Bestimmung einer Rotorposition einer elektrischen Maschine

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät zum Ansteuern einer elektrischen Maschine, die eine in einem Gehäuse der elektrischen Maschine drehbar gelagerte Rotorwelle aufweist. Das Steuergerät umfasst dabei eine Leiterplatte zum Tragen einer elektronischen Schaltung zum Ansteuern der elektrischen Maschine.

Die Erfindung betrifft auch eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer Rotorposition einer elektrischen Maschine.

Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine, die mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät versehen ist und/oder die eine erfindungsgemäße Sensoranordnung umfasst.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug, das mindestens eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst.

Stand der Technik

Steuergeräte der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Elektrische Fahrzeuge und Hybridfahrzeuge mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung verwenden häufig eine Asynchronmaschine oder eine Synchronmaschine als Elektromotor, der auch generatorisch betreibbar ist, wobei beide einen ortsfesten beziehungsweise gehäusefesten Stator und einen sich relativ zu dem Stator drehbar gelagerten Rotor aufweisen. In der Regel trägt der Stator drei oder mehr zueinander versetzte Wicklungsstränge einer Antriebswicklung, wobei die Antriebsstränge um 120°/p zueinander versetzt sind, wobei p die Anzahl der Polpaare repräsentiert.

Die Asynchronmaschine (ASM) beispielsweise weist einen Rotor auf, der aus an den Enden ringförmig kurzgeschlossenen elektrisch leitfähigen Stäben gefertigt ist. Dreht sich das magnetische Rotorfeld, wird in diesem eine Spannung induziert, die einen Stromfluss hervorruft, der wiederum ein Gegenmagnetfeld aufbaut, wobei es zu einer rotatorischen Bewegung des Rotors kommt. Weil die induzierte Spannung Null wird, wenn Rotorfeld und Stator gleich schnell drehen, stellt sich eine Differenzdrehzahl ein, die als Schlupf bezeichnet wird und sich direkt auf das vom Elektromotor erzeugte Drehmoment auswirkt.

Bei der Synchronmaschine besteht der Rotor üblicherweise aus einem Läufer, der eine Erregerspule trägt, in der ein Gleichstrom fließt, welcher ein statisches Magnetfeld erzeugt. Alternativ dazu kann auch ein Permanentmagnet in dem Rotor zur Erzeugung des statischen Magnetfelds verwendet werden. Dann handelt es sich um eine sogenannte permanent erregte Synchronmaschine (PSM), die aufgrund der leistungslosen Erregung einen höheren Wirkungsgrad aufweist und damit sehr gut für Traktionsanwendungen in Kraftfahrzeugen geeignet ist. Die Drehzahl des Rotors ist in diesem Fall prinzipbedingt identisch zur Drehzahl des Erregerfelds, während das erzeugte Drehmoment vom Phasenversatz, also der Winkeldifferenz zwischen Statorfeld und Rotorfeld, abhängt.

Zur Ansteuerung muss im Fall der Asynchronmaschine die Drehzahl des Rotors und im Fall der permanent erregten Synchronmaschine die Absolutwinkelstellung des Rotors bekannt sein. In Abhängigkeit von der Drehzahl oder Winkelstellung ist ein Inverter einer Leistungselektronik der jeweiligen Elektromaschine ansteuerbar, um das gewünschte Drehmoment zu erzielen.

Um diese Größen zu ermitteln ist es bekannt, einen sogenannten Resolver zu verwenden, der jedoch verhältnismäßig viel Bauraum benötigt und eine komplexe Signalbereitstellung und -aufbereitung sowie einen komplexen Aufbau des Resolvers mit gewickelten Spulen benötigt. Außerdem ist es bekannt, Drehzahlgeber vorzusehen, die beispielsweise basierend auf einem oder mehreren Hall- Elementen, die das Magnetfeld des Signalgebers auswerten, umgesetzt werden. Bekannte Wirkprinzipien dieser Sensoren sind magnetoresistiv (AMR, GMR, TMR) oder basieren auf dem Hall-Effekt. Weiterhin ist es bekannt, induktive Winkelsensoren basierend auf entkoppelten Spulen oder Sensoreinrichtungen vorzugsehen, die auf dem Wirbelstromeffekt basieren.

Die nach heutigem Stand der Technik verbaute Sensorvorrichtung besteht in der Regel aus einem Sensorgeber und einem Sensor. Der Sensor ist dabei diskret aufgebaut, verfügt über ein eigenes Gehäuse, eigne Befestigungselemente und einen eigenen Kabelbaum einschließlich Stecker. Dieser wird mit einer internen oder externen Steuereinheit bzw. Auswertungselektronik verbunden.

Das Dokument DE 102018200522 Al beschreibt eine Lenkhilfevorrichtung zur Unterstützung eines Lenkvorganges eines Kraftfahrzeugs. Die Lenkhilfevorrichtung umfasst eine Rotationsmessvorrichtung, die eine Rotorposition und/oder einen Lenkwinkel erfassen kann.

Aus dem Dokument DE 102017 210 655 Al ist ein Drehwinkelsensor bekannt, der ein Statorelement und ein um eine Drehachse drehbar gelagertes Rotorelement umfasst.

Das Dokument DE 102018 213 413 Al betrifft einen induktiven Positionssensor zur Erfassung mindestens einer Rotationseigenschaft eines um mindestens eine Rotationsachse rotierenden Elements.

Das Dokument DE 10 2015 218 141 Al offenbart eine Vorrichtung zum Kalibrieren einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine.

Aus dem Dokument DE 102013 112 169 Al ist ein Antrieb für ein Lenksystem eines Fahrzeugs bekannt.

Offenbarung der Erfindung

Es wird ein Steuergerät zum Ansteuern einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, wobei die elektrische Maschine eine in einem Gehäuse der elektrischen Maschine drehbar gelagerte Rotorwelle aufweist.

Die elektrische Maschine kann gängig ausgeführt sein und als Asynchronmaschine oder Synchronmaschine ausgebildet sein.

Das Steuergerät umfasst dabei eine Leiterplatte (PCB, engl.: Printed Circuit Board) zum Tragen einer elektronischen Schaltung zum Ansteuern der elektrischen Maschine.

Unter eine Leiterplatte kann eine Vorrichtung verstanden werden, auf welcher mindestens ein elektrisches Bauelement angeordnet werden kann. Die Leiterplatte kann flexibel ausgestaltet sein. Insbesondere kann die Leiterplatte ein flexibles Material umfassen. Die Leiterplatte kann als eine Starrflex- Leiterplatte, beispielsweise als eine gebogene Starrflex-Leiterplatte, ausgebildet sein. Die Leiterplatte kann auch als eine starre Leiterplatte, insbesondere einer starren Leiterplatte mit Einkerbungen, ausgebildet sein.

Erfindungsgemäß ist auf der Leiterplatte ein Positionssensor zur Bestimmung einer Rotorposition der elektrischen Maschine angeordnet.

Vorzugsweise ist der Positionssensor als einen induktiven Sensor ausgebildet, der die gängige Resolver-Sensor-Technologie durch ein induktives Messprinzip substituiert. Dabei weist der Positionssensor mindestens eine Spulenanordnung auf, die mindestens eine Erregerspule und mindestens eine Empfängerspule umfasst. Die mindestens eine Erregerspule und die mindestens eine Empfängerspule sind dabei als Leiterbahnen der Leiterplatte ausgebildet.

Unter einer Spulenanordnung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, die mindestens eine Spule umfasst. Unter eine Spule wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Bauelement verstanden, welches eine Induktivität aufweist und geeignet ist, bei Stromfluss ein Magnetfeld zu erzeugen und/oder umgekehrt. Beispielsweise kann eine Spule mindestens eine vollständige oder teilweise geschlossene Leiterschleife oder Windung umfassen. Unter einer Erregerspule kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden werden, welche bei Anlegen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms einen magnetischen Fluss erzeugt. Die Erregerspule kann mindestens eine Erregerwindung aufweisen. Unter einer Empfängerspule wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Spule verstanden, welche eingerichtet ist, aufgrund einer induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfängerspule ein Signal zu erzeugen, welches abhängig ist von der induktiven Kopplung. Beispielsweise kann die Spulenanordnung ein Empfängerspulensystem aufweisen. Unter einem Empfängerspulensystem kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche mindestens zwei Empfängerspulen umfasst. Der Positionssensor kann eingerichtet sein, um eine induktive Kopplung und/oder eine Änderung einer induktiven Kopplung zwischen der mindestens einen Erregerspule und der mindestens einen Empfängerspule zu erfassen. Die Erregerspule kann eingerichtet sein, um in Antwort auf die Beaufschlagung mit dem Erregersignal ein elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Die Erregerspule und die Empfängerspulen können derart gekoppelt sein, dass das elektromagnetische Wechselfeld in den Empfängerspulen eine Wechselspannung induziert. Die Empfängerspulen können derart angeordnet sein, dass die Empfängerspulen bei einer Rotation der Rotorwelle mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um die Drehachse drehwinkelabhängige Signale generieren.

Unter einem „Erregersignal“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Signal verstanden werden, insbesondere mindestens eine Wechselspannung und/oder mindestens ein Wechselstrom. Das Erregersignal kann ein im Wesentlichen sinusförmiges Erregersignal sein. Unter „sinusförmig“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Form verstanden, welche einen Verlauf einer Sinuskurve aufweist. Beispielsweise kann ein Verlauf einer vollständigen Sinuskurve umfasst sein oder lediglich ein Teil einer Sinuskurve. Unter „im Wesentlichen sinusförmig“ können Ausführungsformen verstanden werden mit einem vollständig sinusförmigen Verlauf, wobei Abweichungen denkbar sind, welche nicht mehr als 20 %, insbesondere nicht mehr als 10 % oder sogar nicht mehr als 5 % von dem absoluten Wert der Sinusform betragen. Unter einer „vollständigen Sinuskurve“ kann dabei insbesondere ein Verlauf einer Sinuskurve verstanden werden, welcher mindestens eine Periode umfasst. Hierbei kann die Sinuskurve im Nullpunkt oder einem beliebigen anderen Punkt der Sinuskurve beginnen. Die Sinusform kann beispielsweise auch abschnittsweise aus anderen Funktionen zusammengesetzt werden, so dass sich insgesamt eine näherungsweise Sinusform ergibt. Das Erregersignal kann eine Amplitude im Bereich von 0,1 V bis 10 V, bevorzugt von 5 V, aufweisen. Das Erregersignal kann eine Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz, bevorzugt 3,5 MHz aufweisen. Durch die Beaufschlagung der Erregerspule mit dem Erregersignal kann ein elektromagnetisches Wechselfeld entstehen, welches in die Empfängerspulen koppelt und dort beispielsweise entsprechende Wechselspannungen und/oder Wechselströme induziert. Die mindestens eine Erregerspule kann im Wesentlichen kreisförmig ausgestaltet sein. Unter dem Begriff „im Wesentlichen kreisförmig“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verstanden, dass das beschriebene Bauelement einen Krümmungsradius aufweist. Der Krümmungsradius kann innerhalb des Bauelements variieren oder konstant sein.

Die mindestens eine Erregerspule und die mindestens eine Empfängerspule können wie in DE 102017 210 655 Al beschrieben ausgestaltet sein.

Bevorzugt weist der Positionssensor mindestens eine Auswertungselektronik zum Auswerten von Signalen der mindestens einen Empfängerspule auf. Die mindestens eine Auswertungselektronik ist eingerichtet, aus den Signalen der mindestens einen Empfängerspule auf eine Winkelposition der Rotorwelle zu schließen.

Die mindestens eine Auswertungselektronik kann eingerichtet sein, um ein Erregersignal für die mindestens eine Erregerspule bereitzustellen. Unter ein „Erregersignal bereitzustellen“ kann verstanden werden, dass die Auswertungselektronik eingerichtet ist, das Erregersignal zu erzeugen und/oder dass die Auswertungselektronik eingerichtet ist, die Erregerspule mit dem Erregersignal zu beaufschlagen.

Die mindestens eine Auswertungselektronik kann eingerichtet sein, um von der mindestens einen Empfängerspule erzeugte Signale zu verarbeiten. Unter „Verarbeiten“ kann grundsätzlich eine beliebige Operation einer Signalverarbeitung verstanden werden, um ein Ausgangsignal zu erzeugen, beispielsweise ein Auswerten, ein Filtern, ein Demodulieren. Die Signalverarbeitung kann digital und/oder analog erfolgen. Bevorzugt kann die Signalverarbeitung rein analog erfolgen. Die Auswertungselektronik kann insbesondere eingerichtet sein, um durch Demodulation eines in den Empfängerspulen induzierten Signals mit einem Trägersignal, also einem Signal der Erregerspule auch Sendespule genannt, auf einen Betrag und eine Phase der Kopplung zu schließen. Der Betrag kann insbesondere kontinuierlich mit dem Drehwinkel variieren. Eine Phasenlage kann beispielsweise 0° oder 180° betragen. Die mindestens eine Auswertungselektronik kann mindestens eine Demodulationsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, um die Signale der Empfängerspulen zu demodulieren. Das Demodulieren kann ein Multiplizieren mit dem Erregersignal umfassen. Beispielsweise kann durch eine Multiplikation des Betrags mit einer Kosinusfunktion ein vorzugsweise offsetfreies Sin/Cos- System entstehen, insbesondere bei Verwendung von zwei Empfängerspulen mit 90° Phasenversatz bezogen auf den Messbereich. Bei Verwendung von drei Empfängerspulen mit typischerweise 120° Phasenversatz bezogen auf den Messbereich kann insbesondere ein dreiphasiges Sinussignal entstehen, welches beispielsweise durch Anwendung der Clarke-Transformation in ein Sin/Cos-System überführt werden kann. Mit Hilfe der Arkustangens- Funktion kann dann auf den Drehwinkel geschlossen werden. Die mindestens eine Auswertungselektronik kann mindestens einen Tiefpassfilter aufweisen. Beispielsweise kann die mindestens eine Auswertungselektronik zunächst die Signale der mindestens einen Empfängerspule demodulieren und anschließend mittels des Tiefpasses filtern.

Vorzugsweise ist die mindestens eine Auswertungselektronik als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC, engl.: Application-Specific Integrated Circuit) ausgebildet. Unter einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung kann eine grundsätzlich beliebige elektronische Schaltung verstanden werden, welche als integrierter Schaltkreis realisiert wurde.

Zum Verarbeiten und/oder Auswerten der von der mindestens einen Empfängerspule erzeugten Signale und/oder Bereitstellen von Erregersignalen für die mindestens eine Erregerspule ist der mindestens eine Auswertungselektronik mit der mindestens einen Spulenanordnung bzw. der mindestens einen Empfänger- und/oder Erregerspule elektrisch verbunden. Die elektrische Verbindung zwischen der mindestens eine Auswertungselektronik und der mindestens eine Spulenanordnung kann mittels einer Sensorleitung erfolgen. Die Sensorleitung kann Kontaktelemente, wie beispielsweise Kabel und/oder Stecker umfassen. Vorzugsweise ist die Sensorleitung als Leiterbahn der Leiterplatte des Steuergerätes ausgebildet.

Die mindestens eine Auswertungselektronik ist bevorzugt auf der Leiterplatte des Steuergerätes angeordnet und vorzugsweise als ein oberflächenmontiertes Bauelement (SMD, engl.: Surface-mounted Device) ausgebildet.

Es wird auch eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer Rotorposition einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, wobei die elektrische Maschine eine in einem Gehäuse der elektrischen Maschine drehbar gelagerte Rotorwelle aufweist.

Die Sensoranordnung umfasst dabei ein erfindungsgemäßes Steuergerät zum Ansteuern der elektrischen Maschine, das gehäusefest am Gehäuse der elektrischen Maschine anordenbar ist.

Die Leiterplatte des Steuergerätes kann im Wesentlichen koaxial zu einer Drehachse der Rotorwelle angeordnet sein. Die Leiterplatte kann im Wesentlichen kreisförmig ausgestaltet sein. Hinsichtlich des Begriffs „im Wesentlichen kreisförmig“ wird auf obige Definition verweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leiterplatte auch aus zwei oder mehr Segmenten zusammengesetzt sein, welche beispielsweise jeweils eben oder auch gekrümmt ausgestaltet sein können und welche beispielsweise miteinander verbunden sein können. Die Segmente können insgesamt dann ebenfalls koaxial zur Drehachse der Rotorwelle angeordnet sein, auch wenn die einzelnen Segmente dann beispielsweise tangential angeordnet sind. Weiterhin kann die Leiterplatte in einem Gehäuse, insbesondere in einem Spritzgussgehäuse angeordnet.

Die Sensoranordnung umfasst ferner einen drehfest mit der Rotorwelle verbindbaren und axial stirnseitig an der Rotorwelle anordenbaren Sensorgeber. Die Leiterplatte ist dabei mit der mindestens einen Spulenanordnung des Positionssensors über dem Sensorgeber angeordnet.

Unter einem Sensorgeber kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges mit der Rotorwelle verbindbares Bauelement verstanden werden, das eingerichtet ist, bei Verbindung mit der Rotorwelle pro Umdrehung der Rotorwelle mindestens ein messbares Signal, insbesondere eine Magnetfeldänderung, zu bewirken.

Der Sensorgeber kann beispielsweise permanent oder reversibel mit der Rotorwelle verbunden oder verbindbar sein oder kann auch einteilig mit der Rotorwelle ausgebildet oder in die Rotorwelle integriert sein.

Der Sensorgeber kann ein Sensorgeberprofil aufweisen. Unter einem Sensorgeberprofil kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Gesamtheit von Profilelementen und von Zwischenräumen, die zwischen den Profilelementen angeordnet sind, verstanden werden. Unter einem Profilelement des Sensorgebers kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Ausformung der Kontur des Sensorgebers verstanden werden, insbesondere einer Ausbuchtung, beispielsweise eine stiftförmige, eine zahnförmige oder eine zackenförmige Ausbuchtung, oder eine Einkerbung oder eine Aussparung, beispielsweise ein Loch.

Vorteilhaft kann der Sensorgeber als einen Schlitz ausgebildet sein. Dies kann dadurch ausgeführt werden, dass die Rotorwelle an einer Stirnfläche geschlitzt wird.

Denkbar ist auch, dass der Sensorgeber extra Bauelemente umfasst, die an der Rotorwelle angeordnet werden können. Beispielsweise kann der Sensorgeber als einen Magnet ausgebildet sein.

Vorteilhaft kann der Sensorgeber auch als ein Zahnrad ausgebildet sein. Ein als einen Magnet oder ein Zahnrad ausgebildeter Sensorgeber kann stirnseitig an der Rotorwelle angeordnet sein.

Der Sensorgeber kann auch wie in DE 102017210 655 Al oder DE 102018 213 413 Al beschrieben ausgestaltet sein.

Die Sensoranordnung kann insbesondere eingerichtet sein, um aus der durch die Bewegung und/oder durch eine Position des Sensorgebers bewirkten Änderung der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und der Empfängerspule eine absolute oder relative Winkelposition der Rotorwelle zu bestimmen. Unter einer relativen Winkelposition kann dabei grundsätzlich eine Position bezüglich einer durch die Empfängerspulen definierten Periode verstanden werden.

Ferner wird eine elektrische Maschine vorgeschlagen, die mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät versehen ist und/oder die eine erfindungsgemäße Sensoranordnung umfasst.

Weiterhin wird ein Fahrzeug vorgeschlagen, das mindestens eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst.

Vorteile der Erfindung Durch Verwendung als Standalone-Sensor verfügt dieser über ein eigenes Gehäuse. Weiterhin ist ein eigener Kabelbaum an eine Steuereinheit bzw. Auswertungselektronik notwendig. Die Befestigung erfolgt mittels gängiger Fügetechnik. Alle diese Merkmale führen zu signifikanten Kosten gegenüber den eigentlichen Kern-Sensorelementen - die Spulenanordnung und gegebenenfalls die Auswertungselektronik.

Kostenaufwändig ist aber auch die Prüfung der Isolation der Sensorleitung gegenüber der Betriebsspannung der elektrischen Maschine.

Mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät bzw. der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann die Spulenanordnung ohne Zusatzaufwand auf der Leiterplatte des Steuergerätes dargestellt werden, d.h. die Erregerspule und die Empfängerspule werden als Leiterbahnen ausgebildet. Es wird daher nur Plattenfläche der Leiterplatte verbraucht, aber keine weiteren Prozessschritte benötigt.

Die Auswertungselektronik kann als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung ausgebildet sein und wird im Rahmen der Steuergeräteherstellung mitbestückt. Es fallen keine zusätzlichen Prozessschritte an.

Mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät bzw. der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann externer Verkabelung, wie z.B. Kabelstrang und Verbinder, entfallen, da die Sensorleitung kann ausschließlich auf der Leiterplatte erfolgen kann.

Aufgrund des Entfalls der Verkabelung entfällt die Isolationsprüfung der Sensorkabel bzw. der Durchführung im Rahmen der Isolationsprüfung des Steuergerätes vollständig.

Somit reduzieren sich die Kosten auf die Kern-Sensorelemente, nämlich die Spulenanordnung und die Auswertungselektronik.

Die heutigen Standalone-Lagesensoren benötigen Bauraum. Durch den Aufbau verfügen sie über ein eigenes Gehäuse und Befestigungspunkte, wie beispielsweise Schrauben, Nieten, Klemmen o.ä. Dies führt zu Einschränkungen in möglichen Anwendungen, insbesondere in Längsrichtung der elektrischen Maschine.

Mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät bzw. der erfindungsgemäßen Sensoranordnung fällt der Bauraum, insbesondere in Längsrichtung der elektrischen Maschine geringer auf.

Bei den Standalone-Sensoren nach dem Stand der Technik werden zusätzliche Verbindungen, in der Regel Steckverbinder, im Signalpfad notwendig. Diese stellen einen zusätzlichen Übergangswiderstand und eine Fehlerquelle dar.

Mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät bzw. der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann die Sensorleitung ausschließlich auf der Leiterplatte erfolgen. Somit entfällt die Fehlerquelle ebenfalls.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung,

Figur 2 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung

Figur 3a eine perspektivische Darstellung eines Sensorgebers der erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform und

Figur 3b eine perspektivische Darstellung eines Sensorgebers der erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Ausführungsformen der Erfindung In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 50 zur Bestimmung einer Rotorposition einer elektrischen Maschine 10.

Die elektrische Maschine 10 ist gängig ausgeführt und vorliegend als eine permanent erregte Synchronmaschine ausgebildet. Die elektrische Maschine 10 umfasst einen Rotor 20, der mehrere hier nicht dargestellte Permanentmagnete aufweist, und einen Stator 30, an dem mehrere hier nicht dargestellte Statorwicklungen angeordnet sind.

Der Rotor 20 ist auf einer in einem Gehäuse 12 der elektrischen Maschine 10 drehbar gelagerten Rotorwelle 22 angeordnet und dreht sich um eine Drehachse 24 herum. Das Gehäuse 12 weist ein Lagerschild 14 auf, das ein Lager 16 zur Lagerung der Rotorwelle 22 aufnimmt.

Die Sensoranordnung 50 umfasst dabei ein erfindungsgemäßes Steuergerät 40 zum Ansteuern der elektrischen Maschine 10, das gehäusefest am Gehäuse 12 bzw. am Lagerschild 14 der elektrischen Maschine 10 angeordnet ist.

Das Steuergerät 40 umfasst eine Leiterplatte 42, die zum Tragen einer hier nicht dargestellten elektronischen Schaltung zum Ansteuern der elektrischen Maschine 10 dient.

Die Leiterplatte 42 des Steuergerätes 40 ist vorliegend im Wesentlichen koaxial zu der Drehachse 24 der Rotorwelle 22 angeordnet. Die Leiterplatte 42 kann im Wesentlichen kreisförmig ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Leiterplatte 42 auch aus zwei oder mehr Segmenten zusammengesetzt sein, welche beispielsweise jeweils eben oder auch gekrümmt ausgestaltet sein können und welche beispielsweise miteinander verbunden sein können. Die Segmente können insgesamt dann ebenfalls koaxial zur Drehachse 24 der Rotorwelle 22 angeordnet sein, auch wenn die einzelnen Segmente dann beispielsweise tangential angeordnet sind. Weiterhin kann die Leiterplatte 42 in einem Gehäuse 12, insbesondere in einem Spritzgussgehäuse angeordnet.

Auf der Leiterplatte 42 ist ein Positionssensor 70 angeordnet. Vorliegend ist der Positionssensor 70 als einen induktiven Sensor ausgebildet und umfasst eine Spulenanordnung 72, die mindestens eine hier nicht dargestellte Erregerspule und mindestens eine hier nicht dargestellte Empfängerspule aufweist. Die mindestens eine Erregerspule und die mindestens eine Empfängerspule sind dabei als Leiterbahnen der Leiterplatte 42 des Steuergerätes 40 ausgebildet

Die Sensoranordnung 50 weist ebenfalls eine Auswertungselektronik 74 zum Auswerten von Signalen der mindestens einen Empfängerspule auf. Die Auswertungselektronik 74 ist vorliegend als ein oberflächenmontiertes Bauelement ausgebildet und ebenfalls auf der Leiterplatte 42 des Steuergerätes 40 angeordnet.

Die Auswertungselektronik 74 ist dabei mit der Spulenanordnung 72 elektrisch verbunden. Die elektrische Verbindung zwischen der Auswertungselektronik 74 und der Spulenanordnung 72 erfolgt mittels einer Sensorleitung 76, die als Leiterbahn der Leiterplatte 42 des Steuergerätes 40 ausgebildet ist.

Die Sensoranordnung 50 umfasst ferner einen Sensorgeber 60, der drehfest mit der Rotorwelle 22 verbunden ist und axial stirnseitig an der Rotorwelle 22 angeordnet ist. Die Leiterplatte 42 ist dabei mit der Spulenanordnung 72 über dem Sensorgeber 60 angeordnet.

Der Sensorgeber 60 kann als einen Schlitz 62 (siehe Figur 3a) ausgebildet sein. Dies kann dadurch ausgeführt werden, dass die Rotorwelle 22 an einer Stirnfläche 26 (siehe Figur 3a) geschlitzt wird.

Der Sensorgeber 60 kann aber auch als ein Zahnrad 64 (siehe Figur 3b) ausgebildet.

Denkbar ist auch, dass der Sensorgeber 60 als einen Magnet ausgebildet sein. Der Sensorgeber 60 kann beispielsweise permanent oder reversibel mit der Rotorwelle 22 verbunden oder verbindbar sein oder kann auch einteilig mit der Rotorwelle 22 ausgebildet oder in die Rotorwelle 22 integriert sein.

Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 50.

Der Rotor 20 ist auf der im Gehäuse 12 (vgl. Figur 1) der elektrischen Maschine 10 (vgl. Figur 1) drehbar gelagerten Rotorwelle 22 angeordnet.

Die Sensoranordnung 50 umfasst dabei ein erfinderisches Steuergerät 40 zum Ansteuern der elektrischen Maschine 10, das gehäusefest am Gehäuse 12 der elektrischen Maschine 10 angeordnet ist.

Das Steuergerät 40 umfasst eine Leiterplatte 42, die zum Tragen einer hier nicht dargestellten elektronischen Schaltung zum Ansteuern der elektrischen Maschine 10 dient.

Auf der Leiterplatte 42 ist ein Positionssensor 70 angeordnet. Vorliegend ist der Positionssensor 70 als einen induktiven Sensor ausgebildet und umfasst eine Spulenanordnung 72, die mindestens eine hier nicht dargestellte Erregerspule und mindestens eine hier nicht dargestellte Empfängerspule aufweist. Die mindestens eine Erregerspule und die mindestens eine Empfängerspule sind dabei als Leiterbahnen der Leiterplatte 42 des Steuergerätes 40 ausgebildet

Die Sensoranordnung 50 weist ebenfalls eine Auswertungselektronik 74 zum Auswerten von Signalen der mindestens einen Empfängerspule auf. Die Auswertungselektronik 74 ist vorliegend als ein oberflächenmontiertes Bauelement ausgebildet und ebenfalls auf der Leiterplatte 42 des Steuergerätes 40 angeordnet.

Die Auswertungselektronik 74 ist dabei mit der Spulenanordnung 72 elektrisch verbunden. Die elektrische Verbindung zwischen der Auswertungselektronik 74 und der Spulenanordnung 72 erfolgt mittels einer Sensorleitung 76, die als Leiterbahn der Leiterplatte 42 des Steuergerätes 40 ausgebildet ist. Die Sensoranordnung 50 umfasst ferner einen Sensorgeber 60, der drehfest mit der Rotorwelle 22 verbunden ist und axial stirnseitig an der Rotorwelle 22 angeordnet ist. Die Leiterplatte 42 ist dabei mit der Spulenanordnung 72 über dem Sensorgeber 60 angeordnet.

Die Sensoranordnung 50 kann, neben den in Figur 1 und Figur 2 dargestellten Elementen, weiterhin ein oder mehrere zusätzliche Elemente umfassen, beispielsweise ein oder mehrere in den Figuren nicht dargestellte weitere Funktionselemente, wie beispielsweise Elektroden, Elektrodenzuleitungen, Kontakte oder andere Elemente.

Figur 3a und Figur 3b zeigen jeweils eine perspektivische Darstellung eines Sensorgebers 60 des erfindungsgemäßen Sensorsystems.

Gemäß einer ersten Ausführungsform, die in Figur 3a gezeigt ist, ist der Sensorgeber 60 als einen Schlitz 62 ausgebildet. Dies ist dadurch ausgeführt, dass die Rotorwelle 22 an einer Stirnfläche 26 geschlitzt wird.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform, die in Figur 3b gezeigt ist, ist der Sensorgeber 60 als ein Zahnrad 64 ausgebildet. Der als Zahnrad 64 ausgebildete Sensorgeber 60 kann permanent oder reversibel mit der Rotorwelle 22 verbunden sein oder kann auch einteilig mit der Rotorwelle 22 ausgebildet oder in die Rotorwelle 22 integriert sein.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.