Die Anmeldung betrifft eine Rotationsmaschine nach dem Anspruch 1. Ferner betrifft sie ein Verfahren zum Betrieb der Rotationsmaschine und ein System mit einer Rotationsmaschine.

Rotationsmaschinen zeichnen sich aus durch mindestens einen, bezüglich ei nes Koordinatensystems, fest angeordneten Teil, der im Allgemeinen als Sta tor bezeichnet wird, und durch mindestens einen rotierenden Teil, der im All gemeinen als Rotor bezeichnet wird. Beispiele für Rotationsmaschinen sind unter anderem Motoren, Kompressoren, Turbinen. Ihre Einsatzfelder sind vielfältig. Zum Beispiel können Motoren oder Turbinen als Antriebe eingesetzt werden, die wiederum andere Arbeit verrichtende Maschinen, wie beispiels weise Kompressoren oder Pumpen, antreiben. Rotationsmaschinen können dementsprechend selbst als Antrieb eingesetzt werden oder aber auch als an getriebene Maschine. Auch eine Kombination von Antriebs- und Arbeitsma schine ist möglich, beispielsweise bei Motorkompressoren oder bei Pumpen, wie sie beispielsweise in Herzunterstützungssystemen eingesetzt werden und bei denen ein Motor und eine Pumpe in ein System integriert sind. Dabei ist es auch möglich, dass Pumpen- und Motor-Funktionalität mit nur einem Rotor realisiert werden.

Als Zwischenelement zwischen beweglichem Rotor und fest angeordnetem Stator dienen im allgemeinen Lager, wie beispielsweise Wälzlager, Gleitlager oder auch Magnetlager. Durch Kraftwirkungen auf den Rotor, wie sie bei spielsweise bei Rotation durch Unwuchtkräfte oder während des Einsatzes durch externe Kräfte entstehen, können Rotoren schwingen. Die Schwingun gen enthalten dabei häufig sowohl Komponenten, die zur Drehfrequenz des Rotors korrespondieren und neben der eigentlichen Drehfrequenz auch Har monische der Drehfrequenz enthalten. Darüber hinaus besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass Rotoren mit weiteren, nicht zur Drehfrequenz synchro nen Frequenzen schwingen, beispielsweise mit Resonanzfrequenzen, deren Schwingfrequenz sowohl vom Rotor selbst als auch von der Lagerung des Ro tors abhängt. Ob und welche dieser Resonanzfrequenzen angeregt werden, hängt unter anderem auch von den Krafteinwirkungen auf den Rotor ab.

Prinzipiell werden diese Schwingungen über die Lager auf den Stator übertra gen, so dass diese Schwingungen als Vibrationen auch am Stator mit Vibrati onssensoren messtechnisch erfasst werden können. Für den Dauerbetrieb werden für die zulässigen Schwingwerte im Allgemeinen Grenzwerte vorgege ben.

Im Allgemeinen ist man insofern daran interessiert, die Amplitude der Schwin gungen sowohl im Rotor als auch im Stator gering zu halten, um Verschleiß und Funktionsbeeinträchtigungen entgegenzuwirken. Insbesondere bei Mag netlagermaschinen, d.h., Maschinen bei denen der Rotor durch Magnetkräfte in einer bezüglich des Stators definierten Sollposition gehalten werden soll, besteht häufig eine höhere Beweglichkeit des Rotors, die durch einen Spalt zwischen dem feststehenden Stator und dem drehbar gelagerten Rotor vorge geben ist. Zur Erfassung des Schwingungsniveaus und unter Umständen auch zum aktiven Gegenwirken werden die Schwingungen des Rotors häufig per manent gemessen, insbesondere mit am Stator fest angeordneten Abstands sensoren, die den relativen Abstand zwischen Sensor und Rotor und damit auch zwischen Stator und Rotor messen, so dass aus dem zeitlichen Verlauf dieses Abstandes auf die Rotorschwingungen zurückgeschlossen werden kann.

Obwohl diese Methodik weit verbreitet ist, besteht ein wesentlicher Nachteil darin, dass zur Erfassung der Rotorposition eine vollständige Messkette not wendig ist und darüber hinaus Platz für die Sensorik im Maschinenaufbau be reitgestellt werden muss. Üblicherweise kann eine solche Messkette beispiels weise Komponenten wie Sensoren, Signalkonditionierer, Verstärker und auch Analog/Digital-Umsetzer umfassen. Deshalb kann es in bestimmten Ausfüh rungsformen vorteilhaft sein, die Rotorlageerfassung ohne zusätzliche Senso rik durchzuführen, d.h., die Rotorlage zumindest teilweise mit Mitteln durch zuführen, die ohnehin im Maschinenaufbau vorhanden sind. Man spricht in diesem Falle von sensorloser Rotorlagedetektion. Unter anderem sind solche Systeme in den Patentschriften US9506475B2 und US8226373B2 beschrieben.

Die Aufgabe im Kontext der offenbarten Rotationsmaschine besteht darin, eine Rotorlagedetektion bereitzustellen, mit der eine oder mehrere Kompo nenten, die üblicherweise in einer Messkette zur Rotorlagedetektion verwen det werden, eingespart werden können. Diese Aufgabe wird durch eine Vor richtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsfor men der Erfindung sind in den jeweiligen auf die unabhängigen Ansprüche zu rück bezogenen Ansprüchen angegeben.

Die offenbarte Rotationsmaschine enthält neben einem Stator einen drehbar gelagerten Rotor, der ausgebildet ist, sich bezüglich des Stators zu bewegen. Für die Rotationsmaschine wird ferner eine bezüglich des Stators festste- hende Achse definiert. In einem radialen Abstand zu dieser Achse sind ein o- der mehrere Magnetfeldsensoren bezüglich des Stators feststehend angeord net. Diese Magnetfeldsensoren können dabei explizit die spezielle Fähigkeit besitzen, Messungen für die Rotorlagedetektion durchzuführen. Sie können aber auch Teil anderer Komponenten sein, deren Haupteinsatzgebiet nicht die Durchführung von Messungen für die Rotorlagedetektion ist, sondern bei spielsweise der Antrieb des Rotors. Sie können dann beispielsweise Motorspu len sein, der Haupteinsatzgebiet die Erzeugung Magnetfeldern für die Erzeu gung von Kräften ist, um den Rotor in eine Drehbewegung zu versetzen. Jede der Motorspulen muss insofern ausgebildet sein, jeweils ein zum Antrieb des Rotors geeignetes Magnetfeld zu erzeugen. Die bezüglich des Stators festste hende Achse kann beispielsweise im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse verlaufen und kann beispielsweise dazu genutzt werden, eine Rotorsollposi tion zu definieren.

Die Rotationsmaschine enthält darüber hinaus mindestens eine Messvorrich tung, die ausgebildet ist, Magnetfeldänderungen mit Hilfe der vorgenannten Magnetfeldsensoren zu erfassen. Die Messvorrichtung besitzt dabei auch die Eigenschaft, die von den Magnetfeldsensoren bereitgestellten Signale in Form von elektrischen Spannungen oder elektrischen Strömen so zu transformie ren, dass sie für nachfolgende Verarbeitungsschritte geeignet sind. So kann die Messvorrichtung beispielsweise eine Impedanzanpassung beinhalten, eine Umsetzung von elektrischen Spannungen in elektrische Ströme oder von elektrischen Strömen in elektrische Spannungen, eine Reduzierung oder An hebung der Amplituden von elektrischen Strömen oder Spannungen oder auch eine Analog-Digital-Umsetzung.

Ferner enthält die Rotationsmaschine einen Rotor, der ausgebildet ist, mit ei ner oder mehreren konstanten magnetischen Quellspannungen und mit ei nem oder mehreren der vorgenannten Magnetfeldsensoren jeweils ein oder mehrere elektrische Signale zu erzeugen, die Signalkomponenten aufweisen, die zur Rotordrehfrequenz und zum jeweiligen Abstand zwischen Magnetfeld sensor und Rotor korrespondieren. Dies bedeutet, dass auf dem Rotor mag netfelderzeugende Komponenten angeordnet sind, beispielsweise Perma nentmagneten oder auch Elektromagneten. Bei Rotation erzeugen diese Mag neten ein veränderliches magnetisches Feld. Die vorgenannten Magnetfeld- sensoren sind so angeordnet, dass sie diesem veränderlichen Magnetfeld aus gesetzt sind und Signale erzeugen, die zur Stärke des zum jeweiligen Zeitpunkt vorhandenen Magnetfeldes oder dessen zeitlicher Änderung und räumlicher Ausrichtung korrespondieren. Diese Anordnung ist typisch für Synchronma schinen aber auch für bürstenlose Gleichstrommotoren oder auch Axialfluss motoren und generell für Maschinen, auf deren Rotor beispielsweise Magne ten, beispielsweise Permanentmagneten, angeordnet sind. Die Magnetfeld sensoren können in diesem Falle beispielsweise durch Motorspulen gebildet werden, die im Allgemeinen vom Magnetfeld der auf dem Rotor angeordne ten Magneten durchdrungen werden. Insbesondere bei Rotation des Rotors ergibt sich ein wechselndes Magnetfeld, was zu einer Induktion von elektri scher Spannung in den Motorspulen führt.

Die aus dem mit Magneten ausgerüsteten Rotor und den Magnetfeldsensoren bestehende Anordnung kann auch als Amplituden-Modulator interpretiert werden. Das durch die Rotordrehung erzeugte magnetische Wechselfeld er zeugt in den Magnetfeldsensoren, die beispielsweise als Motorspulen ausge führt sind, eine elektrische Wechselspannung, die im Falle von Spulen propor tional zur Änderung des magnetischen Flusses in den Spulen ist. Der magneti sche Fluss ist dabei zum einen abhängig von der aktuellen Position des Mag neten in Bezug auf die jeweilige Spule. Zum anderen ist der magnetische Fluss jedoch auch abhängig von der Konfiguration des zugehörigen magnetischen Kreises, insbesondere von den verwendeten Materialien sowie den im magne tischen Kreis existierenden Spalten, die Materialien enthalten, die nicht oder nur gering magnetisch leitfähig sind. Insbesondere ist der magnetische Fluss vom Abstand zwischen der jeweiligen Spule und dem jeweiligen Rotormagne ten abhängig. Deshalb wird der magnetische Fluss durch die Rotorposition be züglich einer Spule und dementsprechend auch die elektrische Spannung in der jeweiligen Spule durch den Abstand zwischen Rotor und Spule moduliert. Das entstehende Spannungssignal weist deshalb die Merkmale eines amplitu denmodulierten Signals auf, das durch eine Trägerschwingung und ein Modu lationssignal, welches die Trägerschwingung moduliert, charakterisiert wird. Die Frequenz der Trägerschwingung, die Trägerschwingungsfrequenz, ist in diesem Fall die Frequenz, die sich aus dem Produkt von Rotordrehfrequenz und Polpaarzahl des Rotors ergibt und das Modulationssignal ist der jeweilige Abstand zwischen Spule und Rotor. Die Trägerschwingungsfrequenz liegt da mit in einem Bereich, der mit dem Drehzahlbereich des Motors überlappt o- der eng benachbart zum Drehzahlbereich des Motors ist. Die Polpaarzahl des Rotors bezieht sich auf die magnetischen Pole des Rotors, die in der Nähe des jeweiligen Magnetfeldsensors angeordnet sind und deren Magnetfeld bei Ro tation ausgebildet ist, in den Magnetfeldsensoren eine Spannung zu induzie ren. Die Polpaarzahl errechnet sich aus der Anzahl dieser magnetischen Pole geteilt durch zwei.

Der Rotor mit der beschriebenen Anordnung ist dazu ausgebildet, mit seinen Magneten und dem Abstand zum Magnetfeldsensor ein abstandsmoduliertes Signal erzeugen zu können. Dies ist insbesondere interessant bei Motoren, bei denen Magneten ohnehin auf dem Rotor platziert sind, wie beispielsweise Synchronmotoren oder bürstenlose Gleichstrommotoren oder auch Axialfluss motoren.

Die Rotationsmaschine enthält im Weiteren eine Demodulatoreinheit, die ausgebildet ist, bei von den Magnetfeldsensoren erzeugten oder daraus abgeleiteten Signalen, die Signalkomponenten aufweisen, die zur Rotordreh frequenz und zum jeweiligen Abstand zwischen Magnetfeldsensor und Rotor korrespondieren, eine Demodulation durchzuführen, so dass ein zum Abstand zwischen dem Rotor und dem dem jeweiligen Signal zugeordneten Magnet feldsensor korrespondierendes Signal erzeugt wird.

Bei der Demodulatoreinheit handelt es sich um eine Komponente, die bei spielsweise eine Amplitudendemodulation durchführt. Die Amplitudendemo dulation eines Signals umfasst im Allgemeinen die Umsetzung eines Signalfre quenzbandes, das um eine T räge rschwi ngu ngsf req ue nz definiert ist, in den Bereich um die Frequenz 0 Hz. Die praktische Umsetzung kann beispielsweise mit einem bekannten Einhüllendendemodulator erfolgen oder aber auch durch Multiplikation mit einem sinusförmigen Signal, das die Frequenz der Trägerschwingung aufweist, und anschließende Tiefpassfilterung. Darüber hinaus sind weitere Demodulationsverfahren bekannt, beispielsweise, in dem statt mit einem sinusförmigen Signal mit einem periodischen Signal multipli ziert wird, wobei die Periodenfrequenz oder eine Harmonische der Träger schwingungsfrequenz entspricht. Die beschriebene Multiplikation kann bei spielsweise mit einer elektronischen Mischerschaltung durchgeführt werden. Darüber hinaus kann die Umsetzung eines Frequenzbandes mit Hilfe der Fou riertransformation ausgeführt werden. Ein solches Verfahren wird bevorzugt im digitalen, d.h. zeit- und amplitudendiskreten Bereich angewendet, da hier für die Berechnung der Fouriertransformation schnelle und effiziente Algorith men (Fast Fourier Transform - FFT) verfügbar sind. Es besteht ferner die Möglichkeit, dass bei der Rotationsmaschine mindestens ein Magnetfeldsensor als Spule ausgeführt ist. Werden Spulen, die dann auch als Sensorspulen bezeichnet werden können, als Magnetfeldsensoren genutzt, ist die jeweils induzierte und an den Spulenklemmen messbare Spannung pro portional zur Änderung des magnetischen Flusses in der Spule.

Aus den vorangegangenen Ausführungen ist deutlich geworden und soll an dieser Stelle explizit erwähnt sein, dass es sich bei der Rotationsmaschine um einen Motor handeln kann.

Es ist ebenfalls denkbar, dass mindestens ein Magnetfeldsensor als Motor spule ausgeführt ist und ausgebildet ist, Magnetfeldänderungen zu erfassen und ein für den Antrieb des Rotors geeignetes Magnetfeld zu erzeugen. Dabei ist es möglich, dass, um den Rotor tatsächlich zu bewegen, mehrere Motor spulen jeweils ein zum Antrieb des Rotors geeignetes Magnetfeld erzeugen müssen. Werden stromführende Motorspulen oder Lagerspulen als Magnet feldsensoren genutzt, ist die an den Spulenklemmen messbare Spannung die Summe aus der Induktionsspannung durch die Änderung des magnetischen Flusses in der Spule, der Selbstinduktionsspannung, hervorgerufen durch die Induktivität der Spule und dem resistiven Spannungsabfall am Widerstand des Spulendrahtes. Eine größere Amplitude des magnetischen Wechselflusses führt somit zu einer proportional größeren Wechselspannungskomponente an den Klemmen der Spule. Die Magnetfeldsensoren können auch als differenti elle Hallsensoren ausgeführt sein. Die von den Hallsensoren generierten Sig nale sind proportional zur magnetischen Fluss.

In einem Elektromotor können die Spulen, die ein für den Antrieb des Rotors geeignetes Magnetfeld erzeugen, d.h. die Motorspulen, gleichzeitig für die Er fassung von Magnetfeldänderungen genutzt werden. In diesem Fall können beispielsweise bereits im Motor vorhandene Komponenten diese zusätzliche sensorische Aufgabe übernehmen, gesonderte Sensoren werden also nicht benötigt. Alternativ können aber trotzdem auch andere Sensoren als Magnet feldsensoren Verwendung finden, beispielsweise differentielle Hallsensoren oder Spulen, die keine primär dem Antrieb zugeordneten Motorspulen sind. Die Rotationsmaschine kann auch mit einer Vorrichtung ausgerüstet sein, die die Rotordrehfrequenz zur Verfügung stellt. Dabei besteht die Möglichkeit, dass die Rotordrehfrequenz von der Motorsteuerung zur Verfügung gestellt wird, da diese Information dort gegebenenfalls ohnehin zur Verfügung steht. Darüber hinaus ist aber auch eine Messung der Rotordrehfrequenz möglich, beispielsweise indem eine oder mehrere Markierungen auf dem Rotor aufge bracht und im Betrieb von geeigneten Sensoren erfasst werden. Ein mögliches Beispiel für eine Vorrichtung zur Messung der Rotordrehfrequenz ist unter an derem eine schmale Nut als Markierung und ein auf den Rotor ausgerichteter Abstandssensor, ein sogenannter Keyphasor, der so eingestellt ist, dass er bei Passieren der Nut, die auch als Keyphasor-Nut bezeichnet wird, ein Span nungssignal ausgibt, dass sich von dem von ihm ausgegebenen Spannungssig nal in den Phasen des Rotorumlaufs unterscheidet, in denen sich Keyphasor und Keyphasor-Nut nicht gegenüberstehen. Mit einer Vergleichsvorrichtung kann das vom Keyphasor erzeugte Spannungssignal in einen kurzen Span nungsimpuls pro Rotorumlauf umgesetzt werden, der anschließend von einer Verarbeitungseinheit, beispielsweise einer Zählerbaugruppe, in ein Drehzahl signal umgesetzt werden kann. Ein ähnliches Verfahren ist beispielsweise auch auf optischer Basis möglich. Das Drehzahlsignal kann letztlich in verschiedener Form vorliegen, beispielsweise als Spannung, Strom, als Zahlenwert, in Form eines Impulses pro Umlauf oder auch als periodisches Signal mit einer zur Ro tordrehfrequenz korrespondierenden Frequenz. Prinzipiell kann die Rotord rehfrequenz auch mit einer Frequenzanalyse, beispielsweise einer Fourier transformation durchgeführt werden. Dabei wird ein Magnetsensorsignal in den Frequenzbereich transformiert und mittels einer Peakerkennung die Drehfrequenz detektiert.

Optional ist die Demodulatoreinheit ausgebildet, die Rotordrehfrequenz bei der Demodulation zu verwenden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn, im Unterschied zur Einhüllendendemodulation, die Demodulation im digitalen Bereich mittels eines Computers oder Mikrocontroller unter Verwendung der Fouriertransformation, insbesondere der Diskreten Fouriertransformation mit ihrer effizienten Implementierung, der schnellen Fouriertransformation oder auch beispielsweise mit dem Goertzel-Algorithmus, durchgeführt wird.

Dazu wird das zu demodulierende Signal mit Hilfe der Fouriertransformation in den Frequenzbereich transformiert. Bei der Diskreten Fouriertransforma tion liegt die Fouriertransformierte des Signals in einem abgetasteten Zu stand, d.h. in Form diskreter Werter an Frequenzstützstellen vor. Für die De modulation werden zunächst alle Werte an den Frequenzstützstellen, die nicht zur Trägerschwingungsfrequenz, die zur Rotordrehfrequenz korrespon diert, und dem amplitudenmodulierten Signal gehören, maskiert, d.h. zu Null gesetzt. Die verbliebenen, nicht maskierten Frequenzstützstellen, werden um den Betrag der Trägerschwingungsfrequenz zur Frequenz 0 Hz hin verscho ben. Alle zum Bereich um die Frequenz 0 Hz verschobenen Signalanteile wer den aufaddiert und das resultierende Signal in den Zeitbereich zurücktransfor miert. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt in seiner Einfachheit. Der Nach teil besteht darin, dass die Phasenlage des Abstandssignals verloren geht und somit eine Information, die für die Generierung von Steuersignalen in be stimmten Ausführungsformen wichtig sein kann. Es besteht noch die Möglich keit, zumindest die Leistung der Rotorschwingungen zu bestimmen. Da die Leistung prinzipiell gemäß dem Parseval-Theorem auch im Frequenzbereich bestimmt werden kann, kann die Leistung der Rotorschwingung jedoch auch direkt im Frequenzbereich bestimmt werden. Die Leistung der Schwingung kann genutzt werden, um das jeweils aktuelle Schwingungsniveau zu bewer ten und darauf basierende Steuersignale, wie beispielsweise eine Notabschal tung, zu erzeugen.

Die Rotationsmaschine kann auch mit einer Vorrichtung ausgerüstet sein, die den Rotordrehwinkel zur Verfügung stellt. Der Rotordrehwinkel ist ein durch Rotordrehung entstehender Winkel, der in einer Ebene senkrecht zur Rotati onsachse des Rotors, der Winkelebene, definiert ist und der sich aus der aktu ellen Position eines Referenzpunktes auf dem Rotor, einer Referenzposition dieses Referenzpunktes in Bezug auf den Stator und dem Durchtrittspunkt der Rotationsachse des Rotors durch die Winkelebene, der Scheitelpunkt des Ro tordrehwinkels ist, ergibt. Als Referenzpunkt kann beispielsweise die Keypha- sor-Nut verwendet werden, die auch zur Drehzahlbestimmung genutzt wird. Als Referenzposition bezüglich des Stators ist beispielsweise die Position des Keyphasors geeignet. Der aktuelle Rotordrehwinkel wird schließlich mit Hilfe der aktuellen Drehzahl bestimmt, mit

Rotordrehwinkel = (Rotordrehfrequenz * dt * 360 mod 360)°, wobei dt die verstrichene Zeit ist, seit dem der Referenzpunkt des Rotors letztmalig die Referenzposition bezüglich des Stators passiert hat. Die Zeit kann beispielsweise mit einer Uhr oder einer Zählerbaugruppe gemessen wer den.

Mit bekanntem Rotordrehwinkel kann das vorherig beschriebene Verfahren zur Demodulation im Frequenzbereich um eine Phasenkorrektur ergänzt wer den. Phasenkorrektur bedeutet in diesem Fall, dass auf den Phasenwinkel je des Fourierkoeffizienten ein vom Rotordrehwinkel abhängiger Offset addiert wird, so dass bei der Rücktransformation in den Zeitbereich die Phasenlage des Signals der Phasenlage der Rotorschwingungssignals entspricht.

Darüber hinaus ist es mit dem Rotordrehwinkel möglich, die Demodulation des Signals durch Multiplikation mit einer sinusförmigen Schwingung mit Hilfe einer elektronischen Schaltung durchzuführen. Dazu wird beispielsweise mit Hilfe eines Oszillators eine Frequenz erzeugt, die der Trägerschwingungsfre quenz entspricht und die die Phasenlage der erzeugten Frequenz, beispiels weise mit einem Phasenregelkreis, so eingestellt, dass sie der Phasenlage der Trägerschwingung entspricht. Die Phasenlage kann dabei direkt aus der Pha senlage der Trägerschwingung extrahiert werden oder kann alternativ auch aus dem Rotordreh Winkel berechnet werden.

Optional oder zusätzlich enthält die Rotationsmaschine eine erste Verarbei tungseinheit, die ausgebildet ist, ein oder mehrere elektrische Signale der vor genannten Magnetfeldsensoren zu einem oder mehreren Signalen so zu über lagern und/oder zu filtern, dass der Signalanteil im jeweils resultierenden Sig nal, der eine Information zum Abstand zwischen dem Rotor und dem jeweili gen Magnetfeldsensor enthält, jeweils im Verhältnis zu anderen Signalkompo nenten verstärkt wird.

Diese erste Verarbeitungseinheit kann als analoge Schaltung ausgeführt wer den, und kann beispielsweise Addier- oder Subtrahierschaltungen oder auch Filterschaltungen enthalten, die beispielweise mit Operationsverstärkern rea lisiert sein können. Prinzipiell kann diese erste Verarbeitungseinheit aber auch teilweise oder vollständig digital ausgeführt sein, beispielsweise als digitale Recheneinheit auf der Basis von einem oder mehreren Mikrocontrollern, Pro zessoren, Anwenderspezifischen Schaltungen oder auch in Field Pro- grammable Gate Arrays oder alternativ auch mit diskreten Bauelementen.

Bei einer in der ersten Verarbeitungseinheit möglichen Signalüberlagerung der von den Magnetfeldsensoren gemessenen Signale besteht die Option, bei spielsweise mehrere der gemessenen Signale phasenrichtig so aufzuaddieren, dass Signalkomponenten, die keine Information zur Lage des Rotors enthal ten, ausgelöscht werden. Diese Möglichkeit kann in bestimmten Ausführungs formen vorteilhaft verwendet werden, wenn die Rotationsmaschine beispiels weise ein Elektromotor ist und antriebsbedingte Magnetfeldanteile einen ho hen Anteil der gemessenen Magnetfeldleistung ausmachen oder rotorachsla- geunabgängige Signalkomponenten das Rotorlagesignal überlagern.

Bei einer in der ersten Verarbeitungseinheit möglichen Signalfilterung der von den Magnetfeldsensoren gemessenen Signale besteht die Option, beispiels weise frequenzselektive Filter, beispielsweise Tiefpässe, in bestimmten Aus führungsformen vorteilhaft einzusetzen, so dass alle Signalanteile, die außer halb des Frequenzbandes liegen, das eine Information zur Rotorposition ent hält, in den gemessenen Signalen unterdrückt, d.h. gedämpft werden. Solche zu unterdrückenden Signalanteile können beispielsweise Signalanteile sein, die aus der Motorsteuerung stammen. Motorsteuersignale können beispiels weise pulsweitenmoduliert sein, wobei die Schaltfrequenz der Pulsweitenmo dulation beispielsweise mehrere tausend Hertz betragen kann. Durch Tief passfilterung können die Schaltfrequenz und auch deren Oberwellen unter drückt werden.

Die Rotationsmaschine kann darüber hinaus eine zweite Verarbeitungseinheit enthalten, die dem Demodulator nachgeschaltet ist und die ausgebildet ist, aus den demodulierten Signalen ein oder mehrere Rotorpositionssignale zu erzeugen. Die demodulierten Signale enthalten ein zum Abstand zwischen dem Rotor und dem jeweiligen Magnetfeldsensor korrespondierendes Signal. Da die Änderung des magnetischen Flusses proportional zur Wechselfrequenz des Flusses ist, korrespondiert die Amplitude dieses Abstandssignals nicht nur zum Abstand zwischen Magnetfeldsensor und Rotor sondern auch zur Fre- quenz der T rägerschwingung, die wiederum mit der Rotordrehfrequenz in Zu sammenhang steht. Um diese Abhängigkeit aus dem Signal zu eliminieren, wird zunächst eine drehzahlabhängige Skalierung des Abstandssignals durch geführt und anschließend, mit Hilfe der bekannten Position der Magnetfeld sensoren, und den ermittelten Abstandsinformationen zwischen den Magnet feldsensoren und Rotor die Rotorposition in Bezug auf ein statorfestes Koordi natensystem bestimmt. Dabei handelt es sich in der Regel, jedoch nicht not wendigerweise, um ein kartesisches Koo rd i n a te n syste m . Auf Grundlage dieses Koordinatensystems werden Rotorpositionssignale erzeugt, die für jeden Messzeitpunkt die Koordinaten des Rotors in Bezug auf dieses Koordinaten system darstellen. Vorzugsweise handelt es sich um Koordinaten, die die Ro torposition senkrecht zur Drehachse oder auch parallel zur Drehachse be schreiben.

Die Rotationsmaschine kann auch vorzugsweise eine Steuereinheit enthalten, die ausgebildet ist, aus den Rotorpositionssignalen Steuersignale zu generie ren. Bei der Steuereinheit kann es sich beispielsweise um eine Überwachungs einheit handeln, die beispielsweise bei zu großen Rotorschwi ngu ngen eine Notabschaltung des Gesamtsystems vornimmt, eine Drehzahländerung aus löst, Steuerventile betätigt oder die Ausgabe von Alarmsignalen, beispiels weise optisch oder akustisch, veranlasst. Darüber hinaus kann eine Protokol lierung der Rotorpositionssignale durchgeführt werden. Alternativ kann die Steuereinheit auch als Regeleinrichtung ausgebildet sein, die Steuersignale ge neriert, die über einen oder mehrere Aktuatoren eine oder mehrere Kräfte auf den Rotor ausüben, die die Rotorschwingungen, insbesondere die Lage o- der die Geschwindigkeit des Rotors relativ zu den feststehenden Magnetfeld sensoren, beeinflussen. Bei den Aktuatoren kann es sich beispielsweise um ein Rüttelelement handeln, dass beispielsweise Schwingungen auf den Stator überträgt, wodurch beispielsweise über die Lagerung eine Kraft auf den Rotor übertragen werden kann, die zu einer Dämpfung der Rotorschwingungen füh ren kann. Voraussetzung für eine Dä m pf u ngswi rku ng ist, dass die Vibration des Rüttelelements phasenrichtig erzeugt wird. Andere Aktuatoren zur Aus übung einer Kraft auf den Rotor sind beispielsweise Elektromagneten oder auch Piezo-Aktuatoren. Für ein Monitoring, eine spätere Auswertung des Signale oder auch eine even tuelle Fehlersuche ist es sinnvoll, die Rotationsmaschine optional mit einer Datensammeleinheit auszurüsten oder zu verbinden, die ausgebildet ist, einen oder mehrere ermittelte Positionswerte des Rotors zu speichern. Die Daten sammeleinheit kann dazu in oder an der Rotationsmaschine angebracht sein. Sie kann alternativ aber auch von der Rotationsmaschine räumlich getrennt angeordnet sein, beispielsweise auf einem entfernten Server.

Die Anmeldung für die Rotationsmaschine betrifft auch ein Verfahren, dass die vorherig beschriebene Anordnung verwendet. Wesentliche Kernpunkte des Verfahrens sind, dass in einem ersten Schritt an den Magnetfeldsensoren elektrische Signale gemessen werden und in einem zweiten Schritt diese oder daraus abgeleitete Signale demoduliert werden. Bei den elektrischen Signalen kann es sich um Ströme oder Spannungen handeln, die von den Magnetfeld sensoren erzeugt werden. Die Demodulation kann mit verschiedenen Verfah ren durchgeführt werden, beispielsweise als Einhüllendendemodulation oder aber auch unter Nutzung der Rotordrehfrequenz im Zeit- oder Frequenzbe reich, optional auch unter Nutzung des Rotordrehwinkels.

Vor der Demodulation ist ein optionaler Zwischenschritt vorsehbar, in dem ein oder mehrere elektrische Signale der vorgenannten Magnetfeldsensoren zu einem oder mehreren Signalen so verarbeitet werden, dass der Signalanteil im jeweils resultierenden Signal, der eine Information zum Abstand zwischen dem Rotor und dem jeweiligen Magnetfeldsensor enthält, jeweils im Verhält nis zu anderen Signalkomponenten verstärkt wird. Ausgeführt werden kann diese Aufgabe beispielsweise durch Anwendung frequenzselektiver Filter, wie beispielsweise Tiefpässe, oder auch durch Linearkombination einer oder meh rerer Signale der Magnetfeldsensoren.

Ferner besteht in einem weiteren Verfahrensschritt die Möglichkeit, dass aus den demodulierten Signalen eine Rotorposition und/oder eine lineare Ver schiebungsgeschwindigkeit und/oder eine lineare Beschleunigung der Rotor achse ermittelt wird. Für die Bestimmung der Rotorposition wird vorzugs weise, ausgehend von den bekannten Positionen der Magnetfeldsensoren und mit Hilfe der ermittelten Abstände des Rotors zu den Magnetfeldsenso- ren, die Position des Rotors in Form von Koordinaten eines Koordinatensys tems bestimmt.

In einem optionalen Verfahrensschritt können aus den Rotorpositionssignalen Steuersignale generiert werden. Diese Steuersignale können für eine Überwa chung verwendet werden, um beispielsweise bei zu großen Schwingungswer ten eine Notabschaltung herbeiführen zu können oder aber bestimmte Be triebsparameter zu ändern. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung eine Drehzahländerung auslösen, Steuerventile ansteuern oder die Ausgabe von Alarmsignalen, beispielsweise optisch oder akustisch, bewirken. Darüber hin aus kann eine Protokollierung der Rotorpositionssignale ausgelöst werden.

Ferner können die Steuersignale auch dafür verwendet werden, um, beispiels weise mit Hilfe elektromagnetischer Aktuatoren, Piezo-Aktuatoren oder Rüt telelementen, die Lage oder die Geschwindigkeit des Rotors relativ zu den feststehenden Magnetfeldsensoren zu beeinflussen und so aktiv Schwingun gen entgegenzusteuern. Aktuatoren können beispielsweise Elektromagneten in Form von Motorspulen sein oder auch die Elektromagneten eines aktiven Magnetlagers. Die Steuersignalerzeugung kann beispielsweise mit Hilfe eines Reglers erfolgen, der beispielsweise eine PID-Charakteristik aufweist oder auch optional um weitere Filterelemente ergänzt werden kann. Der Regler kann auch, optional, als multivariater Regler in einer Zustandsraum-Darstel- lung ausgeführt sein, in dem die Reglerparameter über ein Optimierungsver fahren, beispielsweise ein H°°-Verfahren bestimmt werden. Die Beeinflussung von Lage und Geschwindigkeit zielt darauf ab, zum einen die mittlere Position des Rotors zu beeinflussen als auch die Schwingungsneigung des Rotors zu dämpfen.

Wenn die Magnetfeldsensoren als Motorspulen mit einem Mittelabgriff aus geführt sind, ist das offenbarte Verfahren optional ausgebildet, ein oder meh rere Steuersignale zur symmetrischen oder asymmetrischen Ansteuerung von einem oder mehreren Motorspulen zu erzeugen und auf diesem Wege die Lage oder die Geschwindigkeit des Rotors relativ zu den feststehenden Mag netfeldsensoren zu beeinflussen. Bei einer symmetrischen Ansteuerung wird der Steuerstrom so in die Motorspulen einer Phase eingeprägt, sodass die An- Steuerung an der Phasenklemme und damit für die Motorsteuerung nicht be merkbar ist. Bei einer asymmetrischen Ansteuerung, bei beispielsweiser An steuerung von nur einer Motorspule eines Phasenzweiges, heben sich die durch die Ansteuerung bedingten Ströme an der Phasenklemme nicht auf.

In einer weiteren Ausführung wird eine Motorphase oder ein Teil einer Mo torphase mit einem geregelten Bypass, bestehend aus einem Schaltelement, beispielsweise einem Transistor, überbrückt. Der geregelte Bypass führt einen Teil des Motorspulenstroms an der Motorspule vorbei und schwächt somit die vom Stator erzeugte Kraft oder das erzeugte Drehmoment. Der geregelte By pass besitzt einen Steuereingang, welcher vorgibt, wie stark die Abschwä chung wirkt. Der geregelte Bypass ist ein energetisch passives System und er möglicht somit die Integration der Krafterzeugung, beispielsweise zur Dämp fung von Schwingungen, in einen Motor ohne Energieversorgung für die Akto ren.

Ein besonderer Vorteil entsteht bei Kombination eines Rotorpositionssenso relements, welches mit der Drehfrequenz demoduliert wird, mit einem Aktua torelement, welches mit der Drehfrequenz moduliert wird. Demodulation und Modulation heben sich hierbei auf und können entfallen. Dieser Effekt wird hier als Selbstmischung bezeichnet. Hierfür sind insbesondere die Sensorele mente aus Figur 1 bis 15 geeignet. Sensorelemente, welche ein externes Sig nal einprägen sind hierfür nicht geeignet. Durch den Wegfall von Demodulator und Modulator entsteht ein sehr kompaktes Dämpfungssystem, welches in Kombination mit dem geregelten Bypass zusätzlich energetisch passiv aufge baut werden kann (Figur 22). Die Kompaktheit erkauft man sich damit, dass das Positionssignal nicht vorliegt und nicht gemessen oder überwacht werden kann.

Optional ist das offenbarte Verfahren ausgebildet, dass aus den Rotorpositi onssignalen eine einwirkende Kraft oder ein einwirkendes Drehmoment auf den Rotor ermittelt wird. Die Rotorposition gibt nicht nur die Lage bezüglich eines statorfesten Koordinatensystems an, sondern auch die Lage bezüglich eines Lagers, dass zur Lagerung des Rotors verwendet wird. Beispielsweise können Wälz-, Gleit- oder auch Magnetlager verwendet werden. Diese Lager weisen jeweils eine bekannte Steifigkeit auf, so dass, über den Proportionali tätsfaktor Steifigkeit, direkt eine Kraft bestimmt werden kann, mit der der Ro tor in das Lager gedrückt wird. Darüber hinaus ist es möglich, mit dieser ein wirkenden Kraft ein Drehmoment bezüglich eines rotorfesten Punktes zu be stimmen. Bei Verwendung von Aktuatoren für die Regelung der Rotorlage, muss die von den Aktuatoren ausgeübte Kraft bei der Bestimmung der auf den Rotor einwirkenden Kraft bzw. des Drehmoments berücksichtigt werden.

Optional kann das offenbarte Verfahren ausgebildet sein, dass anhand von Ta bellen, welche im Pumpencontroller abgelegt sind, oder simpler, mehrdimen sionaler Approximationen mit Polynomen n-ten Grades (vorzugsweise nicht höher als 4) aus der Rotorposition und dem auf den Rotor einwirkenden Dreh moment auf Strömungskenngrößen wie Druckverteilung, Druckerzeugung o- der Flussmenge geschlossen wird. Dies kann unter anderem auch in Kombina tion mit der Drehzahl und Stromaufnahme des Motors und einer geschätzten Viskosität erfolgen. Ferner kann die Bewegung des Rotors insbesondere des sen Bewegungsfrequenzen dahingehend genutzt werden, um im Bereich der Pumpen Thromben zu detektieren und die Viskosität des Blutes zu schätzen.

Weiterhin kann die optional auf den Rotor einwirkende Kraft oder das auf den Rotor einwirkende Drehmoment ausgewertet werden, um auf Systemparame ter wie Alterung, Verschleiß, Korrosion oder biologischen Bewuchs zu schlie ßen.

Darüber hinaus können im Rahmen des offenbarten Verfahrens optional ein oder mehrere ermittelte Rotorpositionswerte in einer Datensammeleinheit gespeichert werden. Ferner ist es ebenfalls möglich, weitere Sekundärdaten wie die ermittelte Kraft, das Drehmoment sowie weitere geschätzte Parame ter bezüglich Alterung, Verschleiß, Korrosion oder biologischen Bewuchs in der Datensammeleinheit zu speichern.

Im Folgenden werden anhand von Figuren Ausführungsbeispiele gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt

Figur 1: Systemüberblick; Figur 2: Beispiel für einen Rotor und Magnetfeldsensoren in radialer Richtung;

Figur 3a: Beispiel für einen Rotor und Magnetfeldsensoren in axialer Richtung;

Figur 3b: Definition einer bezüglich des Stators feststehenden Achse;

Figur 4a: Beispiel für als Motorspulen ausgeführte Magnetfeldsensoren mit ei nem zweipoligen Rotor;

Figur 4b: Beispiel für als Motorspulen ausgeführte Magnetfeldsensoren mit ei nem vierpoligen Rotor;

Figur 4c: Beispiel für die Definition eines statorfesten Koo rd i n a te n syste m s;

Figur 5: Beispiel für die Verschaltung von Motorspulen und deren Nutzung für die Messung von Magnetfeldern;

Figur 6a: Beispiel für die Vorverarbeitung der Magnetfeldsensorsignale mit frequenzselektiver Filterung;

Figur 6b: Beispiel für die Vorverarbeitung der Magnetfeldsensorsignale mit frequenzselektiver Filterung und Signalkombination;

Figur 6c: Beispiel für die Vorverarbeitung der Magnetfeldsensorsignale mit Signalkombination;

Figur 7a: Beispiel für die Bestimmung der Rotordrehfrequenz und des Rotor drehwinkels mit Hilfe einer Zählerbaugruppe;

Figur 7b: Beispiel für die Bestimmung der Rotordrehfrequenz und des Rotord rehwinkels mit Hilfe der Motorsteuerung;

Figur 8a: Signalbeispiel für eine Amplitudenmodulation im Zeitbereich;

Figur 8b: Signalbeispiel für eine Amplitudenmodulation im Frequenzbereich; Figur 9a: Signalbeispiel für eine Amplitudendemodulation im Zeitbereich;

Figur 9b: Signalbeispiel für eine Amplitudendemodulation im Frequenzbe reich;

Figur 10a: Beispiel für Maskierung im Frequenzbereich;

Figur 10b: Beispiel für Frequenzverschiebung im Frequenzbereich;

Figur 10c: Beispiel für demoduliertes Signal im Frequenzbereich;

Figur 11: Beispiel für Trägersynthese durch Maskierung im Frequenzbereich;

Figur 12a: Beispiel für die Trägersynthese zur Amplitudendemodulation mit Hilfe einer Oszillatorschaltung;

Figur 12b: Beispiel für die Trägersynthese zur Amplitudendemodulation mit Hilfe der Fouriertransformation;

Figur 13a: Beispiel für die Demodulation mit Rotordrehfrequenz im Frequenz bereich ohne Rotordrehwinkel;

Figur 13b: Beispiel für die Demodulation mit Rotordrehfrequenz im Frequenz bereich mit Rotordrehwinkel;

Figur 13c: Beispiel für die Demodulation mit Rotordrehfrequenz und Rotor drehwinkel im Zeitbereich;

Figur 14: die Abbildung der demodulierten Magnetfeldsensorsignale auf ein Koordinatensystem und

Figur 15: Beispiel für die Nutzung der Rotorposition in einem geregelten Ro torlagesystem.

Figur 16a: Einkopplung eines Aktuatorsignals in eine Motorspule Figur 16b: Modulation der Aktuatorkraft in einer Motorspule mit einem gere gelten Bypass

Figur 16c: Einprägen eines Aktuatorsignals in den Mittelabgriff einer Motor phase mittels zusätzlicher Halbbrücke.

Figur 16d: Einprägen eines Aktuatorsignals in den Mittelabgriff einer Motor phase sowie Einprägen eines Kompensationssignals zur Unterdrückung der Beeinflussung des Motortreibers durch das Aktuatorsignal

Figur 17: Allgemeiner Regelkreis zum Ausgleich von Störungen der Rotorposi tion

Figur 18: Modell zum Ausgleich von Störkräften durch Rückkopplung über PID- Regler und Phasenschieber

Figur 19: Beispielhafte Realisierung des Regelkreises aus Figur 17 für eine Pumpe mit Synchronmotor, Messung der Rotorposition mittels Hall-Sensoren und Einkopplung des Aktuatorsignals über einen Trafo

Figur 20: Störkompensation mittels Rüttelelement als Aktuator

Figur 21: Dämpfungsregelkreis mit Selbstmischung

Figur 22: Energetisch passive Realisierung des Dämpfungsregelkreises mit Selbstmischung

Figur 23: Beispielhafter Amplitudengang eines dynamischen Systems mit und ohne aktiver Dämpfung

In Figur 1 werden grundlegenden Syste mkomponenten der Rotorpositionser fassung 300, die Steuereinheit 6 und die Datensammeleinheit 8 dargestellt.

Die Messvorrichtung 1 ist vor allem ausgebildet, auch in Überlagerung zu Mo torsignalen, ein oder mehrere Magnetfelder oder Änderungen dieser Magnet felder zu erfassen, in elektrische Strom- oder Spannungssignale umzuformen und diese Spannungssignale in eine Form zu bringen, dass sie weiter verarbei tet werden können. Die Messvorrichtung 1 umfasst hierzu Magnetfeldsenso ren 12 sowie beispielsweise elektrische Verbinder und Anschlüsse und optio nal Messverstärker, Pegelumsetzer oder Impedanzwandler. Am Ausgang der Messvorrichtung 1 werden für den optionalen Signalkonditionierer 2 elektri sche Signale 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107 oder 110 zur Verfügung ge stellt. Der Signalkonditionierer 2 führt eine Signalvorverarbeitung durch, in dessen Verlauf der Signalanteil, der Informationen zur Rotorposition bezie hungsweise Information zum Abstand zwischen einem Magnetfeldsensor und dem Rotor enthält, gegenüber anderen Signalanteilen relativ verstärkt wird. Dies kann beispielsweise durch frequenzselektive Filterung erfolgen, in dem nur die relevanten Informationen im Signal belassen werden oder auch durch Linearkombination mehrerer Messsignale. Das Ausgangssignal 120 des Signal konditioniere rs 2 wird optional mit dem Analog-Digital-Umsetzer 3 in ein digi tales Signal umgesetzt. Prinzipiell ist es möglich, dass der Analog-Digital-Um setzer 3 in den Signalkonditionierer 2 integriert wird, so dass optional weitere Signalkonditionierungsverfahren auch nach dem Analog-Digital-Umsetzer 3 eingefügt werden können. Das Ausgangssignal 130 des Analog-Digital-Umset zers 3 dient als Eingangssignal für den Demodulator 4, der ausgebildet ist, eine Amplitudendemodulation durchzuführen. Je nach dem, ob der optionale Analog-Digital-Umsetzer 3 verwendet wird, wird die Demodulation analog o- der digital ausgeführt. Optional besteht darüber hinaus die Möglichkeit, dass, mit Hilfe der Vorrichtung 7 zur Bereitstellung der Rotordrehfrequenz 171 und des optionalen Rotordrehwinkels 172, die Rotordrehfrequenz 171 und/oder der Rotordrehwinkel 172 bei der Amplitudendemodulation verwendet wird. Aus den demodulierten Signalen 140 wird in der Vorrichtung 5 mindestens eine Komponente, vorzugsweise mehrere Komponenten der Rotorposition, insbesondere zumindest diejenige Komponente der Rotorposition, welche ge regelt werden kann, bestimmt. Deren Ausgangssignal 150 wird in einer optio nalen Steuereinheit 6 zur Erzeugung von Steuersignalen 160 verwendet. Opti onal können die gemessenen und/oder berechneten Signale und Daten in ei ner Datensammeleinheit 8 gespeichert werden.

In Figur 2 wird eine Anordnung dargestellt, die den Rotor 11, Magnetfeld sensoren 12 in einem kartesischen Koordinatensystem 14 umfasst. Prinzipiell ist das Koordinatensystem 14 feststehend mit Bezug zum Stator 13 definiert, und zwar in einer Ebene senkrecht zur bezüglich des Stators feststehenden Achse 20. Die Rotordrehachsen-Sollposition wird in der Regel in den Koordi natenursprung dieses Koordinatensystems 14 gelegt. Die Magnetfeldsensoren 12 sind in diesem Beispiel jeweils in den Achsen des Koordinatensystems 14 so angeordnet, dass sie von einem rotorgenerierten Magnetfeld durchdrun gen werden können. Der Rotor 11 enthält zumindest in dem axialen Abschnitt der Rotationsmaschine, in dem sich auch die Magnetfeldsensoren 12 befin den, Magneten 25, die in diesem Beispiel als Permanentmagneten, mit Nord pol 26 und Südpol 27, ausgeführt sind, aber auch Elektromagneten sein kön nen. Über den Umfang 18 des Rotors 11 sind dementsprechend eine gerade Anzahl von magnetischen Polen verteilt, so dass bei Rotation des Rotors die Magnetfeldsensoren 12 einem periodisch wechselnden Magnetfeld ausge setzt sind. Die Periodenfrequenz dieses wechselnden Magnetfeldes entspricht dem Produkt aus Rotordrehfrequenz 171 und der Polpaarzahl des Rotors. In diesem Beispiel sind die Magnetfeldsensoren 12 als Spulen ausgeführt, so dass in den Spulen 12 aufgrund des wechselnden magnetischen Flusses je weils eine Spannung Vx bzw. Vy induziert wird, die proportional zur Änderung des magnetischen Flusses ist. Die induzierte Spannung Vx oder Vy hängt da mit sowohl von der Rotordrehfrequenz 171 als auch vom Abstand 141 des Ro tors 11 von der jeweiligen Spule 12 ab, der in diesem Beispiel jeweils eine ra diale Position des Rotors 11 bezüglich der feststehenden Achse 20 darstellt.

Figur 3a zeigt eine Anordnung mit Rotor 11 und Magnetfeldsensor 12. Der Ro tor 11 enthält zumindest an einer Stirnseite einen Magneten 25 mit mindes tens einem Nordpol 26 und einem Südpol 27, so dass der Magnetfeldsensor 12, der sich in einer axialen Richtung beabstandet vom Rotor 11 befindet, vom bei Rotation wechselnden Magnetfeld dieses Magneten 25 durchdrungen werden kann. Der Magnetfeldsensor 12 ist in dieser Abbildung als Spule 12 ausgeführt. Die Spule 12 kann auch als Motorspule ausgeführt sein. Gemäß dem Induktionsgesetz wird in der Spule 12 eine Spannung induziert, die pro portional zur Änderung des magnetischen Flusses ist. Die induzierte Spannung hängt damit sowohl von der Rotordrehfrequenz 171 als auch vom Abstand 140 des Rotors 11 von der Spule 12 ab, der eine axiale Position des Rotors be züglich der feststehenden Position der Spule 12 angibt. Figur 3a zeigt ferner die bezüglich des Stators 13 feststehend definierte Achse 20. Die Rotorachse 19' befindet sich in der geometrischen Mitte des Rotorquerschnitts. Die Rota tionsachse 19 kann, insbesondere bei Rotation bedingt durch externe Kräfte oder Unwuchten, von der Rotorachse 19' und der bezüglich des Stators fest stehend definierten Achse 20 abweichen.

Figur 3b zeigt einen Ausschnitt des Rotors 11 im Bereich eines möglichen La gers 21. Bei dem Lager kann es sich beispielsweise um ein Wälzlager, Gleitla ger oder auch ein Magnetlager handeln. Die Position der bezüglich des Stators 13 feststehenden Achse 20 wird beispielsweise definiert durch den rechten Winkel zwischen der Lagerebene 22 und der Achse 20 sowie durch den Durch trittspunkt 23 der Achse 20 durch die Lagerebene 22, die sich in der Lager mitte befindet, wobei die Lagermitte durch gleiche Beabstandung, r, 24 zu ra dial gegenüberliegenden Elementen des Lagers 21 definiert wird.

Figur 4a zeigt eine axiale Sicht auf eine Anordnung aus Rotor 11 und Stator 13, die typisch ist für eine Elektromotorkonfiguration. Dargestellt sind die Mag netfeldsensoren 12, die in einer Motoranwendung gleichzeitig als Antriebs spulen bzw. Motorspulen dienen können, die ausgebildet sind, ein oder meh rere Magnetfelder für die Erzeugung von Drehmoment zu erzeugen. Die Spu len sind als gegenüberliegende Paare A1-A2, B1-B2 und C1-C3 gekennzeich net. In einer Motoranwendung können diese Paare jeweils elektrisch in Reihe geschaltet werden. Der Rotor 11 enthält eine Anordnung aus Magneten 25 mit einem Pol paar, das aus Nordpol 26 und Südpol 27 besteht.

Figur 4b zeigt analog zur Figur 4a eine axiale Sicht auf eine Anordnung aus Ro tor 11 und Stator 13, die typisch ist für eine Elektromotorkonfiguration. Im Unterschied zur Figur 4a enthält der Rotor 11 eine Anordnung aus Magneten mit zwei Polpaaren, d.h. zwei Nordpolen 26 und zwei Südpolen 27. Prinzipiell können auch mehr als zwei Rotorpolpaare, bestehend aus jeweils einem Nordpol 26 und einem Südpol 27, oder mehr als auch weniger als die abgebil deten drei Spulenpaare, verwendet werden.

Figur 4c zeigt eine axiale Sicht auf eine Anordnung aus Rotor 11 und Stator 13 sowie das bereits definierte Koordinatensystem 14 mit seinen zwei orthogo nal aufeinanderstehenden Achsen. Darüber hinaus sind die durch die Spulen paare A1-A2, B1-B2 und C1-C2 definierten Achsen eingetragen, die durch die Drehwinkel a 15, ß 17 und g 16 von der x-Achse des Koordinatensystems 14 abweichen. Diese Winkel 15, 16 und 17 können genutzt werden, um die be züglich der Sensoren 12 gemessenen Abstände 141 in Koordinaten des Koordi natensystems 14 umzurechnen.

Figur 5 zeigt ein Beispiel die Verschaltung von Elektromotorspulen und deren Nutzung für die Messung von Magnetfeldern, d.h. als Magnetfeldsensoren 12. Dargestellt ist eine Sternschaltung, wobei der Motor für den motorischen Be trieb elektrisch an den Phasen-Anschlüssen 2101, 2102 und 2103 und dem Sternpunkt -Anschluss 2104 angeschlossen wird. Jeder Phasen-Anschluss 2101, 2102 und 2103 ist der Anschluss für eine elektrische Phase 1101, 1102 und 1103 des Motors, die jeweils aus einem Spulenpaar A1-A2, B1-B2 und C1-C2 besteht. Die Phasen 1101, 1102 und 1103 sind im Sternpunkt -Anschluss 2104 elektrisch miteinander verbunden. Darüber hinaus werden die Mittelabgriff- Anschlüsse 2105, 2106 und 2107 definiert. Ferner werden die Spannungen 101, 102, 103, 104, 105, 106 und 107 beispielsweise jeweils gegen Masse ge messen. Zusätzlich zu den über die Phasenanschlüsse 1101, 1102 und 1103 durch eine Motorsteuerung eingeprägten Spannungen oder Ströme werden bei Rotation des Rotors 11 Spannungen in den Spulen 12 induziert, die jeweils über den Spulen 12 Al, A2, Bl, B2 sowie CI und C2 abfallen. Diese Darstellung zeigt somit ein Beispiel für eine elektrische Verschaltung der Magnetfeld sensoren 12, wenn sie als Motorspulen ausgeführt sind. Die Motorspulen sind damit ein Teil der Messvorrichtung 1. Die Spannungen 101, 102, 103, 104,

105, 106, 107 wie auch die jeweils insgesamt über den Spulen 12 abfallenden Spannungen, 110, Val, Va2, Vbl, Vb2, Vcl und Vc2 können durch beispiels weise elektrische Verbinder und Anschlüsse und optional Messverstärker, Pe gelumsetzer oder Impedanzwandler der nachfolgenden Verarbeitung zugäng lich gemacht werden.

Die Signalkonditionierung 2, wird in den Teilen von Figur 6 gezeigt.

Figur 6a zeigt dabei einen Signalkonditionierer 2, der eine Spulenspannung 110 mit einem Filter 31 filtert, das als Tiefpassfilter ausgebildet ist. Durch die Tiefpassfilterung werden höherfrequente, für die Rotorpositionsbestimmung irrelevante Signalanteile aus dem Spulenspannungssignal 110 entfernt. Bei- spielsweise kann es sich bei den irrelevanten Signalanteilen um die pulswei tenmodulierten (PWM) Signale der Motorsteuerung handeln, die hochfre quente Schaltfrequenzen von beispielsweise 4 kHz oder 8 kHz aufweisen kann und deren Oberwellenanteile auf bis in den MHz-Bereich reichen können. Ein Tiefpassfilter, das ausgebildet ist, die pulsweitenmodulierten Signalanteile der Motorsteuerung zu unterdrücken, kann beispielsweise eine Sperrgrenzfre quenz von 3,9 kHz aufweisen, wobei die Sperrgrenzfrequenz die Frequenz ist, oberhalb welcher Signalkomponenten im Signal unterdrückt werden. Die Durchlassgrenzfrequenz eines solchen Tiefpassfilters kann beispielsweise so festgelegt werden, dass die für die Rotorpositionsbestimmung relevanten Sig nalkomponenten das Filter ungedämpft oder mit wenig Dämpfung passieren können. Die minimale Durchlassgrenzfrequenz ergibt sich in einem solchen Beispiel aus der Summe von Trägerschwingfrequenz 176 und maximaler Fre quenz des Modulationssignals 179. Alternativ kann hier auch ein anderes Fil ter 31 genutzt werden, beispielsweise ein Bandpassfilter, wobei das Bandpass filter beispielsweise als obere Durchlassgrenzfrequenz die Durchlassgrenzfre quenz des beschriebenen Tiefpassfilters und als obere Sperrgrenzfrequenz die Sperrgrenzfrequenz des beschriebenen Tiefpassfilters besitzen kann. Die un tere Durchlassgrenzfrequenz des Bandpasses ergibt sich in einem solchen Bei spiel aus der Trägerschwingfrequenz 176 abzüglich der maximalen Frequenz des Modulationssignals 179. Die untere Sperrfrequenz muss kleiner sein als die untere Durchlassgrenzfrequenz, kann aber beispielsweise ansonsten frei gewählt werden.

Figur 6b zeigt die Signalkonditionierung 2 durch Kombination mehrerer Mess signale. Kombiniert werden beispielhaft die Spannung der Phase A 101, die Spannung im Sternpunkt 104 sowie die Spannung am Mittelabgriff A 105. Alle drei Spannungen 101, 104, 105 werden beispielsweise gegen Masse gemes sen. Zunächst werden alle drei Spannungssignale 101, 104 und 105 mit einem Filter 31, das als Tiefpassfilter ausgebildet ist, zur Entfernung der PWM-Sig- nalanteile gefiltert, bevor sie anschließend gewichtet aufaddiert werden. Mit dieser Schaltung können beispielhaft Motorsignalanteile aus dem Spannungs signal entfernt werden, da mit dieser Schaltung die Differenz der in Figur 5 eingeführten Spannungen Val - Va2 ermittelt wird. Beide Spannungen ent halten bei angenommener Gleichheit der Spulen Al und A2 eine auf die Mo- toransteuerung zurückzuführende Spannung Vm sowie die auf das modulierte Rotorpositionssignal zurückzuführende Spannung Vp, die jedoch aufgrund der gegenüberliegenden Anordnung der Spulen Al und A2 unterschiedliche Vor zeichen besitzen. Die in Figur 6b gezeigte Schaltung berechnet somit Span nung

(Val-Va2) /2 = ((Vm+Vp) - (Vm-Vp)) /2 = 2Vp /2 = Vp.

Im Falle eines zweipoligen Läufers hält das Ergebnis der Gleichung ebenfalls.

Dieses Beispiel zeigt, dass die Kombination mehrerer Spulenspannungen 110 in bestimmten Ausführungsformen vorteilhaft zur Reduzierung der nicht für die Rotorpositionsbestimmung relevanten Signalanteile genutzt werden kann. Im konditionierten Signal 120 sind die der Motorsteuerung zugeordneten Sig nalkomponenten unterdrückt.

Figur 6c zeigt eine praktische Umsetzungsmöglichkeit des in Figur 6b gezeig ten Signalkonditionierers 2 mit einem Transformator. Eine Alternative zu einer Transformatorschaltung bieten aus der Literatur bekannte aktive Rechen schaltungen mit Operationsverstärkern.

Figur 7a zeigt eine mögliche Implementierung einer Vorrichtung 7 zur Bereit stellung der Rotordrehfrequenz 171 und optional des Rotordrehwinkels 172. Als eine wesentliche Komponente der Vorrichtung 7 wird beispielhaft eine Zählerbaugruppe 174 gezeigt, die beispielsweise einen internen Zähler in ei nem gleichmäßigen Takt hochzählt. An einem Eingang erhält diese Zählerbau gruppe 174 ein Signal, beispielsweise einen Spannungsimpuls, das von einem Keyphasor 173 generiert wird. Beispielsweise kann dieser vom Keyphasor 173 generierte Spannungsimpuls durch weitere Baugruppen in einen Spannungs impuls umgesetzt werden, der beispielsweise eine einheitliche vorbestimmte Spannung, beispielsweise 5V aufweist und beispielsweise auch eine einheitli che Länge, beispielsweise 50ps. Dieser Spannungsimpuls wird vom Keyphasor 173 immer dann generiert, wenn während einer Umdrehung des Rotors 11 eine Keyphasor-Nut den Keyphasor 173 passiert. Es werden deshalb so viele Spannungsimpulse pro Rotorumdrehung generiert, wie Keyphasor-Nuten auf dem Rotor angeordnet sind. Beispielhaft wird die weitere Verarbeitung des Spannungsimpulses für den Fall erläutert, dass genau eine Keyphasor-Nut auf dem Rotor 11 angeordnet ist. In der Zählerbaugruppe 174 wird der interne Zähler beispielsweise bei einer steigenden Signalflanke des Spannungsimpul ses auf Null zurückgesetzt und der Zählvorgang, der eine getaktete Inkremen tierung des Zählers beinhaltet, gestartet. Die Taktfrequenz wird dabei so fest gelegt, dass pro Rotorumdrehung, auch bei Maximaldrehzahl, eine Vielzahl von Inkrementierungen durchgeführt wird. Bei Eintreffen derselben Flanke des nachfolgenden Spannungsimpulses wird der aktuell anstehende Zähler wert gespeichert, der Zähler auf Null zurückgesetzt und der Zählvorgang er neut gestartet. Die Rotordrehfrequenz 171 wird ermittelt, in dem die Taktfre quenz durch den gespeicherten Zählerwert geteilt wird. Für die Schätzung des Rotordrehwinkels während der nachfolgenden Umdrehung wird beispiels weise der jeweils aktuelle Zählerwert durch den gespeicherten Zählerwert ge teilt und mit 360 multipliziert. Rotordrehfrequenz 171 und Rotordrehwinkel 172 werden am Ausgang der Vorrichtung 7 zur Verfügung gestellt.

Figur 7b zeigt eine alternative Vorrichtung 7 zur Bereitstellung der Rotordreh frequenz 171 und optional des Rotordrehwinkels 172, die bei einigen Motoren implementiert werden kann. Die Rotordrehfrequenz 171 und der Rotordreh winkel 172 liegen beispielsweise in diesem Fall im Motor ohnehin vor und werden durch die Motorsteuerung 175 zur Verfügung gestellt.

Figur 8a zeigt ein Signalbeispiel für die Erzeugung eines amplitudenmodulier ten Signals 180 im Zeitbereich. Das amplitudenmodulierte Signal 180 entsteht aus der Multiplikation einer Trägerschwingung 178 mit einem Modulationssig nal 179. Die Frequenz der T rägerschwingung 178 wird als Trägerschwingungs frequenz 176 bezeichnet. Die Trägerschwingungsfrequenz 176 ist im amplitu denmodulierten Signal 180 sichtbar. Darüber hinaus schwankt die Amplitude des amplitudenmodulierten Signals 180 synchron zum Modulationssignal 179. In der offenbarten Rotationsmaschine entspricht das Modulationssignal 179 dem Abstand 141 zwischen einem Magnetfeldsensor 12 und dem Rotor 11. Das Trägerschwingungssignal entsteht in den Magnetfeldsensoren 12 durch die von den magnetischen Rotorpolen 26, 27 bedingten Änderungen des mag netischen Flusses in den Magnetfeldsensoren 12.

Figur 8b zeigt ein Signalbeispiel für die Erzeugung eines amplitudenmodulier- ten Signals 180 im Frequenzbereich. Das Spektrum, d.h. die Fouriertransfor mierte, des Modulationssignals 179 wird mit dem Spektrum, d.h. der Fourier transformierten der Trägerschwingung 178 gefaltet. Im Ergebnis entsteht das Spektrum, d.h. die Fouriertransformierte des amplitudenmodulierten Signals 180. Das Spektrum des amplitudenmodulierten Signals 180 zeigt das Spekt rum des Modulationssignals 179 jeweils um die Trägerschwingungsfrequenz 176 nach links, d.h. zu negativen Frequenzen, und um die Trägerschwingungs frequenz 176 nach rechts, d.h. zu positiven Frequenzen verschoben.

Figur 9a zeigt ein Signalbeispiel für die Amplitudendemodulation eines amplitudenmodulierten Signals 180 im Zeitbereich. Das amplitudenmodu lierte Signal 180 wird mit der Trägerschwingung 178 multipliziert und im An schluss mit einem Tiefpass gefiltert. Im Ergebnis entsteht das demodulierte Signal 179. Die Notwendigkeit des Tiefpasses wird in Figur 9b deutlich.

Figur 9b zeigt ein Signalbeispiel für die Amplitudendemodulation eines amplitudenmodulierten Signals 180 im Frequenzbereich. Das amplitudenmo dulierte Signal 180, dessen Komponenten um die Trägerschwingungsfrequenz 176 angeordnet sind, wird mit dem Spektrum, d.h. der Fouriertransformier ten, der Trägerschwingung 178 gefaltet. Im Ergebnis wird das Spektrum des Modulationssignals (siehe Figur 8b) in drei Bereichen sichtbar. Um die beiden nicht bei 0 Hz befindlichen Spektralbereiche zu unterdrücken und das Spekt rum des Modulationssignals 179 zurückzugewinnen, wird das Signal mit einem Tiefpass gefiltert (gestrichelter Bereich).

Figur 10 zeigt ein Beispiel für ein Demodulationsverfahren im Frequenzbe reich.

Figur 10a zeigt das Spektrum des amplitudenmodulierten Signals 180. Es ist je weils um die Trägerschwingungsfrequenz 176 angeordnet. Für eine Demodu lation im Frequenzbereich werden alle Signalkomponenten, d.h. Fourierkoeffi zienten, die nicht zum amplitudenmodulierten Signal gehören, durch die Vor richtung zur Maskierung 43 maskiert, d.h. zu Null gesetzt.

Die eigentliche Demodulation wird in Figur 10b gezeigt. Die nach der Maskie rung verbliebenen Signalanteile werden von der ursprünglichen Position zur Frequenz 0Hz verschoben, d.h. kopiert und am Ursprungsort gelöscht. Die Verschiebung erfolgt um einen Frequenzbetrag, der der Trägerschwingungs frequenz 176 entspricht. Nach der Verschiebung an gleicher Stelle befindliche Koeffizienten werden addiert.

Figur 10c zeigt das durch diese Vorgehensweise entstehende Spektrum. Es entspricht dem Spektrum des Modulationssignals 179.

Figur 11 zeigt ein Beispiel für Software basierte Trägersynthese 201 durch Mas kierung im Frequenzbereich. Dazu wird das amplitudenmodulierte Signal 180 im Frequenzbereich so maskiert, dass alle Signalanteile, die nicht zur Träger schwingung 178 gehören, also Frequenzkomponenten besitzen, die nicht die Trägerschwingungsfrequenz 176 aufweisen, durch die Vorrichtung zur Peaker kennung und Maskierung 204 zu Null gesetzt werden. Das auf diese Weise maskierte Signal wird im Rahmen der softwarebasierten Trägersynthese 201 in den Zeitbereich transformiert. Falls die Trägerschwingungsfrequenz 176 nicht bekannt ist, kann sie beispielsweise durch eine Peakerkennung durch die Vorrichtung 204 geschätzt werden.

Figur 12a zeigt eine Möglichkeit, eine Trägerschwingung mit einer elektroni schen Baugruppe zur Trägersynthese 200 zu erzeugen. Bei einer solchen Bau gruppe 200 kann es sich beispielsweise um eine elektronische Oszillatorschal tung handeln, bei der eine Trägerschwingung 178 unter Nutzung der Vorga ben für die Frequenz und Phasenlage, die aus der Rotordrehfrequenz 171 und dem Rotordrehwinkel 172 erzeugt wird. Alternativ dazu kann die Trägersyn these 200 mit Hilfe Mikrocontrollers oder Computers erfolgen, indem ein in einem Speicher abgelegtes Signal abgerufen und mit einem Digital-Analog- Umsetzer in ein elektrisches Spannungssignal umgesetzt wird. In bestimmten Ausführungsformen besteht der Vorteil dieser Methode in einer größeren Fle xibilität und einfacheren Konfigurierbarkeit. Die von der Trägersynthese 200 zu erzeugende Trägerschwingungsfrequenz 176 ergibt sich dabei aus dem Pro dukt von Rotordrehfrequenz und Polpaarzahl des Rotors. Sie wird in der Bau gruppe 205 zur Berechnung der Trägerschwingungsfrequenz 176 berechnet. Die zu erzeugende Phasenlage 177 wir in der Baugruppe 206 zur Berechnung der Phasenlage 177 berechnet. Er muss für jedes Magnetfeldsensorsignal be ziehungsweise zu demodulierende Signal individuell angepasst werden. Er hängt ab von den Positionen des Magnetfeldsensors und des statorfesten Re ferenzpunktes für den Rotordrehwinkel, von der aktuellen Position des rotor festen Referenzpunktes für den Rotordrehwinkel sowie von der Polpaarzahl des Rotors.

Figur 12b zeigt ein Beispiel für eine softwarebasierte Trägersynthese 201 un ter Nutzung der Diskreten Fouriertransformation. Dazu wird ein in den Digital bereich umgesetztes Signal 130 beispielsweise durch die FFT-Transformati- onseinheit 202, die ausgebildet ist, eine schnelle Fouriertransformation (FFT) auszuführen, in den Frequenzbereich transformiert. Das transformierte Signal wird an eine Einheit für Peakerkennung und Maskierung 204, die ausgebildet ist Peaks in der Fouriertransformierten zu erkennen und Frequenzbänder oder Einzelfrequenzen zu maskieren, d.h., zu Null zu setzen, übergeben. Diese Ein heit 204, maskiert alle Bereiche der Fouriertransformierten, die nicht in ei nem vordefinierten Bereich um die Trägerschwingungsfrequenz 176 liegen.

Die T räge rschwi ngu ngsf req ue nz 176 ergibt sich aus dem Produkt aus Rotord rehfrequenz 171 und der Polpaarzahl des Rotors. Das maskierte Signal wird in der iFFT-Einheit, die ausgebildet ist, eine inverse Fouriertransformation (iFFT) durchzuführen, in den Zeitbereich transformiert. Im Ergebnis liegt ein Träger schwingungssignal mit der für die Demodulation geeigneten Trägerschwin gungsfrequenz 176 und Phasenlage 177 vor.

Figur 13 zeigt verschiedene Beispiele für den Demodulator in Zeit- und Fre quenzbereich.

In Figur 13a ist ein Beispiel für den Demodulator 4 im Frequenzbereich mit Nutzung der Rotordrehfrequenz 171 und ohne Rotordrehwinkel 172. Dabei wird das digital vorliegende Signal 130 mit Hilfe der schnellen Fouriertransfor mation (FFT) 41 in den Frequenzbereich transformiert. In der Fouriertransfor mierten wird eine Maskierung 43 durchgeführt, d.h., alle nicht in der Umge bung der Trägerschwingungsfrequenz 176 liegenden Frequenzkomponenten werden zu Null gesetzt. Die Trägerschwingungsfrequenz 176 wird von der Ein heit 205 für die Berechnung der Trägerschwingungsfrequenz 176 zur Verfü gung gestellt. Sie ergibt sich aus dem Produkt von Rotordrehfrequenz 171 und der Polpaarzahl des Rotors. Es ist darauf zu achten, dass die Maskierung 43 sowohl für zu positiven als auch für zu negativen Frequenzen korrespondie renden Frequenzstützstellen durchzuführen ist. Im Weiteren erfolgt eine Ver schiebung 44 der verbleibenden Frequenzkomponenten um den Betrag der Trägerschwingungsfrequenz 176 in Richtung der Frequenz 0 Hz. Dabei werden verschobene Frequenzen zu bereits um 0 Hz vorhandenen Frequenzanteilen jeweils komplex aufaddiert. Das resultierende Signal wird mit Hilfe einer inver sen schnellen Fouriertransformation in den Zeitbereich zurücktransformiert. Das resultierende Signal 140 enthält keine korrekte Phaseninformation und kann deshalb nicht zur Berechnung der Rotorposition genutzt werden. Aller dings kann seine Leistung dazu verwendet werden, das aktuelle Schwingungs niveau des Rotors abzuschätzen.

Zusätzlich zu den in Figur 13a gezeigten Verarbeitungsstufen wird im Beispiel von Figur 13b eine Phasenkorrektur durchgeführt. Die Phasenkorrektur jedes der in Richtung 0Hz verschobenen Fourierkoeffizienten wird dabei so ausge führt, dass sich der Betrag der korrigierten Phase aus dem Betrag der Diffe renz zwischen der unkorrigierten Phase und dem Phasenwert der Träger schwingungsfrequenz 176 ergibt.

Figur 13c zeigt ein Beispiel für die Demodulation mit Trägerschwingungsfre quenz 176 und Phasenlage 177 im Zeitbereich. Hierbei wird das digital vorlie gende Signal 130 mit dem von der Baugruppe zur Trägersynthese 201 synthe tisierten Kosinussignal, das die Trägerschwingungsfrequenz 176 und die ge schätzte Phasenlage 177 aufweist, mit Hilfe eines Multiplizierers 46 und einer anschließenden Tiefpassfilterung demoduliert. Der Tiefpass kann sowohl im Zeitbereich als digitales Filter realisiert werden oder auch im Frequenzbereich durch Maskierung zu entfernender Frequenzkomponenten.

Figur 14 zeigt ein Beispiel für die Vorrichtung 5 zur Berechnung der Rotorposi tion. Die Vorrichtung 5 enthält als erste Verarbeitungsstufe eine drehzahlab hängige Skalierung 51, die unter Nutzung der Rotordrehfrequenz 171 und der Information zur Polpaarzahl des Rotors einen drehzahlabhängigen Korrek- turfaktor berechnet. Dieser Korrektfaktor berücksichtigt, dass, wenn beispiels weise die Magnetfeldsensoren als Spulen ausgeführt sind, die induzierte Span nung proportional zur Änderung des magnetischen Flusses ist. Die Änderung des magnetischen Flusses ist jedoch direkt von der Rotordrehfrequenz 171 ab hängig so dass dieser Effekt bei der Berechnung des Abstandes zwischen ei nem Magnetfeldsensor und dem Rotor eliminiert werden muss. Die drehzahl abhängige Skalierung 51 kann dabei beispielsweise als eine Tabelle oder ein Kennfeld ausgeführt und in einem Computer oder Mikroprozessor implemen tiert sein.

Die auf diese Weise korrigierten Abstandswerte werden anschließend für die Bestimmung der Rotorposition genutzt. Dazu wird für jeden Abstandswert eine Abweichung von einem vorgegebenen Sollwert berechnet, in dem von den korrigierten Abstandswerten jeweils der vordefinierte Sollwert subtra hiert wird. Über die bekannten Winkel a 15, ß 17 und g 16, die den Winkel Ver satz der durch die Magnetfeldsensoren 12 definierten Achsen gegenüber dem Koordinatensystem 14 angeben, kann die Position des Rotors von der jeweili gen Magnetfeldsensorachse auf die Koordinatenachsen des Koordinatensys tems 14 über trigonometrische Beziehungen abgebildet werden. Die sich aus den verschiedenen Magnetfeldsensoren 12 ergebenden Koordinaten im Koor dinatensystem 14 können beispielsweise durch Mittelwertbildung kombiniert werden.

Figur 15 zeigt anhand eines Beispiels für einen Motor, wie das Rotorpositions signal 150 für die Steuerung eines Aktuators genutzt werden kann. Interessant an diesem Beispiel ist, dass die Motorspulen, die ohnehin für die Erzeugung eines Antriebsmagnetfeldes benötigt werden, als Magnetfeldsensoren 12 und auch als Aktuatoren verwendbar sind. Figur 15 zeigt, dass beispielsweise die Rotorpositionserfassung im Phasenzweig C 1103 mit den über den Spulen CI und C2 gemessenen elektrischen Spannungen erfolgt. Ein Regler 400, bei spielsweise ein PID-Regler, der gegebenenfalls durch weitere Übertragungs elemente ergänzt werden kann, berechnet Steuersignale, die dazu dienen, den Rotor in einer bestimmten Position zu halten oder aber auch, um das Schwingverhalten des Rotors zu dämpfen. Die Steuersignale werden mit dem Amplitudenmodulator 260 so transformiert, dass sie bezüglich des Rotordreh winkels 172 eine Phasenlage besitzen, die zu einem stabilen Regelkreis führt. Das modulierte Signal wird mit Hilfe einer gesteuerten Stromquelle 243 in die Primärwicklung 242 eines Transformators eingeprägt, der zusammen mit den Sekundärwicklungen 240 und 241 die Aktuator-Einkoppeleinheit 210 bildet. Über die Sekundärwicklungen 240 und 241 wird ein Strom 230 in die Spule Al eingeprägt und ein Strom 231 in die Spule A2 einprägt, wobei die Ströme in diesem Beispiel so orientiert sind, dass sie sich ihre Wirkung am Phasenan schluss A 2101 gegenseitig aufhebt und somit auch keinen Einfluss auf Span nungen und Ströme an den anderen Phasenanschlüsse 2102 und 2103 ausübt. Diese symmetrische Art und Weise, den Strom in die Phase A 1101 einzuprä gen kann alternativ durch eine asymmetrische Art und Weise für die Einprä gung des Stroms ersetzt werden, in dem man beispielsweise die Aktuator-Ein- koppeleinheit 210 lediglich in eine Spule 12 Al oder A2 einkoppeln lässt.

Die vorliegende Offenbarung schließt unter anderem die folgenden Aspekte ein:

1. Rotationsmaschine mit einem Stator (13) und einem drehbar gelagerten Rotor (11), der aus gebildet ist, sich bezüglich des Stators (13) zu bewegen, wobei in ei nem radialen Abstand von einer bezüglich des Stators (13) festste henden Achse (20) ein oder mehrere Magnetfeldsensoren (12) be züglich des Stators (13) feststehend angeordnet sind, mindestens einer Messvorrichtung (1), die ausgebildet ist, Magnet feldänderungen mit Hilfe der vorgenannten Magnetfeldsensoren (12) zu erfassen, einem Rotor (11), der ausgebildet ist, mit einer oder mehreren kon stanten magnetischen Quellspannungen und mit einem oder mehre ren der Magnetfeldsensoren (12) jeweils ein oder mehrere elektri sche Signale (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 110) zu erzeugen, die Signal komponenten aufweisen, die zur Rotordrehfrequenz (171) und zum jeweiligen Abstand zwischen Magnetfeldsensor (12) und Rotor (11) korrespondieren, gekennzeichnet durch eine Demodulatoreinheit (4), die ausgebildet ist, bei von den Magnet feldsensoren (12) erzeugten oder daraus abgeleiteten Signalen (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 110, 120, 130), die Signalkomponenten aufweisen, die zur Rotordrehfrequenz (171) und zum jeweiligen Ab stand zwischen Magnetfeldsensor (12) und Rotor (11) korrespondie- ren, eine Demodulation durchzuführen, so dass ein zum Abstand zwi schen dem Rotor (11) und dem dem jeweiligen Signal zugeordneten Magnetfeldsensor (12) korrespondierendes Signal (140) erzeugt wird.

2. Rotationsmaschine nach Aspekt 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ro tationsmaschine ein Motor ist.

3. Rotationsmaschine nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (12) als Spulen ausgeführt sind und/oder als Motorspulen ausgeführt sind und ausgebildet sind, Magnetfeldän derungen zu erfassen und ein für den Antrieb des Rotors geeignetes Magnetfeld zu erzeugen.

4. Rotationsmaschine nach einem der vorhergehenden Aspekte, gekenn zeichnet durch eine Vorrichtung (7), die ausgebildet ist, die Rotordrehfrequenz (171) bereitzustellen,

Demodulatoreinheit (4), die ausgebildet ist, die Rotordrehfrequenz (171) bei der Demodulation zu verwenden.

5. Rotationsmaschine nach einem der vorhergehenden Aspekte, gekenn zeichnet durch eine erste Verarbeitungseinheit (2), die ausgebildet ist, ein oder mehrere elektrische Signale (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 110) der vorgenannten Magnetfeldsensoren (12) zu einem oder mehreren Sig nalen (120) so zu überlagern und/oder zu filtern, dass der Signalanteil im jeweils resultierenden Signal, der eine Information zum Abstand (141) zwischen dem Rotor (11) und dem jeweiligen Magnetfeldsensor (12) ent hält, jeweils im Verhältnis zu anderen Signalkomponenten verstärkt wird.

6. Rotationsmaschine nach einem der vorhergehenden Aspekte, gekenn zeichnet durch eine zweite Verarbeitungseinheit (5), die dem Demodulator (4) nach geschaltet ist und die ausgebildet ist, aus den demodulierten Signalen (140) ein oder mehrere Rotorpositionssignale (150) zu erzeugen und vorzugsweise eine Steuereinheit (6), die ausgebildet ist, aus den Ro torpositionssignalen (150) Steuersignale (160) zu generieren.

7. Rotationsmaschine nach einem der vorhergehenden Aspekte, gekenn zeichnet durch eine Datensammeleinheit (8), die ausgebildet ist, einen o- der mehrere ermittelte Positionswerte des Rotors (150) zu speichern.

8. Verfahren unter Verwendung einer Anordnung nach einem der vorherge henden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere elektrische Signale (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 110) an den Magnetfeldsensoren (12) gemessen werden und ein oder mehrere an den Magnetfeldsensoren (12) gemessene oder daraus abgeleitete Signale (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 110, 120, 130) demoduliert werden.

9. Verfahren nach Aspekt 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotordrehfre quenz (171) zur Demodulation und vorzugsweise der Rotordrehwinkel (172) zur Demodulation genutzt wird.

10. Verfahren nach einem der Aspekte 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere elektrische Signale (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 110) der vorgenannten Magnetfeldsensoren (12) zu einem oder mehre ren Signalen (120) so verarbeitet werden, dass der Signalanteil im jeweils resultierenden Signal, der eine Information zum Abstand (141) zwischen dem Rotor (11) und dem jeweiligen Magnetfeldsensor (12) enthält, je weils im Verhältnis zu anderen Signalkomponenten verstärkt wird.

11. Verfahren nach einem der Aspekte 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus den demodulierten Signalen (140) mindestens eine oder meh rere Komponenten einer Rotorposition (150) und/oder eine lineare Ver schiebungsgeschwindigkeit und/oder eine lineare Beschleunigung der Ro torachse (19') ermittelt wird.

12. Verfahren nach Aspekt 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Rotor positionssignalen (150) Steuersignale (160) generiert werden. 13. Verfahren nach einem der Aspekte 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Rotorpositionssignalen (150) eine einwirkende Kraft und/o der ein einwirkendes Drehmoment auf den Rotor ermittelt wird.

14. Verfahren nach einem der Aspekte 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere ermittelte Rotorpositionswerte (150) in einer Da tensammeleinheit (8) gespeichert werden.

15. Blutpumpensystem mit einer Rotationsmaschine nach einem der Aspekte 1 bis 7.

Einige Merkmale der Erfindung, die insbesondere in den Figuren 16 bis 23 ge zeigt werden, spiegeln sich auch in den folgenden Aspekten wieder:

1. Rotationsmaschine mit

- einem Stator (13) und

- einem drehbar gelagerten Rotor (11), der ausgebildet ist, sich bezüg lich des Stators (13) zu bewegen, wobei in einem radialen Abstand von einer bezüglich des Stators (13) feststehenden Achse (20) eine oder mehrere Spulen (12) bezüglich des Stators (13) feststehend angeord net sind und

- mindestens einer Rotorpositionserfassung (300), die ausgebildet ist, ein oder mehrere Signale (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 110, 150), die eine räumliche Position des Rotors (11) bezüglich eines oder meh rerer räumlicher Referenzpunkte (10) des Stators (13) abbilden, bereit zustellen, gekennzeichnet durch

- mindestens eine Aktuator-Einkoppeleinheit (210), die ausgebildet ist, jeweils einen elektrischen Spulenstrom (162) in mindestens eine der Spulen (12) einzuprägen, wobei der jeweils eingeprägte elektrische Spulenstrom (162) jeweils mindestens eine amplitudenmodulierte Sig nalkomponente (161) enthält, deren Trägerschwingungsfrequenz (176) dem Produkt aus Polpaarzahl des Rotors (11) und Rotordrehfrequenz (171) entspricht und deren Modulationssignal (179) durch ein oder mehrere Rotorpositionssignale (150) und/oder Steuersignale (160), die ausgebildet sind, die räumliche Position des Rotors (11) zu beeinflus sen, gebildet wird und - die Spulen (12), die ausgebildet sind, ein oder mehrere auf den Rotor (11) einwirkende Magnetfelder zu erzeugen, die zum jeweils einge prägten elektrischen Spulenstrom (162) korrespondieren und

- den Rotor (11), der ausgebildet ist, mit einem oder mehreren bezüglich des Rotors (11) feststehenden Magnetfeldern, die jeweils eine kon stante magnetische Quellspannung aufweisen, die zu den eingepräg ten elektrischen Spulenströmen (162) korrespondierenden Magnetfel der in eine oder mehrere auf den Rotor (11) wirkende translatorische Kräfte zu demodulieren.

2. Rotationsmaschine nach Aspekt 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ro tationsmaschine ein Motor ist.

3. Rotationsmaschine nach Aspekt 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine angetriebene Rotationsmaschine handelt.

4. Rotationsmaschine nach einem der Aspekte 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Spulen (12) als Motorspulen ausgeführt sind.

5. Rotationsmaschine nach Aspekt 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine o- der mehrere der Aktuator-Einkoppeleinheiten (210) ausgebildet sind, die elektrischen Spulenströme (162) in mindestens eine Motorspule (12) so einzuprägen, dass eine Stromgleichheit in den zur jeweiligen Motorphase (1101, 1102, 1103) gehörenden Motorspulen (12) aufgehoben und hier durch mindestens eine Kraft auf den Rotor (11) ausgeübt wird.

6. Rotationsmaschine nach Aspekt 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Aktuator-Einkoppeleinheiten (210) ausgebildet sind, die elektrischen Spulenströme (162) in mindestens zwei Spulen (12) einer Phase so einzuprägen, dass sich die eingeprägten elektrischen Spu lenströme (162) am zugeordneten Phasen-Anschluss (2101, 2102, 2103) und im Sternpunkt (2104) gegenseitig aufheben.

7. Rotationsmaschine nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der für die Rotorpositionserfas sung (300) genutzten räumlichen Referenzpunkte (10) in einer räumlich anderen Position angeordnet sind als eine oder mehrere der Spulen (12).

8. Rotationsmaschine nach einem der Aspekte 4 bis 6, dadurch gekennzeich net, dass die Rotorpositionserfassung (300) anhand eines oder mehrerer der Signale (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 110) an den Motorspulen (12) einer ersten Motorphase (1101, 1102, 1103) erfolgt und die Aktua- tor-Einkoppeleinheit (210) auf die Motorspulen (12) einer zweiten Motor phase (1101, 1102, 1103) wirkt.

9. Rotationsmaschine nach einem der Aspekte 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Aktuator-Einkoppeleinheit (210), die ausgebildet ist, die elektrischen Spulenströme (162) in eine oder mehrere Spulen (12) induktiv mit Spulen (240, 241, 242) einzukoppeln.

10. Rotationsmaschine nach einem der Aspekte 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Aktuator-Einkoppeleinheit (210), die ausgebildet ist, die elektrischen Spulenströme (162) in eine oder mehrere Spulen (12) mit einem geregel ten Bypass (245, 246) einzukoppeln.

11. Rotationsmaschine nach einem der Aspekte 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Aktuator-Einkoppeleinheit (210), die ausgebildet ist, die elektrischen Spulenströme (162) in eine oder mehrere Spulen (12) mit einer oder meh reren geregelten Stromquellen (247, 248) einzukoppeln.

12. Rotationsmaschine nach einem der vorhergehenden Aspekte, gekenn zeichnet durch

- eine Steuereinrichtung (6), die ausgebildet ist, aus einem oder mehre ren der Signale (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 110, 150), die die räumliche Position des Rotors (11) bezüglich eines oder mehrerer der räumlichen Referenzpunkte (10) des Stators (13) abbilden, ein oder mehrere der Steuersignale (160) zu erzeugen,

- eine Modulatoreinheit (260), die ausgebildet ist, eine oder mehrere der amplitudenmodulierten Signalkomponenten (161) zu erzeugen.

13. Rotationsmaschine nach einem der Aspekte 1 bis 11, gekennzeichnet durch ein Übertragungsglied (290), das ausgebildet ist, ein oder mehrere der an den Spulen (12) messbaren elektrischen Signale (101, 102, 103,

104, 105, 106, 107, 110) mit einer linearen Übertragungsfunktion zu den amplitudenmodulierten Signalkomponenten (161) zu modifizieren und/o der zu überlagern.

14. Rotationsmaschine nach einem der vorhergehenden Aspekte, gekenn zeichnet durch eine Datensammeleinheit (8), die ausgebildet ist, ein oder mehrere der Signale (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 110, 150), die die räumliche Position des Rotors (11) bezüglich eines oder mehrerer der räumlichen Referenzpunkte (10) des Stators (13) abbilden und/oder die zugeordneten Steuersignale (160) zu speichern. Verfahren unter Verwendung einer Anordnung nach einem der vorherge- henden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass Rotorresonanzen ge dämpft werden. Blutpumpensystem mit einer Rotationsmaschine nach einem der Aspekte 1 bis 15.