Titel

Sensoreinrichtung in einer elektrischen Maschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinrichtung in einer elektrischen Maschine.

Stand der Technik

Bekannt sind Lagesensorsysteme zur Erfassung der Winkellage der Rotorwelle einer elektrischen Maschine, bei denen auf der Rotorwelle ein Gebermagnet angeordnet ist, dessen rotierendes Magnetfeld von einem gehäuseseitigen Sensor erfasst und ausgewertet wird. Ein derartiges Lagesensorsystem wird beispielsweise in der DE 10 2010 029 332 AI beschrieben.

Offenbarung der Erfindung

Mithilfe der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung kann die Rotorlage der Rotorwelle einer elektrischen Maschine detektiert werden. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um einen elektronisch kommutierten Motor mit Statorwicklungen und rotorseitigen Permanentmagneten oder um einen Gleichstrommotor mit rotorseitigen Ankerwicklungen, die über eine Kommutierungseinrichtung bestromt werden, und mit statorseitigen

Permanentmagneten. Die elektrische Maschine kann als Motor beispielsweise in Fahrzeugen, insbesondere zum Antrieb von Hilfsaggregaten oder als

Antriebsmaschine des Fahrzeugs eingesetzt werden oder als Generator.

Die Sensoreinrichtung ist gehäusefest in der elektrischen Maschine angeordnet und umfasst einen integrierten Magnetfeldsensor, der sowohl in der Lage ist, das Erdmagnetfeld zu detektieren, als auch ein mit der Rotorwelle der elektrischen Maschine rotierendes Magnetfeld, das zur Rotorlageerkennung dient. Dem Magnetfeldsensor der Sensoreinrichtung kommen somit zwei Funktionen zu: Zum einen wird das Erdmagnetfeld sensiert, zum anderen das Magnetfeld der umlaufenden Rotorwelle. Das Erdmagnetfeld und das Rotorwellen magnetfeld überlagern sich zu einem Signal in dem Magnetfeldsensor, wobei über eine Softwareauswertung des Signalverlaufs, gegebenenfalls mit angepasster Hardware, die Magnetfelder separiert werden können und sowohl qualitativ als auch quantitativ erfasst werden können. Dies erlaubt es somit, mit nur einem Magnetfeldsensor aus dem Erdmagnetfeld und aus dem Rotorwellenmagnetfeld Informationen zu bestimmen, wobei im Falle des Rotorwellenmagnetfeldes die aktuelle Rotorlage erkannt werden kann und im Falle des Erdmagnetfelds beispielsweise die Lage der elektrischen Maschine im Raum bestimmt werden kann.

Die Sensoreinrichtung ist gehäusefest in der elektrischen Maschine angeordnet und befindet sich entweder an einem Gehäuse der elektrischen Maschine oder am Stator. Die umlaufende Rotorwelle erzeugt ein entsprechend umlaufendes Magnetfeld, das von dem gehäusefesten Magnetfeldsensor detektiert wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist zusätzlich zum Magnetfeldsensor mindestens ein weiterer Sensor in die Sensoreinrichtung integriert, vorzugsweise handelt es sich um mehrere weitere Sensoren, die gemeinsam mit dem

Magnetfeldsensor die Sensoreinrichtung bilden. Es kann sich beispielsweise um eine 9-Achs-Sensoreinrichtung handeln, über die die Beschleunigungen in X-, Y- und Z-Richtung sowie die Winkelbeschleunigungen erfasst werden können.

Zusätzlich zu dem Sensor bzw. den Sensoren kann die Sensoreinrichtung auch eine Auswerteeinheit umfassen, über die die Sensorsignale ausgewertet werden. Im Fall des Magnetsensors ist es über die Auswerteeinheit insbesondere möglich, die empfangenen Magnetfeldsignale im Hinblick auf das Erdmagnetfeld und das Rotorwellen magnetfeld zu unterscheiden.

Gemäß bevorzugter Ausführung ist die Sensoreinrichtung als eine MEMS- Sensoreinrichtung (Micro Electro Mechanical System) ausgeführt, die

insbesondere in der vorbeschriebenen Weise eine Mehrzahl unterschiedlicher Sensoren einschließlich eines Magnetfeldsensors sowie eine Auswerteeinheit umfasst.

Die Sensoreinrichtung mit dem Magnetfeldsensor ermöglicht es, auf einen herkömmlichen Rotorlagesensor, der als Einzelsensor ausgeführt ist, zu verzichten. Dementsprechend weist eine elektrische Maschine, die mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung ausgestattet ist, nur diese

Sensoreinrichtung, nicht jedoch nicht einen weiteren, als Rotorlagesensor eingesetzten Sensor auf.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die Sensoreinrichtung auf einer Leiterplatte angeordnet, über die die Verschaltung von Statorwicklungen erfolgt. Eine derartige Leiterplatte ist bei elektronisch kommutierten elektrischen Maschinen erforderlich und kann Träger der Sensoreinrichtung sein, so dass die Sensoreinrichtung keine separate Befestigung am Gehäuse oder am Stator der elektrischen Maschine benötigt.

Die Sensoreinrichtung ist vorzugsweise benachbart zur Stirnseite der elektrischen Maschine angeordnet. Sofern eine Leiterplatte zur Verschaltung der Statorwicklungen vorhanden ist, befindet sich diese ebenfalls an der Stirnseite der elektrischen Maschine, so dass für den Fall, dass die Leiterplatte Träger der Sensoreinrichtung ist, auch diese benachbart zur Stirnseite der elektrischen Maschine angeordnet ist.

Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf eine elektrische Maschine, die mit einer entsprechenden Sensoreinrichtung ausgestattet ist. Als Signalgeber für die Rotorlageerkennung kann ein Magnet fungieren, der an der Stirnseite der Rotorwelle angeordnet ist. Beim Umlaufen der Rotorwelle wird das umlaufende Magnetfeld dieses Magneten von dem Magnetfeldsensor in der

Sensoreinrichtung detektiert. Der Magnet ist beispielsweise als eine Magnetpille ausgeführt, die an der Stirnseite der Rotorwelle angeordnet ist, beispielsweise in eine Vertiefung an der Stirnseite der Rotorwelle eingesetzt ist.

In einer alternativen Ausführung ist die Rotorwelle ohne Magnet als Signalgeber für die Rotorlageerkennung ausgeführt. Dementsprechend vereinfacht sich die konstruktive Ausführung der elektrischen Maschine. Das mit der Rotorwelle umlaufende Magnetfeld wird beispielsweise über eine magnetisierbare bzw. magnetisierte Rotorwelle erzeugt, so dass die Rotorwelle unmittelbar als

Signalgeber verwendet wird. Es kann beispielsweise mittels einer

Laserbehandlung ein Magnetfeldmodulationsmuster in die Rotorwelle

eingebracht werden.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der in

schematischer Weise eine elektrische Maschine mit einer Sensoreinrichtung auf einer Leiterplatte dargestellt ist.

Die in der Figur dargestellte elektrische Maschine 1 ist als Innenläufer ausgebildet und weist einen Stator 2 auf, der einen innen gelagerten Rotor mit einer Rotorwelle 3 aufnimmt, an dessen einer Stirnseite ein Getrieberad 4 angeordnet ist. Die Längs- und Drehachse der elektrischen Maschine ist mit 5 bezeichnet. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um einen elektronisch kommutierten Motor mit Statorwicklungen, die über eine Verschaltplatte angesteuert werden, welche eine Leiterplatte 6 mit Anbindungen 7 zu den Statorwicklungen umfasst. Die Leiterplatte 6 liegt stirnseitig an dem Stator 2 bzw. an einem Gehäuse der elektrischen Maschine, in welchem der Stator 2 aufgenommen ist. Die Leiterplatte 6 liegt auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Getrieberades 4.

Die Leiterplatte 6 ist Träger einer Sensoreinrichtung 8, die einen

Magnetfeldsensor zum Sensieren sowohl des Erdmagnetfeldes als auch eines mit der Rotorwelle 3 umlaufenden Magnetfeldes umfasst. Darüber hinaus weist die Sensoreinrichtung 8 vorzugsweise weitere Sensoren auf, insbesondere zum Detektieren der Längsbeschleunigungen in alle drei Raumrichtungen sowie der Winkelbeschleunigungen um alle drei Raumrichtungen.

Die Sensoreinrichtung 8 mit dem Magnetfeldsensor liegt auf der Außenseite der Leiterplatte 6 und befindet sich benachbart zur Stirnseite des aus dem Stator 2 herausgeführten Abschnitts der Rotorwelle 3. An der Stirnseite der Rotorwelle 3, benachbart zur Sensoreinrichtung 8, befindet sich entweder ein Magnet, beispielsweise eine Magnetpille, die in eine stirnseitige Ausnehmung in der Rotorwelle 3 eingesetzt ist und deren beim Umlaufen der Rotorwelle sich änderndes Magnetfeld von dem Magnetfeldsensor der Sensoreinrichtung 8 detektiert werden kann. Es ist aber auch möglich, dass die Rotorwelle 3 aus einem magnetisierbaren Material besteht und an der Stirnseite ein

Magnetfeldmodulationsmuster 9 in die Rotorwelle 3 eingebracht ist,

beispielsweise durch eine Laser-Hitzebehandlung. Auch in diesem Fall entsteht ein Magnetfeld, das sich beim Umlaufen der Rotorwelle 3 ändert, wobei das sich ändernde Magnetfeld von dem Magnetfeldsensor der Sensoreinrichtung 8 erfasst wird.

In der Sensoreinrichtung 8 befindet sich auch eine Auswerteeinheit, über die die sensierten Signale, insbesondere die Signale des Magnetfeldsensors

ausgewertet werden. Bei der Sensoreinrichtung 8 handelt es sich beispielsweise um eine M EMS-Sensoreinrichtung (Micro Electro Mechanical System).

Der Magnetfeldsensor der Sensoreinrichtung 8 sensiert sowohl das

Erdmagnetfeld als auch das rotierende Magnetfeld der Rotorwelle 3, wobei in der Auswerteeinheit der Sensoreinrichtung die überlagerten Magnetfelder aus dem Sensorsignal analysiert werden, so dass die Magnetfelder einzeln zuordenbar sind. Daraufhin ist es möglich, die aktuelle Rotorlage der Rotorwelle 3 zu bestimmen.