WO2024074178A1 - Vorrichtung und verfahren zur erkennung der orientierung eines rotors - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erkennung der orientierung eines rotors Download PDF

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WO2024074178A1
WO2024074178A1 PCT/DE2023/200202 DE2023200202W WO2024074178A1 WO 2024074178 A1 WO2024074178 A1 WO 2024074178A1 DE 2023200202 W DE2023200202 W DE 2023200202W WO 2024074178 A1 WO2024074178 A1 WO 2024074178A1
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rotor
permanent magnet
magnetic
recess
permanent magnets
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PCT/DE2023/200202
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Jan Marcus
Eduard Wiens
Daniel Kosshof
Andreas Neu
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Continental Automotive Technologies GmbH
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    • H02K23/40—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the arrangement of the magnet circuits
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    • H02K2201/03—Machines characterised by aspects of the air-gap between rotor and stator

Definitions

  • the invention generally relates to a device and a method for detecting the orientation of a rotor of a permanent magnet electric motor.
  • the device can be used, for example, for a braking system of a vehicle and allows the orientation of the rotor to be determined during operation of the electric motor, preferably with the aid of software.
  • Damping elements such as membranes can be used to smooth the operation of the pressure pump or the piston stroke so that devices connected to the braking system, such as valves, can be controlled better, or fewer pressure pulses affect the driver on the pedal, so that the feeling of comfort can be improved.
  • the position of the electric motor i.e. the current orientation of the rotor in the stator.
  • various electric motors currently in use especially brush motors, do not pass on position data to the control system.
  • position sensors for example, this is costly. Installing such position sensors is complex; in addition, major adjustments are required to the electric motors currently in use and thus also to the production tools for manufacturing the corresponding electric motor components.
  • What is needed is a device and a method which make it possible to obtain information about the position of an electric motor during operation, in particular about the orientation of the rotor in the stator.
  • the device should be able to be integrated into the existing systems with as little effort as possible and without major structural changes.
  • the invention therefore relates in a first aspect to a device for detecting the orientation of a rotor, preferably of a permanently excited electric motor in a braking system, comprising a rotor, wherein the rotor comprises a number of armature packages, and a stator with an arrangement of permanent magnets.
  • the arrangement of permanent magnets can be arranged on the inner wall of the stator facing the rotor, so that an internal rotor arrangement can be formed. Even if in the following and on the basis of the embodiments essentially internal rotor arrangements are of the electric motor, the person skilled in the art will recognize that the embodiments of the invention shown can also be easily transferred to external rotor arrangements.
  • At least one permanent magnet of the arrangement of permanent magnets can differ from the other permanent magnets of the arrangement in at least one magnetic characteristic.
  • the magnetic parameter can include the size of the magnetic flux density, for example measured on the surface of the permanent magnet, the size of the magnetic energy density or the size of the magnetic energy product of the permanent magnet.
  • the energy product is proportional to the energy density, i.e. the amount of energy stored per unit volume in a permanent magnet. The total amount of magnetic energy results from the product of energy density and volume of the permanent magnet.
  • the difference in a magnetic parameter can mean in the sense of the invention that a magnetic parameter, for example the magnetic flux density of the at least one permanent magnet, differs in magnitude from the corresponding magnetic parameter, thus the magnetic flux density of the other permanent magnets in the arrangement.
  • the magnetic flux density of the at least one permanent magnet can thus be greater or lesser than the magnetic flux density of the other permanent magnets in the arrangement.
  • the change in the stator magnetic field resulting from the difference in the magnetic parameter is Position at which a passing armature is switched. If, however, the armature is briefly closed in this area during operation of the device, no change in the current signal can occur and the orientation cannot be detected.
  • the local or preferably approximately punctual change in a magnetic characteristic of the stator can be used in a particularly simple manner in electric motors in which the motor current is monitored in order to obtain a one-off significant and measurable signal as the reference position of the rotor during a complete rotation of the rotor during operation of the device, which signal can be recognized by a connected control device and used for position determination.
  • At least one armature package of the rotor has a recess on the end face facing the stator.
  • This at least one armature package thus differs in its geometry from the other armature packages of the rotor. This can support the detection of the signal and make it visible, since the deviation in the motor current is greater when the rotor is oriented in which the at least one permanent magnet and the at least one armature package are opposite each other. Without a corresponding change to the at least one armature package, a weakening would be noticeable in each armature package and a clear assignment of the detected signal to a defined orientation of the rotor would be difficult.
  • the local change in the magnetic field of a permanent magnet of the stator can cause a one-time, detectable change in the motor current during a complete revolution of the rotor in a certain orientation, since the magnetic flux in this orientation of the rotor, i.e. the reference position, is changed as a result of the weakening of the magnetic field, in particular is slightly lower, which allows more current to flow.
  • the control device can calculate the orientation of the rotor in the stator when the electric motor is operating, provided the absolute position of the rotor is known at the time of the signal. To do this, it is helpful to provide the control device with the speed of the rotor continuously or in real time. The control device can thus determine the relative orientation of the rotor depending on the speed in relation to the reference position at any time during operation.
  • the required weakening of the magnetic field can be kept correspondingly low at the aforementioned angular deviation, so that the resulting reduction in the performance of the electric motor is considered acceptable and ideally lies within the typical tolerance range of the electric motor.
  • At least two armature packages of the rotor each have a recess.
  • the at least two armature packages with the recesses are not arranged opposite each other, which can be due to technical reasons, for example if an odd number of armature packages is provided and there are therefore no armature packages directly opposite each other.
  • the measured current peaks of the motor current cannot be clearly assigned because the position of the eccentric (left or right) is not known and the recesses of the armature packages are of the same size.
  • the eccentric position can be assigned to the two current peaks in this case, and an even more precise determination of the orientation of the rotor, particularly in conjunction with an angle correction, is possible.
  • At least two armature packages are provided with recesses, with at least two recesses being different from one another. This makes it possible to distinguish between the two current peaks during a complete rotation of the rotor, so that the above-mentioned restrictions with regard to the angular position are eliminated. In this way, the position determination can be refined even further, or more than one reference position can be defined per rotation.
  • a possible imbalance in the arrangement for example an imbalance in the rotor due to the recess in an armature package, can be counteracted in a known manner, for example by additional holes or pockets in or on the rotor.
  • This could lead to a further weakening of the magnetic field and ultimately to a further reduction in the performance of the electric motor.
  • the local change in a magnetic characteristic of at least one permanent magnet of the stator can be generated relatively easily, whereby the invention provides a very cost-effective solution for position determination.
  • the device according to the invention can also be integrated into existing braking systems very easily and with little effort.
  • the invention thus enables a sufficiently precise position determination for each revolution of the rotor of the electric motor and is also independent of speed.
  • the arrangement of permanent magnets can, for example, comprise a number of permanent magnets divisible by three, for example three, six, nine or more permanent magnets.
  • the number of armature packages of the rotor can then be adapted accordingly, taking commutation into account.
  • the permanent magnets can be made of ferrite or can comprise ferrite. Of course, other magnetic materials can also be used.
  • a DC brush motor can be used as an electric motor, which is a particularly cost-effective embodiment.
  • the invention is also suitable for other, permanently excited electric motors.
  • the magnetic characteristic of the at least one permanent magnet is only slightly changed, so that there is only a slight and negligible change or reduction in the motor power as a result of the weaker magnetic field.
  • Permanent magnets can be achieved particularly easily by a local Change of at least one permanent magnet at a certain position.
  • this local change is advantageous to arrange on or in that region of the at least one permanent magnet where the magnetic flux density on the surface is as high as possible.
  • This region is typically a middle region of the permanent magnet, since the magnetic flux density decreases towards the ends.
  • a favorable region for arranging the local change is therefore a region in which the magnetic parameter, in particular the magnetic flux density, is at least 80% of its maximum value, preferably at least 90% and particularly preferably at least 95%.
  • This local change in the at least one permanent magnet can, for example, comprise a recess on the side of the at least one permanent magnet facing the rotor. This can achieve a reduction in the volume of this permanent magnet, which has a direct effect on the size of the magnetic flux density of the permanent magnet.
  • the recess can be elongated and run in the axial direction, which makes it particularly easy to insert it into the permanent magnet. According to one embodiment of the invention, it runs from one end to the opposite end of the permanent magnet.
  • the recess can be formed with two opposite side walls and a bottom, wherein the width of the recess is preferably equal to or greater than the depth of the recess. It has been shown that a rather narrow and deep recess has a smaller effect on the change in the magnetic flux density than a rather wide, less deep recess. It can therefore be advantageous to provide the recess with a width that is at least as large as the depth of the recess.
  • the recess can also be designed as a continuous opening or as a continuous slot and can run from the inner wall facing the rotor to the opposite outer wall.
  • a local increase in the magnetic flux density or energy density can also be provided.
  • the local change can therefore include the inclusion of a further magnetic material.
  • the at least one permanent magnet can comprise a magnetic element which differs from the permanent magnet in at least one magnetic characteristic.
  • this magnetic element can have a greater magnetic flux density or energy density compared to the material of the at least one permanent magnet.
  • the at least one permanent magnet can, for example, comprise a recess as described above to accommodate the magnetic element, into which the magnetic element can be inserted.
  • the fastening can be carried out, for example, by means of gluing or clamping.
  • the magnetic element can, for example, comprise a rare earth magnet, such as a neodymium-iron-boron magnet, which can have a significantly higher magnetic flux density or energy density compared to a permanent magnet made of ferrite.
  • the local change of the at least one permanent magnet can also include the inclusion of a non-magnetic material, which can be pressed into the position of the local change during sintering of the ferrite magnet. In this way, a neutral phase can be formed.
  • This embodiment offers the advantage that production is comparatively simple, since no subsequent processing of the permanent magnet is required. In addition, this embodiment is also immune to magnetization by the armature, so that a particularly long service life is possible.
  • the difference in magnitude of the at least one magnetic characteristic, in particular the magnetic flux density or the energy density, of the at least one permanent magnet is at least 1%, preferably at least 2% and particularly preferably at least 5% or 10% compared to the corresponding magnetic characteristic of the other permanent magnets.
  • the magnetic flux density of the at least one permanent magnet is at least 1%, preferably at least 2% and particularly preferably at least 5% or 10% greater or less than the magnetic flux density of the other corresponding permanent magnets.
  • the difference in the magnitude of the at least one magnetic parameter is therefore not more than 50%, preferably not more than 40% and particularly preferably not more than 30% compared to the corresponding magnetic parameter of the other permanent magnets.
  • the recess of the at least one armature package of the rotor is also elongated and runs in the axial direction on the side facing the stator.
  • the recess of the at least one armature package can be geometrically adapted to the design of the recess of the at least one permanent magnet, in particular with regard to the width.
  • the width of the recess of the permanent magnet is selected to correspond to the width of the recess of the armature package. It is particularly advantageous if the width of the recess of the permanent magnet (Bp) is approximately equal to or slightly larger than the width of the recess of the armature package (BA), SO that:
  • the width is therefore not chosen to be too small and can be at least 1 mm, preferably at least 2 mm or even more, provided that the available installation space allows it.
  • the change in the motor current is more clearly visible when the respective recesses are almost congruent with one another during one rotation of the rotor, so that the detection of this reference point can be simplified. In this way, a particularly clearly recognizable signal can be created, which can be clearly detected.
  • the present invention relates to a method for detecting the orientation of a rotor in a permanent magnet electric motor a braking system in operation, comprising a device as set out above.
  • the procedure may include the following steps:
  • the procedure may further include:
  • the invention also relates to a permanent magnet electric motor and a braking system comprising an electric motor, wherein the electric motor has a device as set out above.
  • the braking system can have a hydraulic block, in which an electromotive pressure supply device and an inlet valve and an outlet valve can be arranged for each connected wheel brake.
  • the hydraulic block can be connected to a brake fluid reservoir and the hydraulically operated wheel brakes.
  • the pressure supply device can be driven by the electric motor.
  • the device according to the invention can be used to improve the opening and closing of the valves.
  • the method according to the invention can therefore comprise the further step:
  • Fig. 1 schematically shows essential components of a permanent magnet electric motor according to the invention in a plan view
  • Fig. 2a the strength of the magnetic flux density along the surface of the permanent magnets facing the rotor
  • Fig. 2b a favorable area for the arrangement of the local change of a permanent magnet
  • Fig. 3 shows schematically essential components of a permanent magnet electric motor according to the invention from Fig. 1 in a plan view with an armature package shown as an example in a detail with a front-side recess and with a permanent magnet with a recess
  • Fig. 4 shows schematically the electric motor from Fig. 3 in a plan view with an armature package shown as an example in a section with a frontal recess and with a permanent magnet with a through opening
  • Fig. 5 shows schematically the electric motor from Fig. 3 in a plan view with an armature package shown as an example in a section with a frontal recess and with a permanent magnet with another magnetic material,
  • 6a, 6b schematically show a top view of the permanent magnets embodiments with an additional magnetic element
  • Fig. 7 shows an embodiment of the change in the motor voltage over time of an electric motor according to the invention.
  • Fig. 8 shows an embodiment of the change in current intensity over time of an electric motor according to the invention.
  • FIG. 1 shows schematically essential components of an exemplary permanent magnet electric motor 100 of a device 1 according to the invention in a plan view.
  • the permanently excited electric motor 100 shown therefore represents only one possible example of a design of an electric motor 100 suitable according to the invention, and it is clear to the person skilled in the art that the invention can of course also be used in or with differently designed electric motors.
  • the permanent magnet electric motor 100 can be used in or with a braking system.
  • the electric motor 100 comprises a rotor 200, wherein the rotor 200 comprises a number of armature packages 210, 211, and a stator 300 with an arrangement of permanent magnets 310, 311, wherein at least one permanent magnet 311 of the arrangement of permanent magnets 310, 311 differs from the other permanent magnets 310 of the arrangement in at least one magnetic characteristic, and wherein at least one armature package 211 of the rotor 200 has a recess 220 on the end face facing the stator 300.
  • the permanent magnet electric motor 100 is shown in the embodiment shown in an internal rotor arrangement.
  • the armature packages 210, 211 accommodate the coil windings 230. It should be noted that the invention can be used not only in connection with internal rotor arrangements, but of course also with other arrangements, for example external rotor arrangements.
  • At least one permanent magnet 311 of the arrangement differs from Permanent magnets 310, 311 differ in at least one magnetic characteristic from the other permanent magnets 310 of the arrangement.
  • the permanent magnet 311 differs from the other permanent magnets 310 at least in the magnitude of the magnetic flux density, which can be measured, for example, on the surface of the permanent magnet 311. This means that at least the magnitude of the magnetic flux density of the permanent magnet 311 is greater or smaller than the magnetic flux density of the other permanent magnets 310. As can be seen in Fig. 1, the difference is caused by a local change 320 of the permanent magnet 311.
  • This is located at a position where a passing armature 210, 211 is switched so that during operation, when the rotor 200 rotates, a change in the current signal occurs which can be detected.
  • the motor current is monitored in the electric motor 100.
  • a one-off significant and measurable signal is generated as the reference position of the rotor 200, which is recognized by a connected control device (not shown) and used to determine the position.
  • an armature package 211 has a recess 220 on the front side facing the stator 300.
  • This armature package 211 thus differs in its geometry from the other armature packages 210 of the rotor 200. This makes it possible to detect the deviation in the motor current that occurs when the rotor 200 is oriented so that the permanent magnet 311 and the armature package 211 are opposite each other. In the arrangement shown in Fig. 1, the recess 220 of the armature package is not opposite the permanent magnet 311, which means that there is no deviation in the motor current in the orientation shown.
  • the control device can determine the orientation of the rotor 200 in the stator 300 by calculation, for which purpose the The control device is continuously provided with the speed of the rotor 200. The control device can thus determine the relative orientation of the rotor 200 in relation to the reference position at any time during operation as a function of the speed.
  • an accuracy in position determination can be achieved which is approximately +/- 3° or even approximately +/- 1 °, and which is sufficient for many applications.
  • the resulting weakening of the magnetic field is low enough so that the resulting reduction in the performance of the electric motor is considered acceptable.
  • the reduction in performance of the electric motor 100 is within the tolerance range of the electric motor 100.
  • the permanent magnets 311 it is also possible to design more than one of the permanent magnets 311 to be different in at least one magnetic characteristic, for example two permanent magnets 311. It is also possible to design more than one armature package 211 with a recess, for example two armature packages 211.
  • the electric motor 100 has a total of three permanent magnets 310, 311, which are polarized in opposite directions, as well as nine armature packages 210, 211.
  • the permanent magnets 310, 311 are each polarized in opposite directions, so that there are a total of three magnetic "south poles" and three magnetic "north poles". In the respective central regions in the circumferential direction, the magnetic flux density is therefore zero or almost zero.
  • the permanent magnets 310, 311 are made of ferrite, so that they can be manufactured very cost-effectively. However, other magnetic materials can also be used.
  • the inventive change in the magnetic characteristic of the permanent magnet 311 is achieved by a local change in the permanent magnet 311 at a specific position.
  • this local change is advantageous to arrange this local change at or in the area of the permanent magnet 311 where the magnetic flux density on the surface is as high as possible.
  • This area is a middle area of the corresponding "north pole” or “south pole” of the permanent magnet 311, since the magnetic flux density decreases towards the ends and is also low in the middle area between the north and south poles.
  • a favorable area for arranging the local change is therefore considered to be an area in which the magnetic parameter, in particular the magnetic flux density, is at least 80% of its maximum value, preferably at least 90% and particularly preferably at least 95%. It must also be taken into account that there may be areas or angular positions in which the armature package 200, 211 is short-circuited during operation. Arranging the local change in such an area is unfavorable because no current peak can be detected.
  • Fig. 2a and 2b show, purely for illustrative purposes, the strength of the magnetic flux density along the surface of the permanent magnets 310 facing the rotor 200.
  • Fig. 2a shows the course along the inner surface of the stator 300 with the permanent magnets 310 from Fig. 1. In the example shown, there is still no local change in a magnetic characteristic of the permanent magnets 310.
  • an area with a positive, high magnetic flux density is followed by an area with a negative magnetic flux density on the surface of one of the permanent magnets 310.
  • the areas with high positive or negative magnetic flux density are identified by the reference numeral 330; the zero crossing, which is caused by the change in polarity is marked with 331.
  • the magnetic flux density on the surface of the permanent magnets 310 reaches approximately +/- 130 mT.
  • reference numeral 340 indicates an area in relation to the length in the circumferential direction of a permanent magnet 310, which represents a favorable area for arranging the local change.
  • Fig. 2b only shows a section with positive magnetic flux density.
  • Reference numeral 341 indicates the area around the zero crossing 331 in the transition from one polarity of the permanent magnet 310 to the opposite. This area 341 is rather unfavorable for arranging the local change, since the magnetic flux density here is too low to be able to bring about a measurable change.
  • the local change 320 of the at least one permanent magnet 311 can, for example, comprise a recess 322 on the surface of the at least one permanent magnet 311 facing the rotor 200.
  • Fig. 3 shows schematically some essential components of a permanent magnet electric motor according to the invention from Fig. 1 in a top view with an armature package 211 shown as an example in a detail with a front-side recess 220 and with a permanent magnet 311 with a recess 322 as a local change 320.
  • This achieves a volume reduction in the permanent magnet 311, which has a direct effect on the size of the magnetic flux density of this permanent magnet 311.
  • Spacers 350 are arranged between the permanent magnets 310, 311.
  • the recess 322 is elongated and extends in the axial direction, which makes it particularly easy to insert it into the permanent magnet 311.
  • the recess 322 extends from one end to the opposite end of the permanent magnet 311.
  • the recess 322 can also be designed as a continuous opening 323 or as a continuous slot and can run from the inner wall facing the rotor 200 to the opposite outer wall.
  • Fig. 4 shows a schematic plan view of an electric motor 100 with a permanent magnet 311 with a continuous opening 323.
  • Fig. 5 shows a schematic top view of the electric motor from Fig. 3 with a permanent magnet 311 with a further magnetic material 324.
  • the further magnetic material 324 differs in a magnetic parameter, in the exemplary embodiment in the size of the magnetic flux density, from the further magnetic material of the permanent magnet 311.
  • the permanent magnet 311 comprises a recess as described above to accommodate the magnetic element 324, into which the magnetic element 324 can be inserted. Fastening is carried out by means of gluing or clamping.
  • the magnetic material 324 has a greater magnetic flux density or energy density compared to the material of the permanent magnet 311.
  • the magnetic element 324 comprises a rare earth magnet, for example a neodymium-iron-boron magnet.
  • the local modification 320 of the permanent magnet 311 may also include the inclusion of a non-magnetic material which, during sintering of the ferrite magnet, the position of the local change can be pressed in.
  • a ceramic, non-magnetic element can also be inserted. In this way, a neutral phase can be formed.
  • the difference in the amount of the magnetic flux density or the energy density of the permanent magnet 311 is at least 1%, preferably at least 2% and particularly preferably at least 5% or 10% compared to the corresponding magnetic characteristic of the remaining permanent magnets 310.
  • the magnetic flux density of the at least 1%, preferably at least 2% and particularly preferably at least 5% or 10% is greater or less than the magnetic flux density of the remaining permanent magnets 310, in particular in the corresponding areas of the permanent magnets 310, 311.
  • the difference in the magnitude of the at least one magnetic parameter of the permanent magnet 311, in particular the magnetic flux density or the energy density, is not more than 50%, preferably not more than 40% and particularly preferably not more than 30% compared to the corresponding magnetic parameter of the other permanent magnets 310.
  • the recess 220 of the armature package 211 of the rotor 200 is also elongated and runs in the axial direction on the side facing the stator 300.
  • the recess 220 of the armature package 211 is geometrically adapted to the formation of the local change, for example, the recess 322 of the permanent magnet 311, in particular with regard to the width, i.e. the extension in the circumferential direction.
  • the width of the recess 322 of the permanent magnet 311 (Bp) is selected to be approximately equal to or slightly larger than the width of the recess 220 of the armature package 211 (BA), which has a favorable effect on detectability.
  • Bp ⁇ 1.5 * BA preferably Bp ⁇ 1.3 * BA, particularly preferably Bp ⁇ 1.2 * BA.
  • a corresponding expansion of the recesses 220, 322 in the circumferential direction is advantageous in order to enable a certain reaction time when the rotor rotates, so that the change in the current due to the "new" switching state is correspondingly pronounced and can be detected.
  • the size of the expansion in the circumferential direction should therefore not be chosen to be too small and in the exemplary embodiment is approximately 1 mm, preferably 2 mm or even more. However, the local change should not be so large that the magnetic flux density is no longer fully pronounced.
  • the change in the motor current becomes visible when the respective recesses 220, 322 are virtually congruent with one another during one revolution of the rotor 200.
  • Figures 6a, 6b and 6c show a top view of the permanent magnets
  • FIG. 6a, 6b a non-magnetic element 325
  • the Permanent magnets 310, 311 are shown in a quasi "unwound" state.
  • the additional magnetic element 324 is introduced into a gap between two permanent magnets 310, 311.
  • the directly adjacent additional magnetic element 324 which is therefore arranged between a north and a south pole (315, 316).
  • Fig. 7 shows an exemplary embodiment of the change in the motor voltage over time of an electric motor 100 according to the invention during operation at a constant speed of 2,000 rpm.
  • the rotor 200 comprises a total of nine armature packages 200, 211 and the stator three permanent magnets 310, 311, each with north/south polarity.
  • the differences in the motor voltage in the peaks 401, 402 are clearly visible, with the ninth peak 402 having a significantly lower voltage than the other eight peaks 401, of which only some are provided with reference symbols for the sake of clarity.
  • the change in the ninth peak 402 corresponds to the reference position of the rotor 200 for each revolution at which the armature with the recess 211 is opposite the local change 320.
  • Fig. 8 shows, in a further exemplary embodiment, the change in the current intensity over time of an electric motor 100 according to the invention during operation at a constant speed of 4,920 rpm.
  • the electric motor 100 corresponds to the one mentioned above.
  • the ninth peak 502 shows an increased current intensity
  • the following eight peaks 501 show the normal current intensity, at which the unchanged armature packages 210 pass the permanent magnet.
  • the present invention also relates to a method for
  • Detecting the orientation of a rotor 200 in a permanent magnet Electric motor 100 in operation comprising a device 1 as described above.
  • the invention also relates to a braking system comprising a device 1 as described above.

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  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erkennung der Orientierung eines Rotors, insbesondere in einem Elektromotor. Die Vorrichtung kann beispielsweise für ein Bremssystem eines Fahrzeuges verwendet werden und erlaubt es, im Betrieb des Elektromotors die Orientierung des Rotors zu bestimmen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erkennung der Orientierung eines Rotors
Beschreibung
Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erkennung der Orientierung eines Rotors eines permanenterregten Elektromotors. Die Vorrichtung kann beispielsweise für ein Bremssystem eines Fahrzeuges verwendet werden und erlaubt es, im Betrieb des Elektromotors, vorzugsweise mit Hilfe von Software, die Orientierung des Rotors zu bestimmen.
Viele Einrichtungen in Fahrzeugen benötigen Elektromotoren, beispielsweise Druckpumpen in Bremssystemen. Hierbei können Dämpfungselemente wie Membrane eingesetzt werden, um den Lauf der Druckpumpe bzw. des Kolbenhubs so zu glätten, dass an das Bremssystem angeschlossene Einrichtungen, zum Beispiel Ventile, besser angesteuert werden können, oder weniger Druckimpulse beim Fahrer am Pedal wirken, so dass das Komfort-Empfinden verbessert werden kann.
Die Nutzung einer Membran ist allerdings mit hohen Kosten verbunden, zudem muss entsprechender Raum vorgehalten werden und die Montage kann aufwendig sein.
Wünschenswert ist es demnach, ein Bremssystem zur Verfügung zu stellen, welches ohne derartige Dämpfungselemente auskommt. Hierzu ist allerdings eine genaue Ansteuerung des Elektromotors zur Synchronisierung mit der Druckpumpe dienlich, um die Trenn-Ventile ohne Dämpfungselement in dem Bremssystem entsprechend ansteuern zu können.
Für eine bessere und genauere Ansteuerung des Elektromotors ist dabei die Kenntnis über die Position des Elektromotors, also die aktuelle Orientierung des Rotors in dem Stator, von Vorteil. Verschiedene derzeit verwendete Elektromotoren, insbesondere Bürstenmotoren, geben allerdings keine Positionsdaten an die Steuerung weiter. Eine exakte Positionsbestimmung von Elektromotoren kann zwar beispielsweise mittels Positionssensoren erfolgen, ist jedoch kostenintensiv. Der Verbau derartiger Positionssensoren ist aufwendig; zudem sind größere Anpassungen an den derzeit verwendeten Elektromotoren und damit auch an den Produktionshilfsmitteln für die Herstellung der entsprechenden Bauteile der Elektromotoren erforderlich.
Gefragt sind demnach eine Vorrichtung und ein Verfahren, welche es auf einfache Art ermöglichen, im Betrieb eine Information über die Position eines Elektromotors, insbesondere über die Orientierung des Rotors in dem Stator, zu erhalten.
Die Vorrichtung soll dabei mit möglichst geringem Aufwand und ohne größere bauliche Veränderungen in die bestehenden Systeme integriert werden können.
Dieser Aufgabe haben sich die Erfinder angenommen.
Überraschend einfach wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erkennung der Orientierung eines Rotors eines permanenterregten Elektromotors in einem Bremssystem nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen, deren Inhalt durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht wird.
Die Erfindung betrifft demnach in einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zur Erkennung der Orientierung eines Rotors, vorzugsweise eines permanenterregten Elektromotors in einem Bremssystem, umfassend einen Rotor, wobei der Rotor eine Anzahl an Ankerpaketen umfasst, und einen Stator mit einer Anordnung an Permanentmagneten.
Dabei kann die Anordnung an Permanentmagneten auf der zum Rotor hinweisenden Innenwandung des Stators angeordnet sein, so dass eine Innenläufer-Anordnung ausgebildet werden kann. Auch wenn nachfolgend und anhand der Ausführungsbeispiele im Wesentlichen von Innenläufer-Anordnungen des Elektromotors gesprochen wird, so erkennt der Fachmann, dass sich die dargestellten Ausführungsformen der Erfindung ohne weiteres auch auf Außenläufer-Anordnungen übertragen lassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann sich zumindest ein Permanentmagnet der Anordnung von Permanentmagneten in zumindest einer magnetischen Kenngröße von den übrigen Permanentmagneten der Anordnung unterscheiden.
Die magnetische Kenngröße kann die Größe der magnetischen Flussdichte, beispielsweise gemessen an der Oberfläche des Permanentmagneten, die Größe der magnetischen Energiedichte oder die Größe des magnetischen Energieproduktes des Permanentmagneten umfassen. Das Energieprodukt ist dabei proportional zu der Energiedichte, also der Menge an Energie, die pro Volumeneinheit in einem Permanentmagneten gespeichert ist. Die gesamte Menge an magnetischer Energie ergibt sich aus dem Produkt Energiedichte und Volumen des Permanentmagneten.
Der Unterschied in einer magnetischen Kenngröße kann im Sinne der Erfindung bedeuten, dass sich eine magnetische Kenngröße, beispielsweise die magnetische Flussdichte des zumindest einen Permanentmagneten, betragsmäßig von der korrespondierenden magnetischen Kenngröße, demnach also der magnetischen Flussdichte der übrigen Permanentmagnete der Anordnung, unterscheidet. Die magnetische Flussdichte des zumindest einen Permanentmagneten kann somit im Vergleich zu der magnetischen Flussdichte der übrigen Permanentmagnete der Anordnung größer oder geringer sein. Es versteht sich, dass zum Vergleich korrespondierende Volumen oder Positionen zwischen dem zumindest einen Permanentmagneten und den übrigen Permanentmagneten der Anordnung herangezogen werden. Im Sinne der Erfindung ist es dabei unerheblich, welche Polarität dieser Permanentmagnet aufweist.
Im Sinne der Erfindung ist es günstig, wenn die sich aus dem Unterschied der magnetischen Kenngröße ergebende Änderung im Statormagnetfeld an einer Position liegt, an der ein vorbeidrehender Anker geschaltet ist. Wenn dagegen der Anker im Betrieb der Vorrichtung in diesem Bereich kurz geschlossen sein sollte, so kann keine Änderung im Stromsignal erfolgen und die Orientierung kann nicht detektiert werden.
Die lokale oder vorzugsweise annähernd punktuelle Veränderung einer magnetischen Kenngröße des Stators kann bei Elektromotoren, bei welchen der Motorstrom überwacht wird, auf besonders einfache Weise genutzt werden, um bei einer vollständigen Umdrehung des Rotors im Betrieb der Vorrichtung ein einmaliges signifikantes und messbares Signal als Referenzposition des Rotors zu erhalten, welches durch eine angeschlossene Steuerungseinrichtung erkannt und für die Positionsbestimmung genutzt werden kann.
Im Sinne der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass zumindest ein Ankerpaket des Rotors auf der zum Stator hinweisenden Stirnseite eine Ausnehmung aufweist. Dieses zumindest eine Ankerpaket unterscheidet sich somit in seiner Geometrie von den übrigen Ankerpaketen des Rotors. Hierdurch kann die Erfassung des Signals unterstützt und sichtbar gemacht werden, da die Abweichung im Motorstrom größer ist bei einer Orientierung des Rotors, bei der sich der zumindest eine Permanentmagnet und das zumindest eine Ankerpaket gegenüberliegen. Ohne eine entsprechende Änderung des zumindest einen Ankerpakets wäre bei jedem Ankerpaket eine Schwächung erkennbar und eine eindeutige Zuordnung des erfassten Signals zu einer definierten Orientierung des Rotors erschwert.
In anderen Worten, durch die lokale Veränderung des Magnetfelds eines Permanentmagneten des Stators kann eine einmalige, detektierbare Änderung des Motorstromes bei einer vollständigen Umdrehung des Rotors in einer bestimmten Orientierung hervorgerufen werden, da der magnetische Fluss bei dieser Orientierung des Rotors, also der Referenzposition, infolge der Schwächung des Magnetfeldes verändert, insbesondere leicht geringer ist, wodurch mehr Strom fließen kann. Auf diese Weise kann die Steuerungseinrichtung im Betrieb des Elektromotors die Orientierung des Rotors in dem Stator rechnerisch bestimmen, sofern die absolute Stellung des Rotors zu dem Zeitpunkt des Signals bekannt ist. Hierzu ist es hilfreich, kontinuierlich bzw. in Echtzeit der Steuerungseinrichtung die Drehzahl des Rotors zur Verfügung zu stellen. Die Steuerungseinrichtung kann somit jederzeit im Betrieb die relative Orientierung des Rotors in Abhängigkeit von der Drehzahl in Bezug zu der Referenzposition bestimmen.
Mit einer nur geringen Veränderung der magnetischen Energiedichte eines Permanentmagneten der Anordnung kann eine Genauigkeit in der Positionsbestimmung des Elektromotors erreicht werden, welche bei etwa +/- 3° oder sogar bei etwa +/- 1 ° liegt. Diese Winkelabweichung ergibt sich aus der tatsächlichen Orientierung des Rotors zu einem beliebigen Zeitpunkt im Betrieb im Vergleich zu der rechnerisch ermittelten Orientierung des Rotors anhand der Referenzposition und der verstrichenen Zeit in Verbindung mit der Rotordrehzahl. Auch wenn diese tatsächliche Winkelabweichung im Betrieb etwas größer ist als bei Verwendung eines Positionssensors, so ist sie für die vorgesehenen Anwendungen hinreichend und zudem deutlich kostengünstiger und mit weniger Aufwand zu realisieren.
Die erforderliche Schwächung des Magnetfeldes kann bei der vorgenannten Winkelabweichung entsprechend niedrig gehalten werden, so dass die sich einstellende Leistungsminderung des Elektromotors als hinnehmbar angesehen wird und idealerweise innerhalb des typischen Toleranzbereiches des Elektromotors liegt.
Es ist auch möglich, mehr als einen der Permanentmagnete unterschiedlich in zumindest einer magnetischen Kenngröße auszubilden, beispielsweise zwei Permanentmagnete der Anordnung. Ebenso ist es auch möglich, mehr als ein Ankerpaket mit einer Ausnehmung auszubilden, beispielsweise zwei Ankerpakete.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass zumindest zwei Ankerpakete des Rotors jeweils eine Ausnehmung aufweisen. Hierbei ist es günstig, wenn die zumindest zwei Ankerpakete mit den Ausnehmungen nicht zueinander gegenüberliegend angeordnet sind, was zum einen technisch bedingt sein kann, wenn etwa eine ungerade Anzahl an Ankerpaketen vorgesehen ist und damit keine direkt gegenüberliegende Ankerpaketen vorhanden sind. Zum anderen können in diesem Fall die gemessenen Strompeaks des Motorstromes nicht eindeutig zugeordnet werden, da die Stellung des Exzenters (links oder rechts) nicht bekannt ist und wenn die Ausnehmungen der Ankerpakete gleich dimensioniert sind.
Von daher ist es günstig, wenn im Fall von zumindest zwei Ankerpaketen mit gleichen Ausnehmungen diese in einem Winkel zueinander angeordnet sind, welcher ungleich 180° ist. Der Winkel kann beispielsweise zwischen etwa 20° und 160° betragen Bei einer Anordnung der beiden Ankerpakete mit Ausnehmungen unter einem Winkel von beispielsweise 80° zueinander kann die Exzenter-Position den in diesem Fall zwei Strompeaks zugeordnet werden, und eine noch genauere Bestimmung der Orientierung des Rotors, insbesondere auch in Verbindung mit einer Winkelkorrektur, ist möglich.
In einer nochmals weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest zwei Ankerpakete mit Ausnehmungen vorgesehen sind, wobei sich zumindest zwei Ausnehmungen voneinander unterscheiden. Hierdurch ist es möglich, die beiden Strompeaks bei einer vollständigen Umdrehung des Rotors voneinander zu unterscheiden, so dass die vorstehend genannten Restriktionen hinsichtlich der Winkellage entfallen. Auf diese Weise kann die Positionsbestimmung noch weiter verfeinert werden, bzw. es können mehr als eine Referenzposition pro Umdrehung definiert werden.
Einer möglichen Unwucht der Anordnung, beispielsweise einer Unwucht des Rotors aufgrund der Ausnehmung in einem Ankerpaket, kann in bekannter Weise entgegengewirkt werden, etwa durch zusätzliche Löcher oder Taschen in oder an dem Rotor. Zu berücksichtigen ist allerdings, dass dies zu einer weiteren Schwächung des Magnetfeldes und letztendlich zu einer weiteren Leistungsminderung des Elektromotors führen könnte. Die lokale Veränderung einer magnetischen Kenngröße zumindest eines Permanentmagneten des Stators lässt sich vergleichsweise einfach erzeugen, wodurch die Erfindung eine sehr kostengünstige Lösung zur Positionsbestimmung bereitstellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zudem sehr einfach und mit geringem Aufwand in bestehende Bremssysteme integriert werden.
Die Erfindung ermöglicht damit eine hinreichend exakte Positionsbestimmung bei jeder Umdrehung des Rotors des Elektromotors und ist zudem geschwindigkeitsunabhängig.
In einer günstigen Ausführungsform der Erfindung kann die Anordnung an Permanentmagneten beispielsweise eine durch drei teilbare Anzahl an Permanentmagneten umfassen, zum Beispiel drei, sechs, neun oder mehr Permanentmagnete. Die Anzahl der Ankerpakete des Rotors kann dann darauf unter Berücksichtigung der Kommutierung entsprechend angepasst sein.
Die Permanentmagnete können gemäß einer kostengünstigen Ausführungsform der Erfindung aus Ferrit gebildet sein oder Ferrit umfassen. Selbstverständlich sind aber auch andere magnetische Materialen verwendbar.
Erfindungsgemäß kann ein Gleichstrom-Bürstenmotor als Elektromotor verwendet werden, was eine besonders kostengünstige Ausführungsform darstellt. Die Erfindung ist aber auch für andere, permanenterregte Elektromotoren geeignet.
Wie bereits ausgeführt, reicht es im Sinne der Erfindung aus, wenn die magnetische Kenngröße des zumindest einen Permanentmagneten nur geringfügig verändert wird, so dass es nur zu einer geringfügigen und vernachlässigbaren Veränderung oder Reduzierung die Motorleistung infolge des schwächeren Magnetfeldes kommt.
Eine Veränderung einer magnetischen Kenngröße zumindest eines
Permanentmagneten kann besonders einfach erreicht werden durch eine lokale Veränderung des zumindest einen Permanentmagneten an einer bestimmten Position.
Um eine möglichst hohe Wirkung mit nur einer lokalen Veränderung zu erzielen, ist es günstig, diese lokale Veränderung an oder in demjenigen Bereich des zumindest einen Permanentmagneten anzuordnen, an welchem die magnetische Flussdichte an der Oberfläche möglichst hoch ist. Dieser Bereich ist dabei typischerweise ein mittlerer Bereich des Permanentmagneten, da zu den Enden hin die magnetische Flussdichte abnimmt. Ein günstiger Bereich zur Anordnung der lokalen Veränderung ist daher ein Bereich, bei welchem die magnetische Kenngröße, insbesondere die magnetische Flussdichte, wenigstens 80 % von ihrem betragsmäßigen Maximum, bevorzugt wenigstens 90 % und besonders bevorzugt wenigstens 95 %, beträgt.
Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass es Bereiche bzw. Winkelpositionen geben kann, bei welchen im Betrieb der Anker bzw. die Ankerspule kurzgeschlossen ist. Eine Anordnung der lokalen Veränderung in einem derartigen Bereich ist damit ungünstig, da kein Strompeak detektiert werden kann.
Diese lokale Veränderung des zumindest einen Permanentmagneten kann beispielsweise eine Ausnehmung auf der zum Rotor hingewandten Seite des zumindest einen Permanentmagneten umfassen. Hierdurch kann eine Volumenreduzierung dieses Permanentmagneten erreicht werden, welche sich direkt auf etwa die Größe der magnetischen Flussdichte des Permanentmagneten auswirkt.
Die Ausnehmung kann dabei gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung länglich und in axialer Richtung verlaufend ausgebildet sein, wodurch sie besonders einfach in den Permanentmagneten eingebracht werden kann. Gemäß einer Ausbildung der Erfindung verläuft sie dabei von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende des Permanentmagneten.
Die Ausnehmung kann gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit zwei gegenüberliegenden Seitenwänden und einem Boden ausgebildet sein, wobei die Breite der Ausnehmung vorzugsweise gleich oder größer als die Tiefe der Ausnehmung ist. Es hat sich gezeigt, dass eine eher schmale und tiefe Ausnehmung einen geringeren Effekt auf die Veränderung der magnetischen Flussdichte hat als eine eher breite, weniger tiefe Ausnehmung. Von daher kann es günstig sein, die Ausnehmung mit einer Breite zu versehen, welche betragsmäßig wenigstens so groß ist wie die Tiefe der Ausnehmung.
Die Ausnehmung kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch als durchgehende Öffnung oder als durchgehender Schlitz ausgebildet sein und von der zum Rotor hinweisenden Innenwandung bis zu der gegenüberliegenden außenseitigen Wandung verlaufen.
Gemäß einer nochmals weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann anstelle einer Reduzierung der magnetischen Flussdichte durch die Ausnehmung auch eine lokale Erhöhung der magnetischen Flussdichte oder Energiedichte vorgesehen sein. Die lokale Veränderung kann in diesem Fall also die Aufnahme eines weiteren magnetischen Materials umfassen. Hierzu kann der zumindest eine Permanentmagnet ein magnetisches Element umfassen, welches sich in zumindest einer magnetischen Kenngröße von dem Permanentmagneten unterscheidet.
Bevorzugt kann dieses magnetische Element eine größere magnetische Flussdichte oder Energiedichte aufweisen im Vergleich zu dem Material des zumindest einen Permanentmagneten. Der zumindest eine Permanentmagnet kann zur Aufnahme des magnetischen Elements beispielsweise eine Ausnehmung wie weiter oben beschrieben umfassen, in die das magnetische Element eingefügt werden kann. Die Befestigung kann beispielsweise mittels Kleben oder Klemmen erfolgen.
Das magnetische Element kann zum Beispiel ein Seltenerdmagnet, beispielsweise einen Neodym-Eisen-Bor-Magneten, umfassen, welcher eine deutlich höhere magnetische Flussdichte bzw. Energiedichte im Vergleich zu einem Permanentmagneten aus Ferrit aufweisen kann. Die lokale Veränderung des zumindest einen Permanentmagneten kann gemäß einer nochmals weiteren Ausführungsform der Erfindung auch die Aufnahme eines nicht magnetischen Materials umfassen, welches beim Sintern des Ferritmagneten an der Position der lokalen Veränderung mit verpresst werden kann. Auf diese Weise kann eine neutrale Phase gebildet werden. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Herstellung vergleichsweise einfach ist, da keine nachträgliche Bearbeitung des Permanentmagneten mehr erforderlich ist. Zudem ist diese Ausführungsform auch immun gegenüber einem Aufmagnetisieren durch den Anker, so dass eine besonders lange Lebensdauer ermöglicht wird.
Um ein detektierbares Signal zu erhalten, kann es günstig sein, wenn der betragsmäßige Unterschied der zumindest einen magnetischen Kenngröße, insbesondere der magnetischen Flussdichte oder der Energiedichte, des zumindest einen Permanentmagneten wenigstens 1 %, bevorzugt wenigstens 2 % und besonders bevorzugt wenigstens 5 % oder 10 % im Vergleich zu der korrespondierenden magnetischen Kenngröße der übrigen Permanentmagnete beträgt. So ist zum Beispiel die magnetische Flussdichte des zumindest einen Permanentmagneten wenigstens 1 %, bevorzugt wenigstens 2 % und besonders bevorzugt wenigstens 5 % oder 10 % größer oder geringer als die magnetische Flussdichte der übrigen korrespondierenden Permanentmagnete.
Selbstverständlich ist es auch möglich, einen größeren Unterschied in zumindest einer magnetischen Kenngröße zwischen dem zumindest einen Permanentmagneten und den übrigen Permanentmagneten der Anordnung zu schaffen. Dies kann aber zu größeren konstruktiven Änderungen des zumindest einen Permanentmagneten führen oder sogar zu weiterführenden konstruktiven Änderungen im Bereich des Elektromotors und wird daher als eher ungünstig angesehen. Gemäß einer günstigen Ausführungsform der Erfindung ist daher der betragsmäßige Unterschied der Größe der zumindest einen magnetischen Kenngröße, insbesondere der magnetischen Flussdichte oder der Energiedichte, nicht mehr als 50 %, bevorzugt nicht mehr als 40 % und besonders bevorzugt nicht mehr als 30 % im Vergleich zu der korrespondierenden magnetischen Kenngröße der übrigen Permanentmagnete. Gemäß einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Ausnehmung des zumindest einen Ankerpakets des Rotors ebenfalls länglich ausgebildet und verläuft in axialer Richtung auf der zum Stator hinweisenden Seite. In einer günstigen Ausbildung kann die Ausnehmung des zumindest einen Ankerpaktes geometrisch an die Ausbildung der Ausnehmung des zumindest einen Permanentmagneten angepasst sein, insbesondere im Hinblick auf die Breite.
Es hat sich gezeigt, dass es günstig ist, wenn die Breite der Ausnehmung des Permanentmagneten korrespondierend zu der Breite der Ausnehmung des Ankerpaketes ausgewählt ist. Besonders günstig ist es, wenn die Breite der Ausnehmung des Permanentmagneten (Bp) annähernd gleich oder etwas größer ist als die Breite der Ausnehmung des Ankerpaketes (BA), SO dass gilt:
Bp >= 0,9 * BA, bevorzugt Bp >= 1 ,0 * BA, besonders bevorzugt Bp >= 1 ,01 * BA. Ferner gilt gemäß einer günstigen Ausführungsform: Bp < 1 ,5 * BA, bevorzugt Bp < 1 ,3 * BA, besonders bevorzugt Bp < 1 ,2 * BA.
Es hat sich gezeigt, dass eine kleine Reaktionszeit günstig sein kann, in welcher die Veränderung des Stromes durch den „neuen“ Schaltzustand entsprechend ausgeprägt ist, so dass sie detektiert werden kann. Die Breite ist gemäß einer günstigen Ausführungsform der Erfindung daher auch nicht zu gering gewählt und kann wenigstens 1 mm, bevorzugt wenigstens 2 mm oder auch darüber betragen, sofern es der verfügbare Bauraum ermöglicht.
Die Veränderung des Motorstromes wird hierdurch deutlicher sichtbar, wenn sich bei einer Umdrehung des Rotors die jeweiligen Ausnehmungen quasi deckungsgleich gegenüber liegen, so dass die Detektion dieses Referenzpunktes vereinfacht werden kann. Auf diese Weise kann ein besonders klar erkennbares Signal geschaffen werden, was eindeutig detektierbar ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erkennung der Orientierung eines Rotors in einem permanenterregten Elektromotor eines Bremssystems im Betrieb, umfassend eine Vorrichtung wie vorstehend ausgeführt.
Das Verfahren kann dabei die folgenden Schritte umfassen:
- Erzeugen eines Positionsimpulses im Stromsignal des permanenterregten Elektromotors im Betrieb bei einer Referenzposition, bei der sich der Rotor in einer Orientierung befindet, in welcher das Ankerpaket mit einer Ausnehmung gegenüberliegend zu dem Permanentmagneten des Stators, welcher sich in zumindest einer magnetischen Kenngröße von den übrigen Permanentmagneten der Anordnung von Permanentmagneten des Stators unterscheidet,
- Erkennen des Positionsimpulses durch die Steuerungseinrichtung,
- Rechnerisches Ermitteln der Orientierung des Rotors und damit der Motorposition in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors bei einer weiteren Drehung des Rotors.
Das Verfahren kann weiterhin umfassen:
- Erzeugen eines neuen Positionsimpulses als neuen Referenzwert bei einer erneuten Orientierung des Rotors in der Referenzposition.
Auf diese Weise kann im Betrieb eine kontinuierliche Justierung der Vorrichtung bei jeder vollständigen Umdrehung des Rotors erreicht werden.
In einem nochmals weiteren Aspekt betrifft die Erfindung auch einen permanenterregten Elektromotor und ein Bremssystem, umfassend einen Elektromotor, wobei der Elektromotor eine Vorrichtung wie vorstehend ausgeführt aufweist. Das Bremssystem kann dabei einen Hydraulikblock aufweisen, wobei in dem Hydraulikblock u.a. eine elektromotorische Druckbereitstellungseinrichtung und je angeschossener Radbremse ein Einlassventil und ein Auslassventil angeordnet sein können. Der Hydraulikblock kann mit einem Bremsflüssigkeitsbehälter und den hydraulisch betätigten Radbremsen verbunden sein. Die Druckbereitstellungseinrichtung kann dabei durch den Elektromotor angetrieben werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dazu verwendet werden, das Öffnen und Schließen der Ventile zu verbessern.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher noch den weiteren Schritt umfassen:
- Öffnen und/oder Schließen von mindestens einem Ventil basierend auf der festgestellten Motorposition.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele und den angefügten Ansprüchen.
Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 schematisch wesentliche Bestandteile eines erfindungsgemäßen permanenterregten Elektromotors in einer Draufsicht,
Fig. 2a die Stärke der magnetischen Flussdichte entlang der zum Rotor zugewandten Oberfläche der Permanentmagnete,
Fig. 2b einen günstigen Bereich zur Anordnung der lokalen Veränderung eines Permanentmagneten,
Fig. 3 schematisch wesentliche Bestandteile eines erfindungsgemäßen permanenterregten Elektromotors aus Fig. 1 in einer Draufsicht mit einem beispielhaft in einem Ausschnitt dargestellten Ankerpaket mit stirnseitiger Ausnehmung und mit einem Permanentmagneten mit einer Ausnehmung, Fig. 4 schematisch den Elektromotor aus Fig. 3 in einer Draufsicht mit einem beispielhaft in einem Ausschnitt dargestellten Ankerpaket mit stirnseitiger Ausnehmung und mit einem Permanentmagneten mit einer durchgehenden Öffnung,
Fig. 5 schematisch den Elektromotor aus Fig. 3 in einer Draufsicht mit einem beispielhaft in einem Ausschnitt dargestellten Ankerpaket mit stirnseitiger Ausnehmung und mit einem Permanentmagneten mit einem weiteren magnetischen Material,
6a, 6b schematisch in einer Draufsicht auf die Permanentmagnete Ausführungsbeispiele mit einem zusätzlichen magnetischen Element,
6c schematisch in einer Draufsicht auf die Permanentmagnete
Ausführungsbeispiele mit einem zusätzlichen nicht-magnetischen Element,
Fig. 7 an einem Ausführungsbeispiel die Veränderung der Motorspannung im Zeitverlauf eines erfindungsgemäßen Elektromotors, und
Fig. 8 an einem Ausführungsbeispiel die Veränderung der Stromstärke im Zeitverlauf eines erfindungsgemäßen Elektromotors.
Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen bezeichnen um der Klarheit willen gleiche Bezugszeichen im Wesentlichen gleiche Teile in oder an diesen Ausführungsformen. Zur besseren Verdeutlichung der Erfindung sind die in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsformen jedoch nicht immer maßstabsgerecht gezeichnet. Fig. 1 zeigt schematisch wesentliche Bestandteile eines beispielhaften permanenterregten Elektromotors 100 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer Draufsicht.
Der abgebildete permanenterregte Elektromotor 100 stellt demnach nur ein mögliches Beispiel einer Ausbildung eines erfindungsgemäß geeigneten Elektromotors 100 dar, und es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung selbstverständlich auch in oder mit anders ausgebildeten Elektromotoren zum Einsatz kommen kann.
Der permanenterregte Elektromotor 100 kann in oder mit einem Bremssystem verwendet werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Elektromotor 100 einen Rotor 200, wobei der Rotor 200 eine Anzahl an Ankerpaketen 210, 211 umfasst. und einen Stator 300 mit einer Anordnung an Permanentmagneten 310, 311 , wobei sich zumindest ein Permanentmagnet 311 der Anordnung von Permanentmagneten 310, 311 in zumindest einer magnetischen Kenngröße von den übrigen Permanentmagneten 310 der Anordnung unterscheidet, und wobei zumindest ein Ankerpaket 211 des Rotors 200 auf der zum Stator 300 hinweisenden Stirnseite eine Ausnehmung 220 aufweist.
Der permanenterregte Elektromotor 100 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in einer Innenläufer-Anordnung gezeigt. Die Ankerpakete 210, 211 nehmen dabei die Spulenwicklungen 230 auf. Es sei angemerkt, dass sich die Erfindung nicht nur in Verbindung mit Innenläufer-Anordnungen verwenden lässt, sondern selbstverständlich auch mit anderen Anordnungen, beispielsweise Außenläufer-Anordnungen.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen permanenterregten Elektromotor 100 unterscheidet sich zumindest ein Permanentmagnet 311 der Anordnung von Permanentmagneten 310, 311 in zumindest einer magnetischen Kenngröße von den übrigen Permanentmagneten 310 der Anordnung.
In dem Ausführungsbeispiel unterscheidet sich der Permanentmagnet 311 von den übrigen Permanentmagneten 310 zumindest in der Größe der magnetischen Flussdichte, welche zum Beispiel an der Oberfläche des Permanentmagneten 311 gemessen werden kann. Dies bedeutet, dass zumindest die Größe der magnetischen Flussdichte des Permanentmagneten 311 größer oder kleiner ist als die magnetische Flussdichte der übrigen Permanentmagnete 310. Wie in der Fig. 1 zu erkennen, wird der Unterschied durch eine lokale Veränderung 320 des Permanentmagneten 311 bewirkt.
Diese liegt an einer Position, bei der ein vorbeidrehender Anker 210, 211 geschaltet ist, so dass im Betrieb bei einer Rotation des Rotors 200 eine Änderung im Stromsignal erfolgt, welche detektiert werden kann. Bei dem Elektromotor 100 wird dazu der Motorstrom überwacht. Bei einer vollständigen Umdrehung des Rotors 200 im Betrieb wird dabei ein einmaliges signifikantes und messbares Signal als Referenzposition des Rotors 200 erzeugt, welches durch eine angeschlossene Steuerungseinrichtung (nicht dargestellt) erkannt und für die Positionsbestimmung genutzt wird.
Dazu weist ein Ankerpaket 211 auf der zum Stator 300 hinweisenden Stirnseite eine Ausnehmung 220 auf. Dieses Ankerpaket 211 unterscheidet sich somit in seiner Geometrie von den übrigen Ankerpaketen 210 des Rotors 200. Hierdurch kann die Abweichung im Motorstrom detektiert werden, welche sich einstellt bei einer Orientierung des Rotors 200, bei der der Permanentmagnet 311 und das Ankerpaket 211 gegenüberliegen. Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung liegt die Ausnehmung 220 des Ankerpaketes nicht dem Permanentmagneten 311 gegenüber, was bedeutet, dass bei der abgebildeten Orientierung keine Abweichung im Motorstrom vorhanden ist.
Im Betrieb des Elektromotors 100 kann die Steuerungseinrichtung die Orientierung des Rotors 200 in dem Stator 300 rechnerisch bestimmen, wozu ferner der Steuerungseinrichtung kontinuierlich die Drehzahl des Rotors 200 zur Verfügung gestellt wird. Die Steuerungseinrichtung kann somit jederzeit im Betrieb die relative Orientierung des Rotors 200 in Abhängigkeit von der Drehzahl in Bezug zu der Referenzposition bestimmen.
Mit der dargestellten Ausführungsform des Elektromotors 100 kann eine Genauigkeit in der Positionsbestimmung erreicht werden, welche bei etwa +/- 3° oder sogar bei etwa +/- 1 ° liegt, und welche für viele Verwendungen hinreichend ist.
Dabei ist die sich einstellende Schwächung des Magnetfeldes niedrig genug, so dass die sich einstellende Leistungsminderung des Elektromotors als hinnehmbar angesehen wird. Im vorliegenden Fall liegt die Leistungsminderung des Elektromotors 100 innerhalb des Toleranzbereiches des Elektromotors 100.
Es ist auch möglich, mehr als einen der Permanentmagnete 311 unterschiedlich in zumindest einer magnetischen Kenngröße auszubilden, beispielsweise zwei Permanentmagnete 311 . Ebenso ist es auch möglich, mehr als ein Ankerpaket 211 mit einer Ausnehmung auszubilden, beispielsweise zwei Ankerpakete 211 .
In der abgebildeten Ausführungsform weist der Elektromotor 100 insgesamt drei Permanentmagnete 310, 311 auf, welche gegenläufig gepolt sind, sowie neun Ankerpakete 210, 211. Die Permanentmagnete 310, 311 sind dabei jeweils hälftig gegensätzlich gepolt, so dass insgesamt drei magnetische „Südpole“ und drei magnetische „Nordpole“ vorliegen. In den jeweiligen in Umfangsrichtung mittleren Bereichen beträgt die magnetische Flussdichte damit Null oder annähernd Null.
Die Permanentmagnete 310, 311 sind in dem Ausführungsbeispiel aus Ferrit gebildet, so dass sie sehr kostengünstig hergestellt werden können. Es sind aber auch andere magnetische Materialen verwendbar.
Die erfindungsgemäße Veränderung der magnetischen Kenngröße des Permanentmagneten 311 wird erreicht durch eine lokale Veränderung des Permanentmagneten 311 an einer bestimmten Position. Um eine möglichst hohe Wirkung mit nur einer einzigen lokalen Veränderung zu erzielen, ist es günstig, diese lokale Veränderung an oder in demjenigen Bereich des Permanentmagneten 311 anzuordnen, an welchem die magnetische Flussdichte an der Oberfläche möglichst hoch ist. Dieser Bereich ist ein mittlerer Bereich des entsprechenden „Nordpols“ oder „Südpols“ des Permanentmagneten 311 , da zu den Enden hin die magnetische Flussdichte abnimmt und im mittleren Bereich zwischen Nord- und Südpol ebenfalls gering ist.
Als ein günstiger Bereich zur Anordnung der lokalen Veränderung wird daher ein Bereich angesehen, bei welchem die magnetische Kenngröße, insbesondere die magnetische Flussdichte, wenigstens 80 % von ihrem betragsmäßigen Maximum, bevorzugt wenigstens 90 % und besonders bevorzugt wenigstens 95 %, beträgt. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass es Bereiche bzw. Winkelpositionen geben kann, bei welchen im Betrieb das Ankerpaket 200, 211 kurzgeschlossen ist. Eine Anordnung der lokalen Veränderung in einem derartigen Bereich ist ungünstig, da kein Strompeak detektiert werden kann.
Die Fig. 2a und 2b zeigen rein zur Veranschaulichung die Stärke der magnetischen Flussdichte entlang der zum Rotor 200 zugewandten Oberfläche der Permanentmagnete 310. Hierbei zeigt Fig. 2a den Verlauf entlang der Innenoberfläche des Stators 300 mit den Permanentmagneten 310 aus Fig. 1. In dem gezeigten Beispiel existiert noch keine lokale Veränderung einer magnetischen Kenngröße der Permanentmagnete 310.
In Umfangsrichtung folgt dabei auf einen Bereich mit einer positiven, hohen magnetischen Flussdichte jeweils ein Bereich mit einer negativen magnetischen Flussdichte an der Oberfläche eines der Permanentmagnete 310. Dies stellt die Größe der magnetischen Flussdichte in Umfangsrichtung entlang der Oberfläche der Permanentmagnete 310 dar, wobei jeweils auf einen magnetischen Nordpol 315 ein magnetischer Südpol 316 folgt. Die Bereiche mit hoher positiver oder negativer magnetischer Flussdichte sind mit dem Bezugszeichen 330 gekennzeichnet; der Nulldurchgang, der sich durch den Wechsel der Polarität ergibt, ist mit 331 gekennzeichnet. In dem abgebildete Ausführungsbeispiel erreicht die magnetische Flussdichte an der Oberfläche der Permanentmagnete 310 etwa +/- 130 mT.
In Fig. 2b ist mit dem Bezugszeichen 340 ein Bereich in Bezug auf die Länge in Umfangsrichtung eines Permanentmagneten 310 gekennzeichnet, welcher einen günstigen Bereich zur Anordnung der lokalen Veränderung darstellt. Fig. 2b zeigt dazu nur einen Ausschnitt mit positiver magnetischer Flussdichte. Mit dem Bezugszeichen 341 ist der Bereich um den Nulldurchgang 331 im Übergang von einer Polung des Permanentmagneten 310 zu der gegensätzlichen eingezeichnet. Dieser Bereich 341 ist eher ungünstig für die Anordnung der lokalen Veränderung, da die magnetische Flussdichte hier zu gering ist, um eine messbare Veränderung herbeiführen zu können.
Die lokale Veränderung 320 des zumindest einen Permanentmagneten 311 kann beispielsweise eine Ausnehmung 322 auf der zum Rotor 200 hinweisenden Oberfläche des zumindest einen Permanentmagneten 311 umfassen.
Fig. 3 zeigt schematisch einige wesentliche Bestandteile eines erfindungsgemäßen permanenterregten Elektromotors aus Fig. 1 in einer Draufsicht mit einem beispielhaft in einem Ausschnitt dargestellten Ankerpaket 211 mit stirnseitiger Ausnehmung 220 und mit einem Permanentmagneten 311 mit einer Ausnehmung 322 als lokale Veränderung 320. Hierdurch wird in dem Permanentmagneten 311 eine Volumenreduzierung erreicht, welche sich direkt auf etwa die Größe der magnetischen Flussdichte dieses Permanentmagneten 311 auswirkt. Damit unterscheidet sich dieser Permanentmagnet 311 in einer magnetischen Kenngröße von den übrigen Permanentmagneten 310 der Anordnung. Zwischen den Permanentmagneten 310, 311 sind jeweils Abstandshalter 350 angeordnet.
Die Ausnehmung 322 ist länglich und in axialer Richtung verlaufend ausgebildet, wodurch sie besonders einfach in den Permanentmagneten 311 eingebracht werden kann. Die Ausnehmung 322 verläuft in dem Ausführungsbeispiel von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende des Permanentmagneten 311 .
Die Ausnehmung 322 kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch als durchgehende Öffnung 323 oder als durchgehender Schlitz ausgebildet sein und von der zum Rotor 200 hinweisenden Innenwandung bis zu der gegenüberliegenden außenseitigen Wandung verlaufen. Fig. 4 zeigt hierzu schematisch in einer Draufsicht einen Elektromotor 100 mit einem Permanentmagneten 311 mit einer durchgehenden Öffnung 323.
Gemäß einer nochmals weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann anstelle einer Reduzierung der magnetischen Flussdichte durch die Ausnehmung auch eine lokale Erhöhung der magnetischen Flussdichte oder Energiedichte vorgesehen sein.
Fig. 5 zeigt hierzu schematisch den Elektromotor aus Fig. 3 in einer Draufsicht mit einem Permanentmagneten 311 mit einem weiteren magnetischen Material 324. Das weitere magnetische Material 324 unterscheidet sich in einer magnetischen Kenngröße, in dem Ausführungsbeispiel in der Größe der magnetischen Flussdichte, von dem weiteren magnetischen Material des Permanentmagneten 311 . Der Permanentmagnet 311 umfasst zur Aufnahme des magnetischen Elements 324 eine Ausnehmung wie oben beschrieben, in die das magnetische Element 324 eingefügt werden kann. Die Befestigung erfolgt mittels Kleben oder Klemmen.
Das magnetische Material 324 weist dabei eine größere magnetische Flussdichte oder Energiedichte auf im Vergleich zu dem Material des Permanentmagneten 311 . In dem Ausführungsbeispiel umfasst das magnetische Element 324 ein Seltenerdmagnet, beispielsweise einen Neodym-Eisen-Bor-Magneten.
Die lokale Veränderung 320 des Permanentmagneten 311 kann gemäß einer nochmals weiteren Ausführungsform der Erfindung auch die Aufnahme eines nicht magnetischen Materials umfassen, welches beim Sintern des Ferritmagneten an der Position der lokalen Veränderung mit verpresst werden kann. Anstelle des weiteren magnetischen Elements 324 kann demnach auch beispielsweise ein keramisches, nicht magnetisches Element eingefügt sein. Auf diese Weise kann eine neutrale Phase gebildet werden. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Herstellung vergleichsweise einfach ist, da keine nachträgliche Bearbeitung des Permanentmagneten 311 mehr erforderlich ist. Zudem ist diese Ausführungsform auch immun gegenüber einem Aufmagnetisieren durch den Anker, so dass eine besonders lange Lebensdauer ermöglicht wird.
Um ein detektierbares Signal zu erhalten, beträgt in dem Ausführungsbeispiel der betragsmäßige Unterschied der magnetischen Flussdichte oder der Energiedichte, des Permanentmagneten 311 wenigstens 1 %, bevorzugt wenigstens 2 % und besonders bevorzugt wenigstens 5 % oder 10 % im Vergleich zu der korrespondierenden magnetischen Kenngröße der übrigen Permanentmagnete 310. So ist die magnetische Flussdichte des wenigstens 1 %, bevorzugt wenigstens 2 % und besonders bevorzugt wenigstens 5 % oder 10 % größer oder geringer als die magnetische Flussdichte der übrigen Permanentmagnete 310, insbesondere an den korrespondierenden Bereichen der Permanentmagnete 310, 311.
Selbstverständlich ist es auch möglich, einen größeren Unterschied in zumindest einer magnetischen Kenngröße zwischen dem einen Permanentmagneten 311 und den übrigen Permanentmagneten 310 der Anordnung zu schaffen. Dabei ist der betragsmäßige Unterschied der Größe der zumindest einen magnetischen Kenngröße des Permanentmagneten 311 , insbesondere der magnetischen Flussdichte oder der Energiedichte, nicht mehr als 50 %, bevorzugt nicht mehr als 40 % und besonders bevorzugt nicht mehr als 30 % im Vergleich zu der korrespondierenden magnetischen Kenngröße der übrigen Permanentmagnete 310.
Die Ausnehmung 220 des Ankerpakets 211 des Rotors 200 ist ebenfalls länglich ausgebildet und verläuft in axialer Richtung auf der zum Stator 300 hinweisenden Seite. Wie beispielsweise aus der Fig. 2 ersichtlich ist die Ausnehmung 220 des Ankerpaktes 211 geometrisch an die Ausbildung der lokalen Veränderung, beispielsweise der Ausnehmung 322, des Permanentmagneten 311 angepasst, insbesondere im Hinblick auf die Breite, also die Ausdehnung in Umfangsrichtung.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist die Breite der Ausnehmung 322 des Permanentmagneten 311 (Bp) annähernd gleich oder etwas größer ist als die Breite der Ausnehmung 220 des Ankerpaketes 211 (BA) gewählt, was sich günstig auf die Detektierbarkeit auswirkt. Allgemein ist es günstig, wenn die Breite der Ausnehmung 322 des Permanentmagneten 311 (Bp) annähernd gleich oder etwas größer ist als die Breite der Ausnehmung 220 des Ankerpaketes 211 (BA), SO dass gilt: Bp >= 0,9 * BA, bevorzugt Bp >= 1 ,0 * BA, besonders bevorzugt Bp >= 1 ,01 * BA. Ferner gilt gemäß einer günstigen Ausführungsform: Bp < 1 ,5 * BA, bevorzugt Bp < 1 ,3 * BA, besonders bevorzugt Bp < 1 ,2 * BA. Sofern hier die Breite der Ausnehmung 322 herangezogen wird, so gelten die vorstehenden Angaben sinngemäß auch für die Breite der durchgehenden Öffnung bzw. für die Breite des magnetischen Elements oder des nicht-magnetischen Elements.
Eine korrespondierende Ausdehnung der Ausnehmungen 220, 322 in Umfangsrichtung ist vorteilhaft, um eine gewisse Reaktionszeit bei einer Rotation des Rotors zu ermöglichen, so dass die Veränderung des Stromes durch den „neuen“ Schaltzustand entsprechend ausgeprägt ist und detektiert werden kann. Die Größe der Ausdehnung in Umfangsrichtung sollte daher auch nicht zu gering gewählt sein und beträgt in dem Ausführungsbeispiel etwa 1 mm, bevorzugt 2 mm oder auch darüber. Dabei sollte die lokale Veränderung allerdings nicht so groß dimensioniert sein, dass die magnetische Flussdichte nicht mehr vollständig ausgeprägt ist.
Die Veränderung des Motorstromes wird sichtbar, wenn sich bei einer Umdrehung des Rotors 200 die jeweiligen Ausnehmungen 220, 322 quasi deckungsgleich gegenüber liegen.
Die Figuren 6a, 6b und 6c zeigen in einer Draufsicht auf die Permanentmagnete
310, 311 Ausführungsbeispiele mit einem zusätzlichen magnetischen Element 324
(Fig. 6a, 6b) sowie einem nicht-magnetischen Element 325 (Fig. 6c). Die Permanentmagnete 310, 311 sind dabei quasi in einem „abgewickelten“ Zustand gezeigt. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6a ist das zusätzliche magnetische Element 324 in einen Zwischenraum zwischen zwei Permanentmagnete 310, 311 eingebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist daher nicht ein einziger Permanentmagnet 311 in einer magnetischen Kenngröße verändert, sondern es sind zwei nebeneinander angeordnete Permanentmagnete 311 , welche jeweils an ihren Endpunkten verändert sind durch das direkt angrenzende weitere magnetische Element 324, welches demnach zwischen einem Nord- und einem Südpol (315, 316) angeordnet ist.
Fig. 7 zeigt an einem Ausführungsbeispiel die Veränderung der Motorspannung im Zeitverlauf eines erfindungsgemäßen Elektromotors 100 im Betrieb bei einer konstanten Umdrehungszahl von 2.000 U/min. Der Rotor 200 umfasst dabei insgesamt neun Ankerpakete 200, 211 und der Stator drei Permanentmagnete 310, 311 mit jeweils Nord-/Südpolung. Deutlich erkennbar sind die Unterschiede in der Motorspannung in den Peaks 401 , 402, wobei jeweils der neunte Peak 402 eine signifikant geringere Spannung aufweist als die übrigen acht Peaks 401 , von welchen der Übersichtlichkeit halber nur einige mit Bezugszeichen versehen sind. Die Veränderung jeweils in dem neunten Peak 402 korrespondiert zu der Referenzposition des Rotors 200 bei jeder Umdrehung, bei welcher derjenige Anker mit der Ausnehmung 211 gegenüber der lokalen Veränderung 320 steht.
Fig. 8 zeigt an einem weiteren Ausführungsbeispiel die Veränderung der Stromstärke im Zeitverlauf eines erfindungsgemäßen Elektromotors 100 im Betrieb bei einer konstanten Umdrehungszahl von 4.920 U/min. Der Elektromotor 100 entspricht dabei dem vorstehend genannten. Auch hier ist deutlich zu erkennen, dass jeweils der neunte Peak 502 eine erhöhte Stromstärke zeigt, wohingegen die jeweils nachfolgenden acht Peaks 501 die normale Stromstärke zeigen, bei welchen die unveränderten Ankerpakete 210 den Permanentmagneten passieren.
Die vorliegende Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein Verfahren zur
Erkennung der Orientierung eines Rotors 200 in einem permanenterregten Elektromotor 100 im Betrieb, umfassend eine Vorrichtung 1 wie vorstehend ausgeführt.
In einem nochmals weiteren Aspekt betrifft die Erfindung auch ein Bremssystem, umfassend eine Vorrichtung 1 wie vorstehend ausgeführt.
Bezuqszeichenliste:
100 permanenterregter Elektromotor
200 Rotor
210 Ankerpaket
211 Ankerpaket
220 Ausnehmung
230 Spulenwicklung
300 Stator
310 Permanentmagnet
311 Permanentmagnet
315 Nordpol
316 Südpol
320 lokale Veränderung
322 Ausnehmung
323 durchgehende Öffnung, Schlitz
324 magnetisches Element
325 nicht-magnetisches Element
330 Bereiche mit hoher oder niedriger magnetischer Flussdichte
331 Nulldurchgang
340 geeigneter Bereich
341 Übergangsbereich
350 Abstandshalter
401 , 402 Peak Spannung
501 , 502 Peak Strom

Claims

1 . Vorrichtung (1 ) zur Erkennung der Orientierung eines Rotors (200), vorzugsweise eines permanenterregten Elektromotors (100) in einem Bremssystem, umfassend einen Rotor (200), wobei der Rotor (200) eine Anzahl an Ankerpaketen (210) umfasst, und einen Stator (300) mit einer Anordnung an Permanentmagneten (310), wobei sich zumindest ein Permanentmagnet (311 ) der Anordnung von Permanentmagneten (310, 311 ) in zumindest einer magnetischen Kenngröße von den übrigen Permanentmagneten (310) der Anordnung unterscheidet, und wobei zumindest ein Ankerpaket (211 ) des Rotors (200) auf der zum Stator (300) hinweisenden Stirnseite eine Ausnehmung (220) aufweist.
2. Vorrichtung (1 ) nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (310) aus Ferrit gebildet sind oder Ferrit umfassen.
3. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (100) einen Gleichstrom-Bürstenmotor umfasst.
4. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Kenngröße die betragsmäßige Größe der magnetischen Flussdichte, der magnetischen Energiedichte oder des magnetischen Energieproduktes des Permanentmagneten (310, 311 ) umfasst.
5. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Permanentmagnet (311 ) eine lokale Veränderung (320) umfasst.
6. Vorrichtung (1 ) nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Veränderung (320) in einem Bereich des Permanentmagneten (311 ) angeordnet ist, in welchem die magnetische Kenngröße, insbesondere die magnetische Flussdichte, wenigstens 80 % von ihrem betragsmäßigen Maximum, bevorzugt wenigstens 90 % und besonders bevorzugt wenigstens 95 %, beträgt.
7. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Veränderung (320) des zumindest einen Permanentmagneten (311 ) auf der zum Rotor (200) hinweisenden Innenwandung eine Ausnehmung (322) umfasst, bevorzugt eine längliche, in axialer Richtung verlaufende Ausnehmung (322), besonders bevorzugt von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende des Permanentmagneten (311 ) verlaufend.
8. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Veränderung (320) als durchgehende Öffnung (323) oder als durchgehender Schlitz ausgebildet ist und von der zum Rotor (200) hinweisenden Innenwandung bis zu der gegenüberliegenden außenseitigen Wandung verläuft.
9. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Permanentmagnet (311 ) ein zusätzliches magnetisches Element (324) umfasst, welches sich in zumindest einer magnetischen Kenngröße von dem Permanentmagneten (311 ) unterscheidet.
10. Vorrichtung (1 ) nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Element (324) eine größere magnetische Flussdichte oder Energiedichte aufweist als die magnetische Flussdichte oder Energiedichte der übrigen Permanentmagnete (310), und wobei das das magnetische Element (324) bevorzugt ein Seltenerdmagnet, beispielsweise einen Neodym-Eisen-Bor-Magneten, umfasst.
11. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Permanentmagnet (311 ) ein nicht magnetisches Material (325) umfasst.
12. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der betragsmäßige Unterschied der zumindest einen magnetischen Kenngröße, insbesondere der magnetischen Flussdichte oder der Energiedichte, des zumindest einen Permanentmagneten (311 ) wenigstens 1 %, bevorzugt wenigstens 2 % und besonders bevorzugt wenigstens 5 % oder 10 % im Vergleich zu der korrespondierenden magnetischen Kenngröße der übrigen Permanentmagnete (310) beträgt.
13. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (220) des zumindest einen Ankerpakets (211 ) des Rotors (200) länglich und in axialer Richtung verlaufend ausgebildet ist.
14. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Ankerpakete (211 ) des Rotors jeweils eine Ausnehmung (220) und/oder zwei Permanentmagnete (311 ) jeweils eine Ausnehmung (322) umfassen.
15. Verfahren zur Erkennung der Orientierung eines Rotors (200), umfassend eine Vorrichtung (1 ) zur Erkennung der Orientierung eines Rotors (200), vorzugsweise eines permanenterregten Elektromotors (100) in einem Bremssystem, nach einem der vorstehenden Ansprüche.
16. Bremssystem, insbesondere für ein Fahrzeug, umfassend eine Vorrichtung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 -14.
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