateral surface of a cylindrical rotor 30, then the material measure elements 10 are advantageously arranged electrically separated from each other via the rotation angle.
  • At the same measure measuring elements 10 have in this case in the axial direction an electrically related structure struc.
  • the scale elements 10 consistently comprise a conductive base material
  • the radiated th electromagnetic waves 50 may act outside of the detector array 14.
  • the peaks of the amplitude spectra Ti and / or phase characteristics fi are widened by the coupling of further laterally spaced scale elements 10. This in turn has the advantage that the transitions between two rotational angle positions "softer".
  • the transmission characteristic relating to the electromagnetic waves 50 may not be predicted directly, but the respective transmission characteristic may be determined by a learning system or in a calibration run.
  • Interfaces are received. This allows additional amplitude spectra Ti and additional phase profiles to be obtained. In particular, the influence of a basic height h of the waveguide 34 can thus be eliminated. In particular, an eccentricity of the rotary encoder system 95 can thus be measured and corrected.
  • further second interfaces P2 several antennas may be placed in the waveguide 34. These antennas as second interfaces P2 can be arranged circumferentially on a lateral surface of the rotor 30. In a radial arrangement of the material measure elements 10 such, possibly seg mentartig placed over the circumference additional antennas as second interfaces P2 are also advantageous. Additional further second interfaces P2 can be arranged along the radius. By the multiple second interfaces P2 additional transmission characteristics can be won who the who, which can further improve the accuracy of the Drehwinkelgebersystems 95.
  • FIG. 14 shows by way of example a simulated intensity development as a function of a temperature 110.
  • the diagram of FIG. 14 shows an intensity profile at a predetermined frequency of 8 GHz.
  • a thermal expansion coefficient of 50 * 10 -6 1 / K was assumed.
  • the diagram of FIG. 14 clearly shows that with an increasing temperature 110, the intensity 62 decreases.
  • the rotary encoder system 95 may use differentieriverkör perungs institute 10 in the form of nubs or holes to code different angles of rotation.
  • a Varia tion of Trever analysesungs institute 10 in terms of their shape, their arrangement, their number and their depth, a correspondingly high number of support points PZ can be achieved. This allows a higher resolution for encoding the rotation angle. Thus, over 360 degrees unique Win kelcodtechnik can be achieved.
  • the mechanical dimen conditions of mecanical devise 10 is not the absolute size, but the size ratio to the wavelength l of Be interpretation. Only with bodies whose size is in the range of the wavelength l, the effects on the transmissions transmissions electromagnetic waves 50 are particularly clear. For this reason, the at least one mitochondriaveritesele element 10 at least one extension, which is in a loading range of 0.1 to 15 mm.
  • the reception signal changes accordingly.
  • a periodic movement such as a rotating structure
  • a periodic change from which the speed can be calculated.
  • the electromagnetic see waves 50 evaluated in terms of a speed who the. This allows a determination of a Winkelgeschwindig speed.
  • the electromagnetic waves 50 By feeding the electromagnetic waves 50 via the first interface PI into the waveguide 34, the electromagnetic waves 50 are transported to the second interface P2. During this transmission, the electromagnetic waves 50 interact with the at least one dimensional element 10 of the first surface 12 of the rotor 30. This interaction of the electromagnetic waves 50 with the dimensional scale structure generates an amplitude spectrum Ti, which is individual for the rotational angle, or an individual phase characteristic. The respective amplitude spectrum Ti or the respective phase progression fi characterize the respective angle of rotation individually.
  • the rotary encoder system 95 uses inexpensive microwave transceiver ICs to measure the speed of electric machines. Since micro waves are in a range of about 1 mm to 300 mm, wei measure the dimensional standard 10 also measures in the millimeter range. Such material measure elements 10 can already be produced with relatively simple production mechanisms, such as drilling or milling. An elaborate manufacturing process such as opti rule rotary encoders can thus be omitted.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drehwinkelgebersystem (95) zum Bestimmen eines Drehwinkels (α) bei einer elektrischen Maschine. Eine Abtasteinheit (32) tastet eine erste Oberfläche (12) eines Rotors, der drehbar ausgeführt ist, mittels elektromagnetischer Wellen (50) ab. Dabei weist die Abtasteinheit (32) einen Wellenleiter (34) mit einer ersten Schnittstelle (P1) zum Einspeisen der elektromagnetischen Wellen (50) und eine zweite Schnittstelle (P2) zum Empfangen der elektromagnetischen Wellen (50) auf. Eine Auswerteeinheit (55) des Drehwinkelgebersystems (95) ist dazu ausgebildet, die empfangenen elektromagnetischen Wellen (50) für das Bestimmten des Drehwinkels (α) zu analysieren. Auf der ersten Oberfläche (12) des Rotors (30) ist mindestens ein Maßverkörperungselement (10) mit mindestens einer geometrischen Ausdehnung angeordnet, wobei diese geometrische Ausdehnung in einem Bereich von 0,1 mm bis 15 mm definiert ist.

Description

Beschreibung
Mikrowe11en-Drehwinkelgeber
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drehwinkelgebersystem zum Bestimmen eines Drehwinkels bei einer elektrischen Ma schine. Diese Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Be stimmen eines Drehwinkels einer Vorrichtung.
Oft ist es notwendig, den mechanischen Drehwinkel bei elek trischen Motoren für Positionierungsaufgaben zu messen. Für Servoantriebe werden in der Regel optische, magnetische, in duktive oder kapazitive sowie inkrementeile Drehwinkelgeber als Anbaugeber mit Einlagerung an die Antriebswelle gekuppelt oder aus Kostenersparnisgründen zunehmend als integrierte Ge ber verbaut.
Die Patentschrift DE 10 2013 202765 B4 beschreibt ein elek trisches Messsystem. Dieses Messsystem weist einen Sensor zum Empfangen einer elektromagnetischen Welle und ein Führungs teil zum Führen der elektromagnetischen Welle auf. Das Füh rungsteil ist länglich ausgebildet und vorzugsweise ein me tallisches Profilteil. In Längsrichtung weist es einen
Schlitz auf, der zur Führung der elektromagnetischen Welle vorgesehen ist.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2013 209364 Al beschreibt ein Verfahren zur Messung der Frequenz eines elektrischen Signals sowie elektrisches Messsystem. Das elektrische Messsystem wird mit einer Sechs-Tor-Schaltung und einer Verzögerungslei tung beschrieben. Ein elektrisches Signal wird einerseits di rekt und andererseits über die Verzögerungsleitung der Sechs- Tor-Schaltung zugeführt. Die Frequenz des Signals wird von der Sechs-Tor-Schaltung in Abhängigkeit von der Länge der Verzögerungsleitung berechnet.
Die Druckschrift WO 2013/098803 Al beschreibt ein hochauflö sendes Codiergerät. Die Codiereinrichtung weist eine rotie- rende Scheibe auf, die an einem Schaft befestigt ist. Die ro tierende Scheibe weist insbesondere unterschiedliche Perma nentmagnete auf, die kreisförmig auf der Scheibe angeordnet sind. Ebenso können Hall-Sensoren auf der rotierenden Scheibe angeordnet sein. Aus gewonnenen elektrischen Signalen wird eine absolute Winkelposition berechnet.
Eine berührungslose Drehwinkelmessung mit hoher Genauigkeit, welche mit herkömmlicher, das heißt metallverarbeitender Fer tigungstechnik, eine genaue Messung des Drehwinkels erlauben würde, ist noch nicht bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drehwinkel messung bereitzustellen, welche fertigungstechnisch leichter herzustellen ist und dennoch eine hinreichend hohe Genauig keit bereitstellen kann. Ebenso soll ein entsprechendes Ver fahren bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den Unter ansprüchen .
Drehwinkelgeber bestehen meistens aus einer Erfassungsein heit, welche eine Maßverkörperung, also dasjenige Bauteil, welches den Drehwinkel codiert, abtastet. Der Drehwinkel wird als hochfrequenter vorliegender Positions-Ist-Wert digital an eine Steuerung übergeben oder, sofern es sich um eine analoge Schnittstelle handelt, von dieser abgetastet (zum Beispiel Sinus-/Kosinus-Geber) und der Positions-Ist-Wert in der Steu erung berechnet. Die bekannten Messverfahren haben eine Reihe von Nachteilen. Optisch hochgenaue Drehgeber sind kostenin tensiv, da zumeist eine hochgenaue Montage der Erfassungsein heit zur Maßverkörperung notwendig ist. Als integrierte Geber sind sie schmutzanfällig und aufwendig und somit dauerhaft durch den Motorhersteller zu kapseln. Die Forderung nach kleinen Latenzzeiten für eine Änderung in der Regelung erfor dern schnelle physikalische Messprinzipien oder Positionskor rekturverfahren . Maßverkörperungen, welche im Stand der Technik als codierte Multipolmagneträder beziehungsweise Zahnräder oder als induk tiv oder kapazitiv wirkende Leiterplattenstrukturen oder op tische Glas- oder Kunststoffscheiben mit transmissiv oder reflektiv abzutastenden Strukturen im Mikrometerbereich be kannt sind, müssen für hohe Genauigkeiten in einem Bereich über 18 Bit aufwendig gefertigt werden. Mit zunehmender Ge- nauigkeitsklasse werden die jeweiligen Strukturgrößen dabei immer kleiner.
Es sind auch traditionelle optische Drehgeber bekannt, welche Maßverkörperungen aus Glas aufweisen. Dabei müssen die Glas scheiben herstellerseitig mit mikrometergroßen definierten Bereichen aus Metallfilm beschichtet werden, welche durch Aufdampfprozesse erstellt werden. Auch in diesem Fall ist ein aufwendiger Herstellungsprozess der Glasscheiben notwendig, da die Maßverkörperungen im Bereich von Mikrometern liegen.
Es sind auch Drehwinkelgeber mit holografischer Maßverkörpe rung bekannt. Die Erstellung der Maßverkörperung kann dabei durch Presstechnologien, wie sie aus der CD-/DVD-/Blu-ray- Technologie bekannt sind, kostengünstig realisiert werden.
Die Genauigkeit ist hier durch den Flächenbedarf der radial angelegten Spuren und der Untereinheiten bei etwa 20 bis 22 Bit beschränkt. Ein wesentlicher Nachteil dieser speziel len optischen Drehgeber ist deren notwendig kohärente Strah lung, welche mit Lasern auch bei hohen Temperaturen im In dustrieeinsatz von Motoren nur schwer dauerhaft mit ausrei chender Leistung realisierbar ist.
Drehwinkelgeber mit Matrixdetektoren erfordern zur Erstellung der holografischen Struktur eine Präzision und eine Genauig keit bei der Fertigung des Drehwinkelgebers, wie sie in der herkömmlichen Motorfertigung nicht üblich ist.
Eine berührungslose Drehwinkelmessung hoher Genauigkeit durch die Abtastung einer Maßverkörperung, welche mit herkömmli cher, metallverarbeitender Fertigungstechnik wie zum Beispiel Leiterplattenstrukturen oder zum Beispiel additiver Ferti- gungstechnik erstellbar wäre, dabei unempfindlich gegen Ver schmutzung ist und eine kostengünstige Anordnung mit toleran ter Montage erlaubt, ist bisher noch nicht bekannt. Daher wird im Rahmen dieser Erfindung ein neues Drehwinkelgebersys tem zum Bestimmen eines Drehwinkels bei einer elektrischen Maschine vorgeschlagen.
Das Drehwinkelgebersystem weist einen Rotor auf, der drehbar ausgeführt ist. In der Regel ist der Rotor Teil einer elekt rischen Maschine. Das Drehwinkelsystem weist zudem eine Ab tasteinheit zum Abtasten einer ersten Oberfläche des Rotors mittels elektromagnetischer Wellen auf. Das Drehwinkelgeber system zeichnet sich dadurch aus, dass die Abtasteinheit ei nen Wellenleiter mit einer ersten Schnittstelle zum Einspei sen der elektromagnetischen Wellen und eine zweite Schnitt stelle zum Empfangen der elektromagnetischen Wellen aufweist. Weiterhin weist das Drehwinkelgebersystem eine Auswerteein heit auf, welche ausgebildet ist, die empfangenen elektromag netischen Wellen für das Bestimmten des Drehwinkels zu analy sieren, wobei auf der ersten Oberfläche des Rotors mindestens ein Maßverkörperungselement mit mindestens einer geometri schen Ausdehnung angeordnet ist. Dabei ist die mindestens eine geometrische Ausdehnung in einem Bereich von 0,1 mm bis 15 mm definiert.
Das Abtasten der ersten Oberfläche des Rotors erfolgt mittels elektromagnetischer Wellen. Dies bedeutet insbesondere, dass die elektromagnetischen Wellen durch eine Drehung des Rotors beeinflusst werden. Dies bedeutet vor allem, dass die elek tromagnetischen Wellen mit der ersten Oberfläche des Rotors wechselwirken. Die elektromagnetischen Wellen sind insbeson dere nicht ausschließlich auf den Wellenleiter beschränkt, sondern erfassen insbesondere die erste Oberfläche des Ro tors. Damit kann sichergestellt werden, dass eine Drehung des Rotors die elektromagnetischen Wellen beeinflusst. Die elek tromagnetischen Wellen, die insbesondere als Mikrowellen aus gebildet sind, können die erste Oberfläche des Rotors errei chen und mit ihr wechselwirken. Somit können die elektromag- netischen Wellen durch die erste Oberfläche und insbesondere durch eine Rotation der ersten Oberfläche beeinflusst werden. Selbst wenn der Wellenleiter an oder in der Abtasteinheit an geordnet ist, können die elektromagnetischen Wellen die erste Oberfläche des Rotors erreichen und mit dieser wechselwirken. Sie werden insbesondere nicht von der ersten Oberfläche des Rotors isoliert.
Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, indem der Wellenleiter in Richtung der ersten Oberfläche des Rotors ge öffnet ist, sodass die elektromagnetischen Wellen sich unge hindert in Richtung der ersten Oberfläche des Rotors ausbrei ten können. Die erste Oberfläche des Rotors weist mindestens ein Maßverkörperungselement auf, in der Regel ist eine Viel zahl an Maßverkörperungselementen auf der ersten Oberfläche angeordnet, die zusammen eine Maßverkörperungsstruktur bil den. Das mindestens eine Maßverkörperungselement kann zum Beispiel eine senkrechte Erhöhung oder Vertiefung ausgehend von der ersten Oberfläche des Rotors sein. Diese Erhöhungen oder Vertiefungen können beispielsweise in Form von runden Bohrungen gebildet sein. Weist die erste Oberfläche des Ro tors mehrere Maßverkörperungselemente auf, so wird oft von einer Maßverkörperungsstruktur oder Codierungsstruktur ge sprochen. Mithilfe einer solchen Codierungsstruktur kann ein Drehwinkel codiert werden.
Maßverkörperungselemente sind auch in anderen Bereichen be kannt. Zum Beispiel wurden bei den früheren Lochkarten Löcher in ein Papier gestanzt, um eine Information zu codieren.
Ebenso weist die erste Oberfläche des Rotors mindestens ein Maßverkörperungselement auf, welches erlaubt, einen Drehwin kel zu codieren. Das mindestens eine Maßverkörperungselement beziehungsweise die Struktur mehrerer Maßverkörperungsele mente beeinflussen die elektromagnetischen Wellen. Dies be deutet insbesondere, dass die empfangenen elektromagnetischen Wellen mit dem mindestens einen Maßverkörperungselement wech selwirken und diese Wechselwirkung durch eine entsprechende Veränderung der elektromagnetischen Wellen sichtbar wird. Diese Veränderung kann durch die Auswerteeinheit festgestellt werden. Vorzugsweise werden elektromagnetische Wellen im Mik rowellenlängenbereich eingesetzt. Dies sind vor allem elek tromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von 1 mm bis 300 mm. Aus diesem Grund besitzt wenigstens eine Ausdehnung des Maßverkörperungselements einen Wert, der in einem Bereich von 0,1 mm bis 15 mm liegt. Diese Ausdehnung ist insbesondere als räumliche Ausdehnung zu verstehen. Die räumliche Ausdeh nung kann beispielsweise ein Durchmesser oder eine Tiefe ei ner Bohrung sein. Eine Maßverkörperungsstruktur aus mehreren Maßverkörperungselementen kann sich insbesondere dadurch aus zeichnen, dass das Übertragungsverhalten (Amplitude versus Wellenlänge und/oder Phase versus Wellenlänge) der zum Dreh winkel gehörigen Struktur im Wellenleiter eindeutig ist.
Anhand des Übertragungsverhaltens des Drehwinkelgebersystems kann die Auswerteeinheit eindeutig einen Drehwinkel feststel len. Vorzugsweise soll eine Rotorstirn- oder eine Rotorman telfläche einer elektrischen Maschine mit einer Vielzahl von Vertiefungen (Ausfräsungen, Bohrungen, Gussstrukturen oder Leiterplatten-Resonanzstrukturen) versehen werden. Damit kann eine zum Teil komplexe Maßverkörperungsstruktur geschaffen werden, welche es erlaubt, viele unterschiedliche Drehwinkel zu codieren. Die Wechselwirkung der elektromagnetischen Wel len mit der ersten Fläche des Rotors beziehungsweise das Übertragungsverhalten der elektromagnetischen Wellen kann so gezielt beeinflusst werden.
Bei mehreren Maßverkörperungselementen können mehrere unter schiedliche geometrische Ausdehnungen vorhanden sein. Die Maßverkörperungselemente können beispielsweise in ihrem
Durchmesser, in ihrer Formgebung sowie in ihrer Tiefe variie ren. Zudem kann der Abstand der Maßverkörperungselemente zu einander ebenfalls als eine geometrische Ausdehnung aufge fasst werden. Damit kann ein Drehwinkelgebersystem geschaffen werden, welches deutlich einfacher herzustellen ist als viele optische Drehwinkelgebersysteme. Die verschiedenen Maßverkör perungselemente können mit herkömmlicher, metallverarbeiten- der Fertigungstechnik auf der ersten Oberfläche des Rotors erzeugt werden. Mit einer entsprechenden Maßverkörperungs struktur kann dennoch eine Genauigkeit erreicht werden, wie sie bei optisch diffraktiven Drehwinkelgebern erreicht wird.
Eine weitere Variante dieser Erfindung sieht ein Drehwinkel gebersystem vor, wobei die eingespeisten elektromagnetischen Wellen eine Frequenz von 20 GHz bis 240 GHz aufweisen. Elek tromagnetische Wellen in diesem genannten Frequenzbereich weisen eine Wellenlänge im Millimeterbereich auf. Damit eig nen sich derartige Wellen besonders gut, um mit dem mindes tens einen Maßverkörperungselement effektiv wechselwirken zu können. Dies liegt vor allem daran, dass die eingespeisten elektromagnetischen Wellen bei einer Frequenz von 20 bis 240 GHz Wellenlängen aufweisen, die mit der geometrischen Ausdehnung des Maßverkörperungselements vergleichbar ist. Ein Drehwinkelgebersystem, bei dem elektromagnetische Wellen in dem genannten Frequenzbereich eingesetzt werden, funktioniert deutlich besser, als wenn elektromagnetische Wellen mit Wel lenlängen im Nanometerbereich eingesetzt werden.
Eine weitere Variante dieser Erfindung sieht ein Drehwinkel gebersystem vor, wobei die erste Oberfläche des Rotors aus einem Metall gebildet ist. Die erste Oberfläche des Rotors kann beispielsweise aus Aluminium, Eisen, Edelstahl oder an deren metallischen Legierungen gebildet sein. Dabei ist be sonders die einfache Verarbeitung vorteilhaft. Ist die erste Oberfläche des Rotors aus Metall gebildet, kann sie bei spielsweise durch Bohren oder Fräsen leichter bearbeitet wer den. Das Herstellen einer Maßverkörperungsstruktur ist somit ohne größeren Aufwand möglich. Im Gegensatz zu optischen Drehwinkelgebern kann hier bei einer geringeren Toleranz bei einer Fertigung dennoch eine wirksame Maßverkörperungsstruk tur auf der ersten Oberfläche des Rotors geschaffen werden.
Eine weitere Variante der Erfindung sieht ein Drehwinkelge bersystem vor, wobei der Wellenleiter wenigstens in einem Teilbereich totalreflektierend ausgebildet ist. Der Wellen- leiter kann beispielsweise rund oder als eckiger Kanal ausge bildet sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass jene Oberflächen des Wellenleiters, welche der ersten Oberfläche des Rotors abgewandt sind, totalreflektierend sind. Damit kann verhindert werden, dass an diesen jenen Oberflächen ein Teil der Leistung der elektromagnetischen Wellen durch Trans mission verloren geht. Dabei ist jedoch nicht vorgesehen, dass die Totalreflexion eine Wechselwirkung der elektromagne tischen Wellen mit der ersten Oberfläche des Rotors verhin dert. Aus diesem Grund ist der Wellenleiter bevorzugt in Richtung der ersten Oberfläche des Rotors geöffnet ausge führt. Dies bedeutet, dass insbesondere der Wellenleiter nur jene Öffnung oder Öffnungen aufweist, die erforderlich sind, damit die elektromagnetischen Wellen mit der ersten Oberflä che des Rotors wechselwirken können. Die weiteren Oberflächen des Wellenleiters können totalreflektierend ausgeführt sein. Ein unerwünschtes Abschwächen der elektromagnetischen Wellen durch Transmission kann verhindert werden und somit kann die Effektivität des Drehwinkelgebersystems gesteigert werden.
Eine weitere Variante dieser Erfindung sieht vor, dass die Richtung der mindestens einen Ausdehnung des Maßverkörpe rungselements senkrecht auf der ersten Oberfläche des Rotors steht. Dies kann beispielsweise durch eine senkrechte Erhe bung oder durch eine senkrechte Bohrung umgesetzt werden. Grundsätzlich können die Maßverkörperungselemente aus der ersten Oberfläche schräg herausragen beziehungsweise schräg in sie hineinragen. Beispielsweise können Kegel-, Pyramiden oder Prismenformen per Prägeverfahren oder Laserstrukturie rung in die erste Oberfläche eingebrachte werden. Additive Manufacturing Fertigungstechnologien können nahezu beliebige Hohlraum („Löcher" ) /Erhebungen "Noppen"-Formen schaffen.
Maßverkörperungselemente, die senkrecht auf der ersten Ober fläche stehen, werden oft als „Noppen" oder als Löcher be zeichnet. Diese Formen der Maßverkörperungselemente erheben sich senkrecht von der ersten Oberfläche beziehungsweise ra gen senkrecht in diese hinein. Die erste Oberfläche kann ins- besondere eine Oberflächenschicht sein, welche eine vorgege bene Dicke aufweist. Diese erste Oberfläche beziehungsweise Oberflächenschicht dient insbesondere dazu, eine Maßverkörpe rungsstruktur mit mehreren Maßverkörperungselementen bereit zustellen. Maßverkörperungselemente, welche senkrecht aus dieser Oberflächenschicht herausragen (Noppen) oder senkrecht in diese Oberflächenschicht hineinragen (Löcher) , lassen sich fertigungstechnisch besonders leicht hersteilen.
Eine weitere Variante dieser Erfindung sieht vor, dass die mindestens eine Ausdehnung einen Wert aufweist, der mit einer mittleren Wellenlänge eines Bandes von mehreren elektromagne tischen Wellenlängen korreliert ist, wobei die Wellen zum Ab tasten in dem Band liegen. Das Band von elektromagnetischen Wellen kann beispielsweise mit einer unteren Wellenlänge und einer oberen Wellenlänge definiert sein. Die mindestens eine Ausdehnung kann in diesem Fall in Abhängigkeit von diesem Wellenlängenintervall gebildet werden. Ebenso kann eine Höhe beziehungsweise Tiefe des mindestens einen Maßverkörperungs elements mit einer mittleren Wellenlänge des Bandes korre liert sein. Dabei ist es möglich, dass bei mehreren Maßver körperungselementen die jeweiligen senkrechten Ausdehnungen zu der ersten Oberfläche des Rotors unterschiedliche Werte aufweisen .
Damit können unterschiedlich hohe Noppen beziehungsweise un terschiedlich tiefe Löcher als Maßverkörperungsstruktur vor liegen, welche eine Anzahl von Stützstellen für die Drehwin kelcodierung weiter erhöhen kann. Somit kann die Auflösung weiter gesteigert werden. Die Höhe beziehungsweise Tiefe der senkrechten Ausdehnung des mindestens einen Maßverkörperungs elements stellt einen zusätzlichen Parameter für die Drehwin kelcodierung dar. Daneben können die lateralen Ausdehnungen des Maßverkörperungselements in Abhängigkeit von der mittle ren Wellenlänge vorgegeben sein. Es können beispielsweise verschiedene Löcher mit unterschiedlichem Durchmesser vorge sehen sein. Dies stellt einen zusätzlichen Parameter dar, welcher die Drehwinkelcodierung beziehungsweise die Auflösung der Drehwinkelcodierung verbessert.
Eine weitere Variante sieht vor, dass das mindestens eine und weitere Maßverkörperungselemente flächig über die erste Ober fläche des Rotors verteilt sind. Dies bedeutet insbesondere, dass die Maßverkörperungselemente nicht nur entlang einer Li nie angeordnet sind, sondern über die gesamte erste Oberflä che des Rotors verteilt sein können. Bei einem zylinderförmi gen Rotor zum Beispiel wären die Maßverkörperungselemente nicht nur entlang des Durchmessers verteilt, sondern darüber hinaus auch in Richtung unterschiedlicher Winkel. Insbeson dere kann vorgesehen sein, dass die Maßverkörperungselemente homogen über die erste Oberfläche des Rotors verteilt sind. Die flächige Verteilung der Maßverkörperungselemente zusammen mit unterschiedlichen Höhen beziehungsweise Tiefen der Maß verkörperungselemente können einen Parametersatz bilden, der eine hohe Auflösung bei einer Drehwinkelcodierung des Dreh winkelgebersystems möglich machen kann.
Eine weitere Variante sieht vor, dass eine Grundfläche des mindestens einen Maßverkörperungselements ein Kreis oder ein Quadrat ist. Kreisförmige Maßverkörperungselemente lassen sich relativ einfach zum Beispiel mithilfe eines Bohrers her steilen. Maßverkörperungselemente mit einer quadratischen Grundfläche können beispielsweise mithilfe von Stanzen herge stellt werden. Eine unterschiedliche Anordnung mehrerer ver schiedener Maßverkörperungselemente mit unterschiedlicher Grundfläche kann als weiterer Parameter für die Drehwinkelco dierung genutzt werden.
Eine weitere Variante sieht ein Drehwinkelgebersystem vor, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, die empfangenen elektromagnetischen Wellen betreffend eine Phasenverschiebung und/oder eine Intensitätsverteilung über der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen zu analysieren. Die Auswerteein heit kann insbesondere feststellen, ob sich Amplituden bei den elektromagnetischen Wellen verändert haben. Da eine Rota- tion der ersten Oberfläche des Rotors die elektromagnetischen Wellen beeinflusst, kann die Auswerteeinheit eine Phasenver schiebung und/oder eine Intensitätsverteilung über der Wel lenlänge der elektromagnetischen Wellen feststellen. Insbe sondere ist vorgesehen, dass eine Übertragungscharakteristik pro Drehwinkel durch die Auswerteeinheit erfasst wird. Die Übertragungscharakteristik beinhaltet insbesondere eine Ana lyse der Phasenverschiebung, der Intensitätsverteilung und/oder unter Umständen einer veränderten Amplitude der elektromagnetischen Wellen. Die Auswerteeinheit kann insbe sondere ausschließlich anhand der empfangenen elektromagneti schen Wellen feststellen, welcher Drehwinkel aktuell vor liegt. Eine Messung der Übertragungscharakteristik pro Dreh winkel ist vorteilhaft, da die Elektronik mit einem einfachen Leistungsdetektor auskommt und zugleich eine Reduktion der Intensität beispielsweise durch Verschmutzung oder Leistungs reduktion über die Temperatur oder Betriebsstunden keine Ver fälschung der Winkelzuordnung hervorruft. Die Messung der Übertragungscharakteristik muss nicht eine aufwendigere Pha senauswertung nutzen.
Eine weitere Variante sieht ein Drehwinkelgebersystem vor, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, basierend auf vor gegebenen Referenzdaten den empfangenen elektromagnetischen Wellen einen jeweiligen Drehwinkel zuzuordnen. Die Referenz daten beinhalten insbesondere als Information, welche Über tragungscharakteristik beziehungsweise welches Übertragungs verhalten bei einem bestimmten vorgegebenen Drehwinkel vor liegt. Somit kann die Übertragungscharakteristik betreffend die elektromagnetischen Wellen im Vorfeld bestimmt worden sein. Dies ermöglicht es, einer bestimmten Übertragungscha rakteristik einen Drehwinkel zuzuordnen. Die Übertragungscha rakteristik beinhaltet insbesondere eine veränderte Ampli tude, eine Phasenverschiebung und/oder eine neue Intensitäts verteilung mittels derer der Drehwinkel abgeleitet werden kann . Eine weitere Variante dieser Erfindung sieht ein Drehwinkel gebersystem vor, wobei der Rotor zylinderförmig ausgebildet ist und die Abtasteinheit dazu ausgebildet ist, die erste Oberfläche als Grundfläche des Rotors entlang einer Richtung des Durchmessers und/oder entlang einer Richtung einer Se kante bezogen auf die erste Oberfläche des Rotors abzutasten. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, indem ein Wellenleiter, der in Richtung der ersten Oberfläche geöffnet ist, entlang eines Durchmessers oder entlang einer Sekante bezogen auf die erste Oberfläche geführt wird. Erfolgt das Abtasten entlang der Richtung des Durchmessers, so kann von einer symmetrischen Abtastung gesprochen werden. Wird das Ab tasten entlang der Sekante der Abtasteinheit ausgeführt, so kann sich ein unter Umständen ein beabsichtigtes unregelmäßi ges Abtasten ergeben. Diese unterschiedlichen Methoden der Abtastung können für eine zusätzliche verbesserte Drehwinkel codierung genutzt werden. Dies kann insbesondere bedeuten, dass die Anordnung der Maßverkörperungselemente in Abhängig keit von der Art des Abtastens vorgegeben sein kann. Dies kann zusätzliche Freiheitsgrade hinsichtlich der Drehwinkel codierung ermöglichen.
Eine weitere Variante sieht ein Drehwinkelgebersystem vor, wobei der Rotor zylinderförmig ist, auf der ersten Oberfläche des Rotors mehrere Maßverkörperungselemente angeordnet sind, wobei die mehreren Maßverkörperungselemente leitfähig sind und entlang einer radialen Richtung auf einer Stirnseite der ersten Oberfläche des Rotors elektrisch verbunden sind. In dieser Variante können jene Maßverkörperungselemente elektro magnetisch miteinander wechselwirken, welche entlang eines Radius liegen. Damit kann insbesondere eine Veränderung der elektromagnetischen Wellen entlang eines Radius untersucht werden .
Alternativ kann eine andere Maßverkörperungsstruktur gewählt werden. Beispielsweise können mehrere Maßverkörperungsele mente auf einer Mantelfläche des zylinderförmigen Rotors an geordnet sein. Eine solche Maßverkörperungsstruktur weist vorzugsweise voneinander elektrisch getrennte Strukturen über den Winkel auf. Entlang der Zylinderachse kann jedoch eine elektrisch zusammenhängende Struktur der Maßverkörperung ge geben sein. Dies ist daher besonders vorteilhaft, da bei Maß verkörperungselementen, die über der Mantelfläche verteilt sind, in der Regel der Wellenleiter parallel zur Zylinder achse verläuft. Somit können die Maßverkörperungselemente entlang der Achsrichtung besser miteinander wechselwirken, was das Übertragungsverhalten der elektromagnetischen Wellen beziehungsweise deren Übertragungscharakteristik zusätzlich beeinflussen kann. Somit kann das Messen des Drehwinkels zu sätzlich verbessert werden.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Maßverkörperungs elemente aus einem anderen Material gebildet sind als die erste Oberfläche des Rotors beziehungsweise die Oberflächen schicht des Rotors. Dies könnte beispielsweise dadurch er reicht werden, indem in die Löcher der Maßverkörperungsele mente teilweise ein Dielektrikum eingebracht wird. Dieses Dielektrikum kann zusätzlich die Wechselwirkung des rotieren den Rotors mit den elektromagnetischen Wellen beeinflussen. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass mehrere unterschiedli che Dielektrika für die Maßverkörperungselemente zum Einsatz kommen. All diese Beispiele zeigen, wie die Anzahl der Stütz stellen für die Drehwinkelcodierung beeinflusst werden kann und somit eine höhere Auflösung erreicht werden kann.
Eine weitere Variante sieht ein Drehwinkelgebersystem vor, wobei der Rotor als Leiterplatte ausgebildet ist. Leiterplat ten weisen in der Regel Glasfasergewebe in Kunststoff/Epoxid harzen und eine Vielzahl von Leiterbahnebenen (Kupferbahnen, vergoldetes Kupfer) auf, welche sich in herkömmlichen Leiter plattenstrukturierungstechnologien bis auf wenige ym genau mit Strukturen versehen lassen können, die als Maßverkörpe rungsstrukturen wirken. Auf Leiterplatten können somit Reso nanzstrukturen angeordnet werden, welche eine messbare und eindeutige Wechselwirkung der elektromagnetischen Wellen mit der Leiterplatte hervorrufen. Das Drehwinkelgebersystem sieht insbesondere vor, dass die Abtasteinheit statisch ausgeführt ist. Im Gegensatz zum Ro tor, der drehbar ausgeführt ist, rotiert die Abtasteinheit bevorzugt nicht. Dies bedeutet, dass in der Regel zwischen der Abtasteinheit und dem Rotor ein Abstand von größer null vorhanden ist. Bevorzugt wird dieser Abstand klein gehalten, um etwaige Verlustleistung von elektromagnetischen Wellen ge ring zu halten.
In der Regel sind die Abtasteinheit (auch Stator genannt) und der Rotor nie direkt körperlich miteinander verbunden. Somit gibt es meistens einen in dieser Anmeldeschrift nicht näher beschriebenen Luftspalt zwischen Abtasteinheit und Rotor, da mit diese beiden Komponenten relativ zueinander drehen kön nen. Das Drehwinkelgebersystem ist meistens „berührungslos". Der Luftspalt wird bevorzugt so groß gewählt, dass die Funk tion des Wellenleiters und die Wechselwirkung der elektromag netischen Wellen mit dem mindestens einen Maßverkörperungs element beziehungsweise der Maßverkörperungsstruktur aus meh reren Maßverkörperungselementen die Artefakte der Luftspalt verluste bei weitem überwiegen.
Eine weitere Variante sieht vor, dass die Abtasteinheit meh rere zweite Schnittstellen zum Empfangen der eingespeisten elektromagnetischen Wellen aufweist. Damit kann eine genauere Analyse der übertragengen beziehungsweise empfangenen elek tromagnetischen Wellen erfolgen. Dies erlaubt unter Umständen eine genauere Drehwinkelcodierung. Beispielsweise können so zusätzliche Informationen gewonnen werden, die es erlauben, den Einfluss weiterer Parameter, wie zum Beispiel eines Ab stands der Abtasteinheit von der ersten Oberfläche besser zu berücksichtigen .
Eine weitere Variante sieht ein Drehwinkelgebersystem vor, wobei eine zweite Oberfläche der Abtasteinheit parallel zu der ersten Oberfläche des Rotors angeordnet ist und zumindest ein Teil dieser ersten Oberfläche senkrecht auf die zweite Oberfläche der Abtasteinheit projizierbar ist. In der Regel ist die Abtasteinheit über oder unter dem Rotor angeordnet. Dabei ist die erste Oberfläche des Rotors insbesondere zu der zweiten Oberfläche der Abtasteinheit parallel. Diese beiden Oberflächen sind derart zueinander angeordnet, dass sich zu mindest teilweise eine Überlappung dieser Oberflächen in senkrechter Richtung ergibt. In dieser Variante muss es von der ersten Oberfläche eine senkrecht gedachte abgehende Ver bindungslinie geben, die wiederum senkrecht auf der zweiten Oberfläche endet. Insbesondere können die erste und zweite Oberfläche gleich groß sein und sich vollständig überdecken. Damit kann ein platzsparendes, effektives Drehwinkelgebersys tem realisiert werden.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Be stimmen eines Drehwinkels einer Vorrichtung bereit, die eine Abtasteinheit und einen drehbaren Rotor aufweist. Dabei wer den folgende Verfahrensschritte ausgeführt. In einem ersten Schritt a) werden elektromagnetische Wellen über eine erste Schnittstelle der Abtasteinheit eingespeist, wobei die einge speisten elektromagnetischen Wellen in einem Wellenleiter zu einer zweiten Schnittstelle der Abtasteinheit transmittiert werden. Der Wellenleiter ist insbesondere in oder an der Ab tasteinheit angeordnet. Die erste Schnittstelle der Abtast einheit ermöglicht insbesondere ein Einspeisen der elektro magnetischen Wellen, die zweite Schnittstelle der Abtastein heit ermöglicht insbesondere ein Empfangen der übertragenen beziehungsweise transmittierten elektromagnetischen Wellen.
Im nächsten Schritt b) wird eine erste Oberfläche des Rotors mittels der elektromagnetischen Wellen abgetastet, wobei die erste Oberfläche mindestens ein Maßverkörperungselement mit einer Ausdehnung in einem Bereich von 0,1 mm bis 15 mm auf weist. Der Wellenleiter ist dabei vorzugsweise so angeordnet, dass die elektromagnetischen Wellen sich in Richtung der ers ten Oberfläche des Rotors ausbreiten können. Damit kann si chergestellt werden, dass eine Rotation der ersten Oberfläche beziehungsweise des Rotors die elektromagnetischen Wellen be einflusst . In einem Schritt c) werden die transmittierten elektromagne tischen Wellen an der zweiten Schnittstelle empfangen. An stelle transmittierter elektromagnetischer Wellen wird oft auch von empfangenen elektromagnetischen Wellen gesprochen.
In einem Schritt d) werden die transmittierten elektromagne tischen Wellen hinsichtlich einer Phasenverschiebung und/oder einer Intensitätsverteilung über der Wellenlänge zum Bestim men des Drehwinkels ausgewertet. Das Auswerten kann dabei insbesondere eine Analyse der jeweiligen Amplitude betreffend die elektromagnetischen Wellen beinhalten. Es kann beispiels weise festgestellt werden, ob sich eine Amplitude der elek tromagnetischen Wellen verändert hat. Eine veränderte Ampli tude kann unter Umständen ebenfalls zur Feststellung bezie hungsweise Bestimmung des Drehwinkels genutzt werden. Die be reits genannten Vorteile der vorigen Variante gelten sinnge mäß auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
Eine weitere Variante dieser Erfindung sieht vor, dass je weils mehrere elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Wellenlängen eingespeist, empfangen, ausgewertet werden und ein Ergebnis dieses Auswertens als Referenzdatensatz für eine weitere Bestimmung des Drehwinkels für neue elektromagneti sche Wellen vorgegeben wird. Dies bedeutet insbesondere, dass unterschiedliche elektromagnetische Wellen entlang des Wel lenleiters übertragen werden und jeweils eine entsprechende Übertragungscharakteristik gemessen wird. Die gemessene Über tragungscharakteristik wird insbesondere betreffend den je weiligen Drehwinkel separat ausgewertet. Dies bedeutet zum Beispiel, dass für einen vorgegebenen Drehwinkel mehrere un terschiedliche elektromagnetische Wellen verwendet werden, um einen Satz unterschiedlicher Übertragungscharakteristika zu erhalten. Dieser Prozess wird oft als „Durchstimmen" bezeich net .
Eine weitere Variante sieht vor, dass jeweils mehrere elek tromagnetische Wellen unterschiedlicher Wellenlänge bei meh reren unterschiedlichen Positionen der ersten Oberfläche des Rotors in Relation zu einer zweiten Oberfläche der Abtastein heit zum Gewinnen des Referenzdatensatzes eingespeist, emp fangen und ausgewertet werden. Diese Variante verwendet eben falls mehrere unterschiedliche Wellenlängen für das Durch stimmen. Zusätzlich wird in dieser Variante ebenfalls der Drehwinkel verändert. Dies geschieht insbesondere mittels ei ner Drehung der ersten Oberfläche des Rotors. Somit kann ein Band unterschiedlicher elektromagnetischer Wellen bei einem ersten Drehwinkel übertragen, empfangen und ausgewertet wer den. Im Anschluss daran kann die Position der ersten Oberflä che zu einem zweiten Drehwinkel verändert werden und das Band elektromagnetischer Wellen mit unterschiedlichen Wellenlängen kann erneut eingespeist, übertragen und ausgewertet werden. Diese Prozesse laufen in der Regel äußerst schnell ab und können insbesondere in wenigen Sekundenbruchteilen durchge führt werden. Der Prozess des Durchstimmens kann insbesondere genutzt werden, um ein Drehwinkelgebersystem im Nachhinein erneut zu kalibrieren.
Eine weitere Variante sieht vor, dass bei einer Drehung des Rotors eine Exzentrizität des Rotors anhand der transmittier- ten elektromagnetischen Wellen gemessen wird und die gemes sene Exzentrizität bei dem Bestimmen des Drehwinkels berück sichtigt wird. Diese Variante betrifft vor allem einen zylin derförmigen Rotor. Im Idealfall dreht sich der Rotor exakt um seine Mittelachse. Dadurch kann sich eine unregelmäßige Rota tion des Rotors ergeben, welche sich in dem Übertragungsver halten der elektromagnetischen Wellen widerspiegelt. Zum Bei spiel kann bei eine Stirnseite des Rotors die Exzentrizität der ersten Oberfläche gemessen werden. In diesem Fall kann die Auswerteeinheit des Drehwinkelgebersystems diese Exzent rizität erkennen und bei der Bestimmung des Drehwinkels ent sprechend berücksichtigen.
Eine weitere Variante dieser Erfindung sieht vor, dass die eingespeisten elektromagnetischen Wellen an mehreren zweiten Schnittstellen empfangen werden. Dies bedeutet, dass die elektromagnetischen Wellen nicht nur an einer einzelnen Stelle, sondern an mehreren Stellen empfangen werden können. So können beispielsweise an einem Wellenleiter, der entlang einer Mantelfläche eines zylinderförmigen Rotors verläuft, mehrere zweite Schnittstellen angeordnet sein. An diesen meh reren zweiten Schnittstellen kann jeweils die bis dahin über tragene elektromagnetische Welle empfangen werden. Da die Po sition dieser mehreren zweiten Schnittstellen in der Regel bekannt ist, können mehrere Übertragungscharakteristika zu vorgegebenen Entnahmepositionen gewonnen werden.
Die verschiedenen Varianten dieser Erfindung zeigen deutlich, dass eine Drehwinkelcodierung mit Maßverkörperungselementen, welche Ausdehnungen im Millimeterbereich aufweisen, effektiv verwirklicht werden können. Aufgrund verschiedener Parameter (verschiedene Höhen beziehungsweise Tiefen der Maßverkörpe rungselemente, verschiedene Durchmesser der Maßverkörperungs elemente, unterschiedliche Formen der Maßverkörperungsele mente oder teilweise mit Dielektrika aufgefüllte beziehungs weise geformte Maßverkörperungselemente, spezielle Anord nungsstruktur der Maßverkörperungselemente untereinander und so weiter) kann eine hohe Auflösung bei der Drehwinkelcodie rung erreicht werden. Das so geschaffene Drehwinkelgebersys tem erlaubt eine ähnlich hohe präzise Drehwinkelmessung be ziehungsweise Drehwinkelauflösung wie optische Drehwinkelsys teme, ist dabei jedoch deutlich leichter herzustellen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 eine beispielhafte Maßverkörperungsstruktur auf ei ner Stirnseite eines Rotors einer elektrischen Ma schine ;
FIG 2 beispielhaft flächenhafte verteilte Maßverkörpe
rungselemente auf der Stirnseite des Rotors in Form von Noppen; FIG 3 beispielhaft flächenhafte verteilte Maßverkörpe rungselemente auf der Stirnseite des Rotors in Form von Löchern;
FIG 4 3D-Skizze eines Drehwinkelgebersystems mit einer
Abtasteinheit und einem Rotor;
FIG 5 beispielhafte Anordnungsmöglichkeit eines Wellen leiters in der Abtasteinheit entlang eines Radius;
FIG 6 beispielhafte Anordnungsmöglichkeit eines Wellen leiters in der Abtasteinheit entlang einer Sekante;
FIG 7 zweidimensionale Skizze eines Rotors mit einer Ab tasteinheit, die einen Wellenleiter beinhaltet;
FIG 8 drehwinkelabhängige gemessene Amplituden-Spektren des Drehwinkelgebersystems;
FIG 9 beispielhaft gemessene Phasenspektren des Drehwin kelgebersystems ;
FIG 10 auf einer Mantelfläche eines zylinderförmigen Ro tors flächenhaft verteilte Maßverkörperungsele mente ;
FIG 11 mantelförmig geformte Abtasteinheit, welche um den
Rotor angeordnet ist;
FIG 12 vergrößerte Darstellung eines Teils des zylinder förmigen Rotors mit einem Teil der mantelförmigen Abtasteinheit ;
FIG 13 simuliertes Hochfrequenzspektrum einer Kupferstruk tur auf einem Keramiksubstrat bei einer Variation von verschiedenen Größenänderungen; FIG 14 simuliertes temperaturabhängiges Spektrum mit einer Frequenz von 8 GHz;
FIG 15 Prinzipskizze zur Erläuterung der Transfermatrix der Übertragungen elektromagnetischer Wellen;
Zum besseren theoretischen Verständnis, wie die elektromagne tischen Wellen bei der Übertragung beeinflusst werden, sei auf FIG 15 verwiesen. FIG 15 zeigt beispielhaft einen Rotor 30 sowie eine Abtasteinheit 32. Die Abtasteinheit 32 ist ins besondere als ein Stator ausgebildet. Zwischen dem Rotor 30 und der Abtasteinheit 32 sei beispielsweise ein Wellenleiter 34 angeordnet. Der Wellenleiter 34 kann jedoch Teil der Ab tasteinheit 32 sein. Der Wellenleiter 34 weist im Beispiel der FIG 15 eine erste Schnittstelle PI sowie eine zweite Schnittstelle P2 auf. An der ersten Schnittstelle PI werden die elektromagnetischen Wellen 50 eingespeist und an einer zweiten Schnittstelle P2 empfangen.
In FIG 15 sind mehrere unterschiedliche Parameter gezeigt, welche das Übertragungsverhalten beziehungsweise die Übertra gungscharakteristik betreffend die elektromagnetischen Wellen 50 beeinflussen. Die jeweilige Position, Breite und Länge der verschiedenen Einbuchtungen sind durch die Parameter llr l2, etc.; dlr d2, etc.; wlr w2, etc. gegeben. L ist dabei eine Gesamtlänge. In diesem Fall sind die Maßverkörperungselemente als Einbuchtungen beziehungsweise Bohrungen gegeben. Der Ab stand zwischen dem Rotor 30 und der Abtasteinheit 32 wird in FIG 15 mit h bezeichnet. Eine Transfermatrix T betreffend die übertragenen elektromagnetischen Wellen 50 kann in Form der Gleichung 1 angegeben werden. Gleichung 1
Figure imgf000022_0001
Dabei bezeichnet Z eine Impedanz zu den jeweiligen Maßverkör perungselementen. Die Parameter A und B stellen Koppelmatri zen dar. Auf eine genaue Herleitung wird an dieser Stelle verzichtet. Der Parameter D j ist durch die Differenz zweier Längen gegeben. Die Definition von j ist durch die Gleichung 2 gegeben, wobei j einen Index beschreibt.
Aj= lj— lj—i Gleichung 2
Anhand der Gleichung 1 kann eine Übertragungsfunktion berech net werden, die sich aufgrund einer Abfolge von mehreren die lektrischen Strukturen ergibt. Die metallischen Flächen sind hierbei der Rotor 30 sowie die Abtasteinheit 32.
FIG 1 zeigt beispielhaft eine Stirnseite des Rotors 30, auf der mehrere Maßverkörperungselemente 10 angeordnet sind.
Diese Maßverkörperungselemente 10 sind im Beispiel von FIG 1 alle kreisförmig ausgebildet. Deren verschiedene Durchmesser ergeben sich insbesondere aufgrund der Wellenlängen l der elektromagnetischen Wellen 50. Die Wellenlängen l variieren dabei zwischen einer unteren Wellenlänge lh und einer oberen Wellenlänge l0. Insbesondere kann ein erster Durchmesser ein Viertel der oberen Wellenlänge l0 betragen und ein unterer Durchmesser kann ein Viertel der unteren Wellenlänge lh be tragen .
Wie FIG 1 zeigt, können die unterschiedlichen Maßverkörpe rungselemente 10 auf der ersten Oberfläche 12 flächig ange ordnet sein. Dies bedeutet insbesondere, dass die Maßverkör perungselemente 10 sich nicht nur entlang einer radialen Richtung R, sondern auch entlang einer Drehrichtung erstre cken. Aufgrund einer in FIG 1 nicht gezeigten Abtasteinheit 32 ergibt sich ein Detektorfeld 14, womit bei einer Rotation des Rotors 30 eine erste Oberfläche 12 abgetastet wird. Die erste Oberfläche ist im Beispiel von FIG 1 eine kreisförmige Fläche, die eine Stirnfläche des Rotors 30 darstellt. Streng genommen ist die erste Oberfläche 12 in FIG 1 ein Kreisring, dennoch wird oft vereinfacht von einer kreisförmigen Fläche gesprochen. In der Mitte der ersten Oberfläche 12 ist eine Welle 16 angeordnet, um die der Rotor 30 rotiert. Die Abtast einheit 32 lässt die elektromagnetischen Wellen 50 im Detek- torfeld 14 dieser elektromagnetischen Wellen mit der Maßver körperungsstruktur der FIG 1 wechselwirken. Dadurch ergibt sich ein spezielles Übertragungsverhalten, welches an der zweiten Schnittstelle P2 gemessen werden kann. Die so gemes senen übertragenen elektromagnetischen Wellen 50 können da raufhin von einer Auswerteeinheit 55 betreffend einen jewei ligen Drehwinkel analysiert werden.
Die in FIG 1 gezeigten beispielhaften kreisförmigen Maßver körperungselemente 10 können unterschiedliche Tiefen bezie hungsweise Höhen aufweisen. Der Wert der jeweiligen Höhe be ziehungsweise Tiefe kann insbesondere durch Multiplikation einer mittleren Wellenlänge Äm mit einer Korrekturfunk tion Ck gebildet werden. Diese Korrekturfunktion Ck kann ins besondere von einer radialen Entfernung zum Drehzentrum sowie zur jeweiligen Winkelposition abhängig sein. Verschiebungen der Gesamtcharakteristik der empfangenen elektromagnetischen Wellen 50 in der Frequenz können durch die Rotortemperatur verursacht sein. In diesem Fall können sich die Resonanz strukturen (die Maßverkörperungselemente 10) vergrößern, was eine Veränderung der Amplitude der elektromagnetischen Wellen 50 verursachen kann. Ebenso kann sich eine veränderte Fre quenzabhängigkeit der elektromagnetischen Wellen 50 ergeben. In der Regel bleiben die relativen Amplituden innerhalb der jeweiligen elektromagnetischen Wellen 50 annähernd konstant. Aufgrund dieser Veränderungen kann prinzipiell eine Tempera tur des Rotors 30 gemessen werden.
Treten Schwingungen auf, bei denen sich die Resonanzstruktur bezüglich des Detektorfelds 14 zeitlich hochfrequent ändert, so kann das in der Übertragungscharakteristik bei mindestens einer Wellenlänge l messbar werden. Sind die Maßverkörpe rungselemente 10 exzentrisch zur Rotorachse (Welle 16) er zeugt worden, so verschieben sich einzelne Strukturen bezüg lich der idealen Struktur sinusartig pro Umdrehung und in der Übertragungscharakteristik werden einzelne Wellenlängenan teile in der Intensität sinusartig mit der Umdrehung variie ren. Wie FIG 1, FIG 2 und auch FIG 3 zeigen, sind die jewei- ligen Maßverkörperungselemente 10 nicht nur entlang des Ra dius R, sondern über die gesamte kreisförmige erste Oberflä che 12 verteilt. Damit kann die gesamte Fläche optimal hin sichtlich der Wellenlängencharakteristik ausgenutzt werden.
FIG 2 und FIG 3 zeigen zwei mögliche erste Oberflächen 12, die um die Welle 16 herum angeordnet ist. Die erste Oberflä che 12 ist dabei als Stirnseite des Rotors 30 ausgebildet. In FIG 2 sind mehrere unterschiedliche Maßverkörperungselemente 10 gezeigt, welche jedoch alle aus der ersten Oberfläche 12 herausragen. In FIG 3 hingegen sind die Maßverkörperungsele mente 10 als Löcher ausgebildet und besitzen eine Ausdehnung in Richtung des Rotors 30, in diesem Fall nach rechts. FIG 2 und FIG 3 zeigen deutlich, dass die jeweiligen Maßverkörpe rungselemente 10 unterschiedlich geformt sein können. Bei ge nauerem Betrachten lässt sich erkennen, dass gewisse Maßver körperungselemente 10 eine eckige Grundfläche aufweisen. Die flächige Verteilung der Maßverkörperungselemente 10 ermög licht dabei eine charakteristische Frequenzantwort der einge speisten elektromagnetischen Wellen 50 für einen bestimmten Drehwinkel zu erzeugen. So können beispielsweise pro Umdre hung M Maßverkörperungselemente einer gewissen mittleren Größe AU angelegt sein und zusätzlich N Maßverkörperungsele mente auf dem zur Verfügung stehenden Radius beziehungsweise Durchmesser. Die mittlere Größe AU der Maßverkörperungsele mente ist dabei in etwa 1/4 der Wellenlänge l.
Die jeweiligen Höhen beziehungsweise Tiefen der Maßverkörpe rungselemente 10 können unterschiedlich sein und in Abhängig keit von einer mittleren Wellenlänge Äm in Kombination mit der Korrekturfunktion Ck bestimmt werden. Damit ergeben sich unterschiedliche Höhen beziehungsweise Tiefen betreffend die Maßverkörperungselemente 10. Damit kann eine Tiefenvariation der Maßverkörperungsstruktur auf der ersten Oberfläche 12 des Rotors 30 erzeugt werden. Die Tiefenvariation der Maßverkör perungsstruktur bedingt dann näherungsweise eine Änderung des Intensitätsbeitrags der Struktur. Somit kann die Intensität in mehreren Abstufungen als weiterer vorteilhaft zu beein- flussender Parameter dazu dienen, die Gesamtzahl an Stütz stellen PZ pro Umdrehung weiter zu erhöhen. Die Gesamtzahl an Stützstellen PZ berechnet sich insbesondere durch das Produkt der K Abstufungen hinsichtlich der Höhe beziehungsweise Tiefe der Maßverkörperungselemente 10, der M Maßverkörperungsele mente 10 pro Umdrehung und der N Maßverkörperungselemente auf dem zur Verfügung stehenden Radius R.
Beispielsweise können für das oft benutzte 60 GHz Frequenz band in einer einfachen Abschätzung folgende Wellenlängenbe reiche lh bis l0 genutzt werden: lh = 5,26 mm, Äm= 5,00 ;
l0= 4,68 mm. Daraus ergeben sich die Frequenzen fu= 57 GHz; fm = 60 GHz; f0 = 64 GHz.
Diese Wellenlängen l sind besonders vorteilhaft, weil zum ei nen die 60-Gigahertz-Frequenzband-Technologie in Kommunikati onsstrecken nutzbar wird und zum anderen, weil l-Viertel- strukturen im Bereich von 1 mm liegen und somit gut herkömm lich fertigbar sind.
Zum Beispiel können bei einem zur Verfügung stehenden Radius R = 50 mm darauf zum Beispiel M = 128 beziehungsweise N = 16 Stück der Maßverkörperungselemente 10 platziert werden. Das heißt, entlang einer Umdrehung können 128 Maßverkörperungs elemente 10 angeordnet sein und entlang des Radius R können in diesem Beispiel 16 Maßverkörperungselemente 10 angeordnet sein. Eine beispielhafte Berechnung der jeweiligen Anzahlen M beziehungsweise N sind durch die Gleichungen 3 und 4 gegeben.
M = 2 * Pi * Rrotor/(Äm/4)/2 = 128 Gleichung 3
N = ( Rrotor ~ Rshaft) / (lth/4) / 2 = 16 Gleichung 4 Rrntnr = 50 mm
D 1fl Gleichung 5
Rshaft = 10 mm y
Dabei bezeichnet RShaft den Radius der Welle 16, welche die effektive erste Oberfläche 12 vermindert. Rrotor ist der Ra- dius R des Rotors 30 und Pi die bekannte Kreiszahl. Die je weiligen beispielhaften Werte für die Radien sind in Glei chung 5 gegeben.
Daraus ergeben sich M * N = 2048 Maßverkörperungselemente 10, die jeweils ein für den Drehwinkel charakteristisches Über tragungsverhalten hervorrufen können. Weisen die Maßverkörpe rungselemente 10 zusätzlich unterschiedliche Höhen bezie hungsweise Tiefen auf (Löcher beziehungsweise Noppen) , so ergibt sich eine Gesamtzahl von PZ = N * M * K Stützstellen, die zur Codierung des Drehwinkels genutzt werden können. Dies bedeutet, dass mit einer Tiefenabstufung um das K-fache weitere Winkel codiert werden können beziehungsweise die Auf lösung eines Drehwinkelgebersystems 95 erhöht werden kann.
Die Abmessungen der Maßverkörperungselemente 10 können ver kleinert werden, sofern man, wie aus der Filtertechnik be kannt ist, ein Dielektrikum möglichst hoher Güte in das Maß verkörperungselement 10 einbringt. Dabei verkleinert sich die effektive Wellenlänge. Die Verwendung eines Dielektrikums führt zu einer zusätzlichen Erhöhung der möglichen Stützstel len bei einer gegebenen Fläche der MaßVerkörperung . Somit können noch mehr Winkel codiert werden. Die Winkel werden da bei in einem Intervall von 0 bis 360 Grad angegeben. Davon abweichende Winkelwerte werden dabei insbesondere in einen Winkelwert umgerechnet, der in diesem Intervall liegt. Bei spielsweise wird ein Drehwinkel von 370 Grad zu einem Dreh winkel von 10 Grad umgewandelt.
Die Messung des jeweiligen Übertragungsverhaltens der elek tromagnetischen Wellen 50 wird beispielsweise durch ein schnelles Durchstimmen der Sendefrequenzen und das Bestimmen der zur Frequenz gehörigen Amplitudenwerte durch einen einfa chen Leistungsdetektor realisiert. Dies bedeutet, dass bei einem Durchstimmen mehrere unterschiedliche elektromagneti sche Wellen 50 ausgesandt, empfangen und durch einen einfa chen Leistungsdetektor analysiert werden können. Dieses
Durchstimmen kann dabei insbesondere für mehrere unterschied- liehe Drehwinkel erfolgen beziehungsweise vorgesehen sein. Durch die Messung des jeweiligen Übertragungsverhaltens kann so ein Referenzdatensatz gewonnen werden, mittels welchem eine spätere Analyse der empfangenen elektromagnetischen Wel len 50 ermöglicht wird.
FIG 4 zeigt beispielhaft eine dreidimensionale Skizze der Ab tasteinheit 32, welche im Stator der Abtasteinheit 32 ange ordnet ist. Rechts von der Abtasteinheit 32 ist in FIG 4 der Rotor 30 angeordnet. In der Schnittansicht von FIG 4 sind mehrere Maßverkörperungselemente 10 erkennbar. Der Wellenlei ter 34 ist in FIG 4 in der Abtasteinheit 32 angeordnet. Dabei ist der Wellenleiter 34 insbesondere derart ausgebildet, dass die elektromagnetischen Wellen 50 auf die erste Oberfläche 12 des Rotors 30 einwirken können und von der Rotation des Ro tors 30 beeinflusst werden können. Der Wellenleiter 34 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass innerhalb des Wellenlei ters 34 die eingestrahlten Mikrowellen mit den rotierend an gebrachten Strukturen der Maßverkörperung wechselwirken und die charakteristischen Spektren der Übertragungsstrecke die Drehwinkelcodierung über 360 Grad ermöglichen.
FIG 5 und FIG 6 zeigen beispielhaft zwei unterschiedliche Ausführungsformen der Abtasteinheiten 32. Die Abtasteinheit in FIG 5 weist einen Wellenleiter 34 auf, der radial angeord net ist. Ein auf der Abtasteinheit 32 senkrecht stehender Pfeil deutet an, dass aus dem Wellenleiter 34 elektromagneti sche Wellen 50 austreten können. Bei einer Rotation des Ro tors 30 würde gemäß der Anordnung von FIG 5 eine gleichmäßige Abtastung der ersten Oberfläche 12 des Rotors 30 erfolgen.
Die Abtastung kann jedoch, wie das Beispiel von FIG 6 zeigt, entlang einer Sekante der Abtasteinheit 32 durchgeführt wer den. In diesem Fall ist der Wellenleiter 34 zwar länger als in dem Beispiel von FIG 5, jedoch erfolgt nun die Abtastung der ersten Oberfläche 12 des Rotors 30 entlang der durch den Pfeil dargestellten Sekante. Die Abtasteinheit 32 muss nicht kreisförmig sein, wie sie in FIG 5 oder FIG 6 dargestellt ist. Die Art des Abtastens bezieht darauf, wie die erste Oberfläche 12 abgetastet wird. In diesem Fall treten aus dem Wellenleiter 34 senkrecht dazu die elektromagnetischen Wellen 50 hervor und wechselwirken mit der Maßverkörperungsstruktur auf der ersten Oberfläche 12.
Die Hochfrequenzwellenführungen der elektromagnetischen Wel len 50 sind insbesondere derart ausgebildet, dass diese axial oder radial wirken. Damit können unterschiedliche Arten der Abtastung ermöglicht werden, was zusätzlich für die Drehwin kelcodierung genutzt werden kann. Der Wellenleiter 34 kann in Form von Metall eines Metallkanals realisiert sein. Ein sol cher Metallkanal kann beispielsweise mittels Fräsen oder Gie ßen hergestellt werden. Dabei können zusätzlich geeignete An tennenstrukturen eingebracht werden, welche die erste bezie hungsweise die zweite Schnittstelle bilden können.
FIG 7 zeigt eine beispielhafte zweidimensionale Schnittan sicht des Rotors 30 mit einer darüber angeordneten Abtastein heit 32, welche eine erste Schnittstelle PI und eine zweite Schnittstelle P2 aufweist. Diese beiden Schnittstellen sind durch den Wellenleiter 34 miteinander verbunden. Die erste Oberfläche 12 des Rotors 30 ist der Abtasteinheit 32 zuge wandt und weist mehrere unterschiedliche Maßverkörperungsele mente 10 auf. Diese Maßverkörperungselemente 10 können in ih rem Durchmesser, ihrer Tiefe und weiteren Abmessungen unter schiedlich sein. Die Grundfläche beziehungsweise die Grund form der jeweiligen Maßverkörperungselemente 10 kann unter schiedlich ausgebildet sein. Zudem kann vorgesehen sein, dass die Maßverkörperungselemente 10 teilweise aus unterschiedli chen Dielektrika gebildet sind. In FIG 7 ist beispielhaft eine elektromagnetische Welle 50 gezeigt, welche in diesem Fall sinusförmig dargestellt ist. Der Wellenleiter 34 ist im Beispiel von FIG 7 nach oben totalreflektierend ausgebildet. Dies bedeutet, dass eine obere Oberfläche des Wellenleiters 34 die elektromagnetischen Wellen total reflektiert und somit an dieser Oberfläche keine Verluste durch Transmission ent stehen. Die zweite Schnittstelle P2 ist mit der Auswerteein heit 55 verbunden. Durch eine Analyse der empfangenen elek- tromagnetischen Wellen 50 kann die Auswerteeinheit 55 der übertragenen elektromagnetischen Wellen 50 eindeutig einen Drehwinkel zuordnen. Dies geschieht vorzugsweise durch eine entsprechende Analyse der Amplitude, der Phasenverschiebung und/oder einer Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Wellen 50 durch die Auswerteeinheit 55.
Der Wellenleiter 34 ist jedoch vorzugsweise nicht in Richtung des Rotors 30 totalreflektierend ausgebildet. Vorzugsweise ist der Wellenleiter 34 nach unten, also in Richtung des Ro tors, geöffnet ausgeführt, sodass die elektromagnetischen Wellen 50 mit der ersten Oberfläche 12 des Rotors 30 wechsel wirken können. Vorzugsweise werden als elektromagnetische Wellen 50 Mikrowellen eingesetzt. Der Wellenleiter 34 zwi schen der ersten Schnittstelle PI und der zweiten Schnitt stelle P2 stellt zusammen mit dem Rotor 30 sowie den unter schiedlichen Maßverkörperungselementen 10 eine Übertragungs strecke dar, welche ein bestimmtes Transmissions- beziehungs weise Reflexionsspektrum hervorruft. Dieses Transmissions spektrum Ti ist eindeutig von der Wellenlänge l sowie vom Drehwinkel abhängig. Da die verwendete Wellenlänge l in der Regel bekannt ist, kann durch eine Analyse des Transmissions spektrums der Drehwinkel ermittelt werden.
FIG 9 zeigt beispielhaft einen gemessenen Phasenverlauf für das Drehwinkelgebersystem 95. FIG 9 zeigt ein Diagramm, in dem eine Phasenverschiebung 70 gegenüber einer Frequenz 60 aufgetragen ist. Das Diagramm zeigt beispielhaft drei ver schiedene Phasenspektren 51, 51' sowie 51''. Die Auswerteein heit 55 kann insbesondere unter Zuhilfenahme des vorgegebenen Referenzdatensatzes jeweiligen Phasenspektren 51, 51' und 51'' den jeweiligen Drehwinkel zuordnen. Die Phasenspektren haben den Vorteil einer verringerten Abstandsabhängigkeit. Dies bedeutet insbesondere, dass bei mehreren vorhanden Spek tren Temperatureffekte und Auswirkungen einer Exzentrizität besser berücksichtigt werden können. FIG 8 zeigt beispielhaft ein gemessenes Amplitudenspektrum für das Drehwinkelgebersystem 95. Das Diagramm von FIG 8 zeigt eine Intensität 62 in Abhängigkeit von der Frequenz 60. Bei der Messung der Amplitudenspektren Ti ist die absolute Gesamtamplitude in der Regel unerheblich. Jedoch dienen die charakteristischen Verhältnisse der Codierung des Drehwinkels cx. Das Diagramm von FIG 8 zeigt drei unterschiedliche Ampli tudenspektren 51, 51' und 51''. Aufgrund des Amplitudenver laufs gegenüber der Frequenz kann die Auswerteeinheit jedem Amplitudenspektrum Ti einen Drehwinkel cx zuordnen. Der Ver lauf des jeweiligen Amplitudenspektrums Ti ist charakteris tisch für einen bestimmten Drehwinkel cx. Dies bedeutet, dass die Amplitudenspektren Ti „Fingerabdrücke" des Drehwinkels cx darstellen. Alternativ oder zusätzlich kann zum Amplituden spektrum T der Phasenverlauf fi zur Auswertung oder Charakte risierung beziehungsweise Codierung des Drehwinkels cx heran gezogen werden.
FIG 10 zeigt beispielhaft, dass die Maßverkörperungselemen te 10 über eine Mantelfläche des Rotors 30 (oder auch der Achse) einer elektrischen Maschine verteilt sein können. Im Beispiel von FIG 10 sind die Maßverkörperungselemente 10 als Kreise ausgebildet. Die FIG 11 zeigt eine ebenso mantelför mige Abtasteinheit 32 in einer Schnittansicht, wobei die Ab tasteinheit den Rotor 30 umgibt. Die Abtasteinheit 32 zeigt mehrere Nuten 90 einer elektrischen Maschine. Die Nuten 90 einer elektrischen Maschine dienen insbesondere der Aufnahme der elektrischen Leiter zur Erzeugung eines Drehmagnetfeldes zum Betrieb der elektrischen Maschine. Diese Nuten 90 der elektrischen Maschine fungieren in diesem Fall als „ohnehin vorhandene" Wellenleiter 34.
FIG 12 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teils von FIG 11. Die Einspeisung der elektromagnetischen Wellen 50 kann im Bereich einer Nut 90 der elektrischen Maschine erfol gen. Eine Detektion der durch die Maßverkörperungselemente 10 veränderten spektralen Eigenschaften der detektierten Wellen 50 ist dabei entweder in Transmission oder in Reflexion mög- lieh. Die Nut 90 kann die erste Schnittstelle PI zum Einspei sen der elektromagnetischen Wellen 50 aufweisen. Die elektro magnetischen Wellen 50 können entlang der Nut 90 transpor tiert werden. Dabei wechselwirken die elektromagnetischen Wellen 50 insbesondere mit den Maßverkörperungselementen 10 eines sich drehenden Rotors 30. An der zweiten Schnittstelle P2 können die so modifizierten elektromagnetischen Wellen 50 empfangen werden und durch die Auswerteeinheit 55 ausgewertet werden. Dazu kann das jeweilige Amplitudenspektrum Ti oder der jeweilige Phasenverlauf fi herangezogen werden. Diese Analyse erlaubt eine eindeutige Zuordnung des jeweiligen Amp litudenspektrums Ti oder des jeweiligen Phasenverlaufs fi zu dem gegenwärtig vorliegenden Drehwinkel .
FIG 13 zeigt beispielhaft ein simuliertes Hochfrequenzspekt rum einer Kupferstruktur, welches auf einem Keramiksubstrat angeordnet ist. Als Basisabmessung wurde eine Breite von 600 ym gewählt. Aufgrund von Temperatureffekten wurden für die Breite unterschiedliche Werte angenommen. Diese Werte sind in der Legende des Diagramms von FIG 13 durch die unter schiedlichen Werte für den Parameter W gezeigt. Der Parameter X kennzeichnet einen Abstand zu einer Mitte des Keramiksub strats. In dem Diagramm von FIG 13 sind mehrere Amplituden spektren Ti gezeigt. Die Intensität 62 ist in Abhängigkeit von der Frequenz 60 gezeigt. Das Diagramm von FIG 13 zeigt deutlich, dass in einem Bereich von 8 bis 12 GHz die unter schiedlichen Abmessungen sich in unterschiedlichen Amplitu denspektren Ti bemerkbar machen. Damit bietet sich die Mög lichkeit, einen Phasenverlauf fi oder ein Amplitudenspektrum Ti dahingehend zu analysieren, ob eine plastische Verformung des Drehwinkelgebersystems 95 erfolgt ist.
Die jeweiligen Maßverkörperungselemente 10 können auf der ersten Oberfläche 12 unterschiedlich angeordnet sein. Bei ei ner stirnseitigen ersten Oberfläche 12 sind die Maßverkörpe rungselemente 10 vorteilhaft aus leitfähigen Resonator-Struk turen gebildet, welche vorwiegend flächenhaft voneinander elektrisch isoliert liegen und zugleich entlang des Radius R elektrisch verbunden sind. Ist die erste Oberfläche 12 als Mantelfläche eines zylinderförmigen Rotors 30 ausgebildet, so sind die Maßverkörperungselemente 10 vorteilhaft über den Drehwinkel elektrisch voneinander getrennt angeordnet. Zu gleich besitzen die Maßverkörperungselemente 10 in diesem Fall in Achsrichtung eine elektrisch zusammenhängende Struk tur .
Weisen die Maßverkörperungselemente 10 alternativ durchgehend ein leitfähiges Grundmaterial auf, so können die eingestrahl ten elektromagnetischen Wellen 50 außerhalb des Detektorfelds 14 wirken. In der Regel werden die Peaks der Amplitudenspek tren Ti und/oder Phasenverläufe fi durch die Verkopplung von weiteren lateral entfernt liegenden Maßverkörperungselementen 10 aufgeweitet. Dies hat wiederum den Vorteil, dass die Über gänge zwischen zwei Drehwinkelstellungen „weicher" werden.
Das heißt, die Interpolationsfähigkeit der Spektren wird so mit erhöht. Die Übertragungscharakteristik betreffend die elektromagnetischen Wellen 50 kann unter Umständen nicht di rekt vorausberechnet werden, jedoch kann die jeweilige Über tragungscharakteristik von einem lernenden System oder in ei ner Kalibrierfahrt ermittelt werden.
Mittels mehrerer zweiter Schnittstellen P2 können weitere elektromagnetische Wellen 50 an verschiedenen zweiten
Schnittstellen empfangen werden. Damit können zusätzliche Amplitudenspektren Ti und zusätzliche Phasenverläufe fi ge wonnen werden. Insbesondere kann somit der Einfluss einer Grundhöhe h des Wellenleiters 34 eliminiert werden. Insbeson dere kann somit eine Exzentrizität des Drehwinkelgebersystems 95 somit gemessen und korrigiert werden. Um weitere zweite Schnittstellen P2 zu realisieren, können in dem Wellenleiter 34 mehrere Antennen platziert sein. Diese Antennen als zweite Schnittstellen P2 können umlaufend an einer Mantelfläche des Rotors 30 angeordnet sein. Bei einer radialen Anordnung der Maßverkörperungselemente 10 sind derartige, eventuell seg mentartig über den Umfang platzierte zusätzliche Antennen als zweite Schnittstellen P2 ebenfalls vorteilhaft. Zusätzliche weitere zweite Schnittstellen P2 können entlang des Radius angeordnet sein. Durch die mehreren zweiten Schnittstellen P2 können zusätzliche Übertragungscharakteristika gewonnen wer den, welche die Genauigkeit des Drehwinkelgebersystems 95 weiter verbessern können.
FIG 14 zeigt beispielhaft eine simulierte Intensitätsentwick lung in Abhängigkeit von einer Temperatur 110. Das Diagramm von FIG 14 zeigt einen Intensitätsverlauf bei einer vorgege benen Frequenz von 8 GHz. Für die Simulation des Diagramms von FIG 14 wurde ein thermischer Ausdehnungskoeffizient von 50 * IO-6 1/K angenommen. Das Diagramm von FIG 14 zeigt deut lich, dass mit einer zunehmenden Temperatur 110 die Intensi tät 62 abnimmt.
Das Drehwinkelgebersystem 95 kann unterschiedliche Maßverkör perungselemente 10 in Form von Noppen oder Löchern verwenden, um verschiedene Drehwinkel zu codieren. Durch eine Varia tion der Maßverkörperungselemente 10 hinsichtlich ihrer Form, ihrer Anordnung, ihrer Anzahl sowie ihrer Tiefe kann eine entsprechend hohe Anzahl an Stützstellen PZ erreicht werden. Dies ermöglicht eine höhere Auflösung für die Codierung des Drehwinkels . Somit kann eine über 360 Grad eindeutige Win kelcodierung erreicht werden. Bei den mechanischen Abmessun gen der Maßverkörperungselemente 10 ist nicht die absolute Größe, sondern das Größenverhältnis zur Wellenlänge l von Be deutung. Erst bei Körpern, deren Größe in dem Bereich der Wellenlänge l liegt, sind die Auswirkungen auf die Übertra gungen elektromagnetischer Wellen 50 besonders deutlich. Aus diesem Grund weist das mindestens eine Maßverkörperungsele ment 10 mindestens eine Ausdehnung auf, welche in einem Be reich von 0,1 bis 15 mm liegt.
Wenn sich die im Übertragungsweg befindlichen Körper bewegen, ändert sich entsprechend das Empfangssignal. Bei einer perio dischen Bewegung, etwa einer rotierenden Struktur, ergibt sich ebenfalls eine periodische Änderung, aus der die Dreh zahl berechnet werden kann. Somit können die elektromagneti- sehen Wellen 50 hinsichtlich einer Drehzahl ausgewertet wer den. Dies ermöglicht eine Ermittlung einer Winkelgeschwindig keit.
Durch das Einspeisen der elektromagnetischen Wellen 50 über die erste Schnittstelle PI in den Wellenleiter 34 werden die elektromagnetischen Wellen 50 zu der zweiten Schnittstelle P2 transportiert beziehungsweise übertragen. Während dieser Übertragung wechselwirken die elektromagnetischen Wellen 50 mit dem mindestens einen Maßverkörperungselement 10 der ers ten Oberfläche 12 des Rotors 30. Diese Wechselwirkung der elektromagnetischen Wellen 50 mit der Maßverkörperungsstruk tur erzeugt ein für den Drehwinkel individuelles Amplitu denspektrum Ti beziehungsweise einen individuellen Phasenver lauf. Das jeweilige Amplitudenspektrum Ti beziehungsweise der jeweilige Phasenverlauf fi charakterisieren dabei eineindeu tig den jeweiligen Drehwinkel . Das Drehwinkelgebersystem 95 nutzt dabei kostengünstige Mikrowellen-Transceiver-ICs, um die Drehzahl von elektrischen Maschinen zu messen. Da Mikro wellen in einem Bereich von etwa 1 mm bis 300 mm liegen, wei sen die Maßverkörperungselemente 10 ebenfalls Abmessungen im Millimeterbereich auf. Solche Maßverkörperungselemente 10 können bereits mit relativ einfachen Fertigungsmechanismen wie zum Beispiel Bohren oder Fräsen hergestellt werden. Ein aufwendiges Herstellungsverfahren wie zum Beispiel bei opti schen Drehwinkelgebern kann somit entfallen.

Claims

Patentansprüche
1. Drehwinkelgebersystem (95) zum Bestimmen eines Drehwinkels ( ) bei einer elektrischen Maschine mit
- einem Rotor (30), der drehbar ausgeführt ist,
- einer Abtasteinheit (32) zum Abtasten einer ersten Oberflä che (12) des Rotors (30) mittels elektromagnetischer Wellen (50) ,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Abtasteinheit (32) einen Wellenleiter (34) mit einer ersten Schnittstelle (PI) zum Einspeisen der elektromagneti schen Wellen (50) und eine zweite Schnittstelle (P2) zum Emp fangen der elektromagnetischen Wellen (50) aufweist,
- das Drehwinkelgebersystem (95) eine Auswerteeinheit (55) aufweist, welche ausgebildet ist, die empfangenen elektromag netischen Wellen (50) für das Bestimmen des Drehwinkels ( ) zu analysieren, wobei
- auf der ersten Oberfläche (12) des Rotors (30) mindestens ein Maßverkörperungselement (10) mit mindestens einer geomet rischen Ausdehnung angeordnet ist, wobei die mindestens eine geometrische Ausdehnung in einem Bereich von 0,1 mm bis 15 mm definiert ist.
2. Drehwinkelgebersystem (95) nach Anspruch 1, wobei die ein gespeisten elektromagnetischen Wellen (50) eine Frequenz von 20 GHz bis 240 GHz aufweisen.
3. Drehwinkelgebersystem (95) nach einem der vorigen Ansprü che, wobei die erste Oberfläche (12) des Rotors (30) aus ei nem Metall gebildet ist.
4. Drehwinkelgebersystem (95) nach einem der vorigen Ansprü che, wobei der Wellenleiter (34) wenigstens in einem Teilbe reich totalreflektierend ausgebildet ist.
5. Drehwinkelgebersystem (95) nach einem der vorigen Ansprü che, wobei die Richtung der mindestens einen Ausdehnung des Maßverkörperungselements (10) senkrecht auf der ersten Ober fläche (12) des Rotors (30) steht.
6. Drehwinkelgebersystem (95) nach Anspruch 5, wobei die min destens eine Ausdehnung einen Wert aufweist, der mit einer mittleren Wellenlänge (Am) eines Bandes von mehreren elek tromagnetischen Wellenlängen (l) korreliert ist, wobei die elektromagnetischen Wellen (50) zum Abtasten in dem Band lie gen .
7. Drehwinkelgebersystem (95) nach einem der vorigen Ansprü che, wobei das und weitere Maßverkörperungselemente (10) flä chig über die erste Oberfläche (12) des Rotors (30) verteilt sind .
8. Drehwinkelgebersystem (95) nach einem der vorigen Ansprü che, wobei eine Grundfläche des mindestens einen Maßverkörpe rungselements (10) ein Kreis oder ein Quadrat ist.
9. Drehwinkelgebersystem (95) nach einem der vorigen Ansprü che, wobei die Auswerteeinheit (55) ausgebildet ist, die emp fangenen elektromagnetischen Wellen (50) betreffend eine Pha senverschiebung und/oder eine Intensitätsverteilung über der Wellenlänge (l) der elektromagnetischen Wellen (50) zu analy sieren .
10. Drehwinkelgebersystem (95) nach Anspruch 9, wobei die Auswerteeinheit (55) ausgebildet ist, basierend auf vorgege benen Referenzdaten den empfangenen elektromagnetischen Wel len (50) einen jeweiligen Drehwinkel ( ) zuzuordnen.
11. Drehwinkelgebersystem (95) nach einem der vorigen Ansprü che, wobei der Rotor (30) zylinderförmig ausgebildet sind und die Abtasteinheit (32) dazu ausgebildet ist, die erste Ober fläche (12) als Grundfläche des Rotors (30) entlang einer Richtung des Durchmessers und/oder entlang einer Richtung ei ner Sekante bezogen auf die erste Oberfläche (12) des Rotors (30) abzutasten.
12. Drehwinkelgebersystem (95) nach einem der vorigen Ansprü che, wobei der Rotor (30) zylinderförmig ist, auf der ersten Oberfläche (12) des Rotors (30) mehrere Maßverkörperungsele mente (10) angeordnet sind, wobei die mehreren Maßverkörpe rungselemente (10) leitfähig sind und entlang einer radialen Richtung auf einer Stirnseite der ersten Oberfläche (12) des Rotors (30) elektrisch verbunden sind.
13. Drehwinkelgebersystem (95) nach einem der vorigen Ansprü che, wobei der Rotor (30) als Leiterplatte ausgebildet ist.
14. Drehwinkelgebersystem (95) nach einem der vorigen Ansprü che, wobei die Abtasteinheit (32) mehrere zweite Schnittstel len (P2) zum Empfangen der eingespeisten elektromagnetischen Wellen (50) aufweist.
15. Drehwinkelgebersystem (95) nach einem der vorigen Ansprü che, wobei eine zweite Oberfläche der Abtasteinheit (32) pa rallel zu der ersten Oberfläche (12) des Rotors (30) angeord net ist und zumindest ein Teil dieser ersten Oberfläche (12) senkrecht auf die zweite Oberfläche der Abtasteinheit (32) projizierbar ist.
16. Verfahren zum Bestimmen eines Drehwinkels ( ) einer Vor richtung, die eine Abtasteinheit (32) und einen drehbaren Ro tor (30) aufweist durch Ausführen folgender Verfahrens schritte :
a) Einspeisen elektromagnetischer Wellen (50) über eine erste Schnittstelle (PI) der Abtasteinheit (32), wobei die einge speisten elektromagnetischen Wellen (50) in einem Wellenlei ter (34) zu einer zweiten Schnittstelle (P2) der Abtastein heit transmittiert werden,
b) Abtasten einer ersten Oberfläche (12) des Rotors mittels der elektromagnetischen Wellen (50), wobei die erste Oberflä che (12) mindestens Maßverkörperungselement (10) mit einer Ausdehnung in einem Bereich von 0,1 mm bis 15 mm aufweist, c) Empfangen der transmittierten elektromagnetischen Wellen (50) an der zweiten Schnittstelle (P2), d) Auswerten der transmittierten elektromagnetischen Wellen (50) hinsichtlich einer Phasenverschiebung und/oder Intensi- tätsverteilung über der Wellenlänge zum Bestimmen des Dreh winkels ( ) .
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei jeweils mehrere elek tromagnetische Wellen (50) unterschiedlicher Wellenlängen (l) eingespeist, empfangen, ausgewertet werden und ein Ergebnis dieses Auswertens als Referenzdatensatz für eine weitere Be- Stimmung des Drehwinkels ( ) für neue elektromagnetischen Wellen (50) vorgegeben wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei jeweils mehrere elek tromagnetische Wellen (50) unterschiedlicher Wellenlänge bei mehreren unterschiedlichen Positionen der ersten Oberfläche (12) des Rotors (30) in Relation zu einer zweiten Oberfläche der Abtasteinheit (32) zum Gewinnen des Referenzdatensatzes eingespeist, empfangen und ausgewertet werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei bei einer Drehung des Rotors (30) eine Exzentrizität des Rotors (30) anhand der transmittierten elektromagnetischen Wellen (50) gemessen wird und die gemessene Exzentrizität bei dem Bestimmen des Drehwinkels ( ) berücksichtigt wird.
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