Titel

Elektromotor

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor. Bei dem Elektromotor handelt es sich insbesondere um einen elektronisch kommutierten Motor, z.B. um einen bürstenlosen Gleichstrommotor. Außerdem betrifft die Erfindung ein System, umfassend einen Elektromotor und ein Steuergerät für den

Elektromotor.

Aus dem Stand der Technik sind elektronisch kommutierte Motoren, z.B.

bürstenlose Gleichstrommotoren bekannt. Bei diesen ist ein Stator mit einer Wicklung versehen, wobei die Wicklung mehrere Phasen bzw. Spulen aufweist. Um den Elektromotor betreiben zu können, müssen die Phasen entsprechend angesteuert werden, um ein Drehfeld zu erzeugen, wobei für das Ansteuem eine aktuelle Lage des Rotors bekannt sein muss. Dies bedeutet, dass eine

Kommutierung durchgeführt werden muss, die abhängig von der aktuellen Lage des Rotors ist. Zum Erfassen der aktuellen Lage des Rotors sind

Positionssensoren auf Basis physikalischer Effekte bekannt, beispielsweise Hallsensoren, optische Sensoren oder induktive Sensoren. Diese Sensoren benötigen jedoch einen Mindestbauraum, so dass eine Applikation nicht in jedem Fall möglich ist.

Aus der DE 103 57 504 At ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Rotorlage eines Elektromotors bekannt, bei der lediglich ein einziges Sensorelement benötigt wird.

Des Weiteren sind sensorlose Verfahren bekannt, bei denen kein dedizierter Positionssensor vorhanden ist. Hier wird die Position vielmehr anhand von anderen Messgrößen abgeschätzt. So werden oftmals Phasenspannung und/oder Phasenstrom der einzelnen Phasen der Wicklung ausgewertet. Diese Signale sind jedoch meist von Störungen überlagert. Beispielsweise weist die Antriebswicklung einen elektrischen Widerstand auf. Dadurch wird bewirkt, dass eine Messung einer induzierten Spannung an einer Antriebswicklung zur

Lageerkennung des Rotors durch den für den Antrieb notwendigen Stromfluss sowie durch eine T emperaturabhängigkeit des inneren Widerstands der Antriebswicklung verfälscht werden kann. Dadurch ergibt sich speziell im unteren Drehzahlbereich eine nicht zuverlässige Ermittlung der Rotorlage, da kein ausreichender Signal-Rausch-Abstand vorhanden ist.

Aus der DE 100 36 413 A1 ist eine solche Einrichtung zur Positionserfassung eines sensorlosen bürstenlosen Gleichstrommotors bekannt, bei der die

Nulldurchgänge der Antriebsspannung der Spulen zur Lageerkennung des Rotors genutzt werden.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Elektromotor erlaubt ein sicheres und zuverlässiges Erfassen der Rotorlage insbesondere auch in Bereichen mit geringer Drehzahl.

Der Elektromotor ist insbesondere ein elektronisch kommutierter Motor, z.B. ein bürstenloser Gleichstrommotor oder eine permanent oder elektrisch erregte Synchronmaschine, und umfasst einen Rotor und einen Stator. Der Rotor und/oder Stator weist einen Grundkörper auf, der mit zumindest einer

Antriebswicklung versehen ist. Die Antriebswicklung dient zum Antreiben des Rotors. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Stator besagten Grundkörper mit der Antriebswicklung umfasst, während der Rotor Permanentmagnete umfassen kann. Beispielsweise sind an dem Rotor Permanentmagnete angeordnet oder der Rotor ist als Permanentmagnet ausgebildet. Ebenso ist möglich, dass der Rotor die Antriebswicklung aufweist, wobei in diesem Fall eine Übertragung der elektrischen Leistung von dem Rotor auf ein stationäres Steuergerät ermöglicht sein muss, beispielsweise über Schleifringe. Durch die Antriebswicklung fließt vorteilhafterweise ein Strom, wobei der Strom magnetische Felder erzeugt, die wiederum zum Antreiben des Rotors verwendet werden. Der Rotor und/oder Stator weist neben der Antriebswicklung zusätzlich zumindest eine von der Antriebswicklung unabhängige Hilfswicklung auf. Die Hilfewicklung ist zur

Messung einer induzierten Spannung vorgesehen.

Der Ausdruck„umfassen“ wird synonym zum Ausdruck„aufweisen“ verwendet.

Insbesondere ist somit ermöglicht, dass unabhängig von der Antriebswicklung eine Rotorlage anhand der induzierten Spannung in der Hilfswicklung festgestellt werden kann. Da die Hilfswicklung von der Antriebswicklung unabhängig ist, finden sich in der Hilfewicklung keine Störgrößen wie in der Antriebswicklung, so dass ein Signal-Rausch-Abstand verbessert, insbesondere vergrößert, ist. Somit ermöglicht die Hilfswicklung, die Rotorlage auch bei niedrigen Drehzahlen sicher und zuverlässig abzuschätzen.

Unter der Antriebswicklung ist im Rahmen dieser Erfindung die Gesamtheit aller Spulen an dem Rotor oder dem Stator anzusehen, die zu einer Phase verschaltet sind. Insbesondere sind mehrere Phasen vorhanden, sodass mehrere

Antriebswicklungen an dem Grund körper angebracht sind. Die einzelnen Antriebswicklungen können damit als einzelne Phasen des Elektromotors angesteuert werden. Jede Antriebswicklung umfasst zumindest eine Spule, insbesondere mehrere Spulen, wobei jede Spule an einem Zahn oder an mehreren Zähnen des Grundkörpers angebracht ist. Die Spulen können unabhängig voneinander gefertigt werden und an dem Elektromotor nach einem vordefinierten Schema zu der Phase verschaltet sein in gleicher Weise ist unter einer Hilfswicklung im Rahmen dieser Erfindung die Gesamtheit aller Spulen an dem Rotor oder dem Stator anzusehen, die, insbesondere urch

Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung, miteinander verschaltet sind, an denen eine induzierte Spannung abgegriffen wird und die nicht zum Antrieb des Rotors beitragen. Es können z.B. zwei Spulen zu einer Hilfswicklung

zusammengeschaltet werden, so dass sich das Signal der induzierten Spannung erhöhen lässt und damit auch die Genauigkeit der Bestimmung der Rotorlage, insbesondere bei geringen Drehzahlen.

Der Elektromotor kann z.B. als Bürsten motor oder als elektronisch kommutierter Motor, z.B. als bürstenloser Gleichstrommotor, ausgebildet sein. Ein elektronisch kommutierter Motor, z.B. bürstenloser Gleichstrommotor oder eine permanent erregte Synchronmaschine, kann z.B. drei Phasen und damit drei

Antriebswicklungen umfassen, so dass die gesamte Anzahl der Spulen

bevorzugt ein Vielfaches von 3 beträgt. Der Rotor weist vorteilhafterweise keine Wicklung auf, sondern umfasst Permanentmagnete. Er kann z.B. als

Permanentmagnet ausgebildet sein. Dadurch ist ermöglicht, dass keine

elektrische Energie zwischen dem Rotor und einem feststehenden Element übertragen werden muss. Daher sind die Antriebswicklung und die Hilfewicklung vorteilhafterweise an dem Stator angebracht. Allerdings ist, wie zuvor beschrieben, ebenso möglich, die Antriebswicklung und die Hilfewicklung auch an dem Rotor anzubringen, wenn eine entsprechende Energieübertragung, beispielsweise durch Schleifringe, gewährleistet ist. Unter der Hilfewicklung ist im Rahmen dieser Erfindung eine Spule oder eine Verschaltung von mehreren Spulen zu verstehen, an der bzw. an denen eine Spannung messbar ist.

Bei einem 3-Phasensystem sind vorteilhafterweise zwei Spulen pro Phase, d.h. pro Antriebswicklung, vorhanden. In diesem Fall sind benachbarte Spulen bevorzugt 60° zueinander versetzt, Spulen, die zu der gleichen Phase/Wicklung gehören sind dann um 180° versetzt. Bei nur einer Spule pro Phase/Wicklung ist der Abstand zwischen den Spulen: 120° (aber jede Spule gehört zu einer anderen Phase/Wicklung). Somit lässt sich ein gleichmäßiges Drehfeld erzeugen, das zum Antrieb des Rotors dient. Ist die Hilfswicklung analog zu der Antriebswicklung gewickelt, so ist dadurch außerdem ein hinreichend genaues Bestimmen oder Abschätzen einer aktuellen Rotorlage ermöglicht.

Grundsätzlich ist es auch möglich, dass lediglich zwei Antriebswicklungen und damit lediglich zwei Phasen vorhanden sind oder auch mehr als drei

Antriebswicklungen und damit mehr als drei Phasen.

Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Bevorzugt ist die Hilfewicklung galvanisch von der Antriebswicklung getrennt. Somit ist ein gegenseitiges Beeinflussen von Antriebswicklung und Hilfewicklung verhindert oder zumindest erschwert. Dies ermöglicht insbesondere eine

Trennung der Aufgaben von Hilfswicklung und Antriebswicklung, wie zuvor beschrieben, umzusetzen. Somit dient die Antriebswicklung ausschließlich zum Antreiben des Rotors, während mittels der Hilfswicklung eine Rotorlage abgeschätzt bzw. bestimmt werden kann. Daher können die hohen Ströme, die üblicherweise innerhalb der Antriebswicklung fließen, nicht zu Störgrößen führen, die die Schätzung bzw. Bestimmung negativ beeinflussen.

Bevorzugt sind wenigstens zwei Hilfswicklungen am Stator vorgesehen. Diese Hilfewicklungen sind insbesondere unabhängig voneinander und erlauben somit das Bestimmen der induzierten Spannung an zwei unterschiedlichen Positionen des Stators unabhängig voneinander. Die Hilfswicklungen erlauben somit eine verbesserte Abschätzung bzw. Bestimmung der aktuellen Rotorlage. Es ist vorgesehen, dass zwei zueinander benachbarte Hilfewicklungen in

Umfangsrichtung betrachtet bevorzugt um wenigstens 5° oder um wenigstens 15° voneinander beabstandet sind. Somit lässt sich insbesondere ein Raster an Hilfswicklungen bilden, dass ein feines Abtasten von induzierten Spannungen ermöglicht. Dadurch ist ein genaues Abschätzen bzw. Bestimmen der Rotorlage anhand der induzierten Spannung ermöglicht. Zum Auswerten der gemessenen induzierten Spannungen werden vorteilhafterweise mehrere Hilfewicklungen an unterschiedlichen Positionen zusammengeschaltet. Außerdem ist es vorteilhaft für jede Phasenwicklung eine oder mehrere Htlfewicklungen räumlich über den Umfang des Stators zu verteilen. Insbesondere lassen sich einzelne Paare von Hilfswicklungen bilden, wobei beispielsweise ein erstes Paar bezüglich einer Mittelachse des Elektromotors bei 0° und 180°, ein zweites Paar bei 60° und 240 und ein drittes Paar bei 120° und 300° angebracht ist. Somit sind die Paare von Hilfswicklungen gleichmäßig über den Stator oder Rotor verteilt und erlauben somit ein zuverlässiges Erfassen von induzierten Spannungen und ein daraus resultierendes zuverlässiges Abschätzen bzw. Bestimmen einer Rotorlage. Sind zumindest drei Hilfswicklungen vorhanden, kann die Auswertung der

gemessenen Spannungen z.B. mit Hilfe der Clarke-Transformation ausgeführt werden.

Vorteilhafterweise ist der Elektromotor derart ausgebildet, dass der Rotor ausschließlich durch die Antriebswicklung angetrieben wird. Dies bedeutet, dass lediglich durch die Antriebswicklung ein elektrischer Strom fließen muss. Durch die Hilfswicklung muss kein elektrischer Strom fließen. Vielmehr ist

vorteilhafterweise vorgesehen, dass kein elektrischer Strom oder nur ein minimaler elektrischer Strom durch die Hilfswicklung fließt (z.B. beim

hochohmigen Abgreifen bzw. Messen der induzierten Spannung), um negative Störeinflüsse eines Stromflusses durch die Hilfswicklung zu vermeiden. Somit wird wiederum die bereits beschriebene Trennung der Aufgaben der einzelnen Wicklungen erreicht. Die zumindest eine Hilfswicklung dient zum reinen Messen einer induzierten Spannung und einem Abschätzen bzw. Bestimmen der Rotoriage, basierend auf der gemessenen Spannung, während die

Antriebswicklung allein zum Antreiben des Elektromotors, insbesondere des Rotors, dient. Innerhalb der Antriebswicklung auftretende hohe Ströme haben daher keinen oder nahezu keinen Einfluss auf die Abschätzung bzw.

Bestimmung der aktuellen Rotorlage.

Der Grund körper weist vorteilhafterweise mehrere Zahnelemente auf. Die Zahnelemente können z.B. jeweils eine Spule der Antriebswicklung aufnehmen. Beispielsweise nehmen alle Zahnelemente zusammen die gesamte

Antriebswicklung auf. Außerdem umfasst der Grundkörper ein Jochelement. Das Jochelement dient zum ringförmigen Verbinden der Zahnelemente. Es ist auch möglich, dass die Antriebswicklung zumindest teilweise auf dem Jochelement angeordnet ist. Jede Hilfswicklung ist entweder an dem Zahnelement oder an dem Jochelement angeordnet. Somit lassen sich optimale Messergebnisse erzielen. Es ist insbesondere vorgesehen, dass sich die Zähne in einer radialen Richtung erstrecken, während das Jochelement in Umlaufrichtung verläuft. Die

Radialrichtung und die Umlaufrichtung werden insbesondere basierend auf einer Mitelachse des Elektromotors bestimmt. Die Mitelachse des Elektromotors Ist insbesondere eine Mitelachse des Rotors und somit eine Achse, um die sich der Rotor dreht. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Hilfswicklung an dem Zahnelement und/oder an dem Jochelement angebracht ist. Hilfswicklungen können sich insbesondere auch an mehreren Zahnelementen und/oder an mehreren Stellen an dem Jochelement befinden. Die genaue Ausgestaltung der Anbringung der zumindest einen Hilfswicklung ist abhängig von einer konkreten Aufbausituation des Elektromotors und von Anforderungen hinsichtlich der Genauigkeit der Schätzung der aktuellen Rotoriage.

Besonders vorteilhaft befinden sich alle Hilfewicklungen entweder an dem Zahnelement oder an dem Jochelement. Bei einer Anbringung an dem

Jochelement ist bei Einzelzahnwicklung genügend Platz für die Hilfewicklung vorhanden und thermisch vorteilhaft, da Spulen sehr heiß werden können.

Außerdem ist diese Anbringung selbst bei verteilter Wicklung sehr einfach realisierbar, da keine Überlagerung der Hilfewicklung und Antriebswicklung im Bereich des Wickelkopfes auftritt. Bei einer Anbringung an dem Zahnelement ist die Konstruktion des Jochelements einfacher, da keine Aussparung nötig ist.

Eine solche Aussparung ist zur Aufnahme der Wicklung vorteilhaft, da radiale Überstände über den Außendurchmesser des Jochelements wegen der Montage in ein Motorgehäuse bevorzugt vermieden werden sollen. Außerdem ergibt sich eine einfachere Verbindung der Hilfespulen zu einer Elektronik.

Die zumindest eine Hilfewicklung ist bevorzugt an einer gleichen Stelle wie zumindest ein Teil der zumindest einen Antriebswicklung an dem Grundkörper angebracht. Die Hilfewicklung ist besonders vorteilhaft über der Antriebswicklung angebracht. Die Antriebswicklung ist vorteilhafterweise an den Zahnelementen wie zuvor beschrieben angebracht. Somit ist die Hilfewicklung vorteilhafterweise ebenfalls an den Zahnelementen angebracht, wobei die Hilfswicklung auf die Antriebswicklung aufgewickelt ist. Dies bedeutet, dass das Zahnelement zunächst mit der Antriebswicklung bewickelt wird, anschließend wird die

Antriebswicklung mit der Hilfswicklung bewickelt. Somit befindet sich die

Hilfewicklung oberhalb der Antriebswicklung, wodurch die Hilfewicklung nicht durch die Antriebswicklung abgeschirmt wird. Die Hilfswicklung kann somit sicher und zuverlässig eine induzierte Spannung messen, ohne von der

Antriebswicklung gestört zu werden.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein Leitungsquerschnitt der Hilfswicklung kleiner als ein Leitungsquerschnitt der Antriebswicklung ist. Unter Leitungsquerschnitt ist derjenige Querschnitt zu verstehen, den ein Draht aufweist, der zur Erzeugung der Antriebswicklung oder der Hilfswicklung gewickelt wurde. Dies bedeutet, dass für die Hilfswicklung ein Draht mit einem geringeren Querschnitt als für die Antriebswicklung verwendet werden kann. Dies ist deshalb möglich, da die

Hilfswicklung nicht von großen Strömen durchflossen wird, wie dies bei der Antriebswicklung der Fall ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die

Hilfswicklung von keinem Strom oder nur von einem minimalen,

vernachlässigbaren, Strom durchflossen wird {z.B, bei einem hochohmigen Abgreifen der induzierten Spannung, z.B. kann dabei ein Widerstand beim Abgreifen der Spannung ein Mega-Ohm überschreiten). Somit ist ermöglicht, dass der Leitungsquerschnitt der Hilfswicklung kleiner als der Leitungsquerschnitt der Antriebswicklung ist. Besonders bevorzugt ist der Leitungsquerschnitt der Hilfswicklung maximal halb so groß wie der Leitungsquerschnitt der

Antriebswicklung. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Leitungsquerschnitt der Hilfswicklung maximal 20% oder maximal 3% oder sogar maximal 1% des Leitungsquerschnitts der

Antriebswicklung beträgt. Dadurch können Kosten und Gewicht gespart werden, da ein wesentlich dünnerer Draht ausreichend ist, um die Hilfswicklung

auszuführen und dennoch ein ausreichend gutes Signal-Rausch-Verhältnis der induzierten Spannung zu erzielen.

Beispielsweise beträgt der Querschnitt der Hilfswicklung maximal 0,5mm ² , z.B. 0,14mm ² . Die Antriebswicklung kann dabei z.B. einen Querschnitt zwischen 1 mm ² und 100mm ² , z.B. zwischenlOmm ² und 40mm ² , z.B. 14mm ² aufweisen.

Eine Windungszahl der Hilfswicklung ist vorteilhafterweise größer als eine Windungszahl der Antriebswicklung. Besonders bevorzugt bezieht sich dies auf eine Stelle, an der Antriebswicklung und Hilfswicklung gleichzeitig vorhanden sind. So ist vorteilhafterweise an einem Zahnelement eine vordefinierte

Windungszahl der Antriebswicklung vorhanden, wobei zusätzlich eine weitere vordefinierte Windungsanzahl der Hilfswicklung vorhanden ist, wobei die

Windungszahl der Hilfswicklung größer oder gleich ist wie die Windungszahl der Antriebswicklung an dem Zahnelement, Insbesondere ist die Windungszahl der Hilfswicklung wenigstens um den Faktor 5 größer als die Windungszahl der Antriebswicklung, Besonders vorteilhaft ist die Windungszahl der Hilfewicklung wenigstens um den Faktor 10 größer als die Windungszahl der Antriebswicklung. Auf diese Weise lässt sich eine - gerade bei geringer Drehzahl mit einer geringen induzierten Spannung pro Windung der Hilfewicklung - induzierte Spannung in der Hilfewicklung vergrößern so dass ein ausreichend großes SignaFRausch-Verhältnis erzielt wird. Im Vergleich zu einer Messung der induzierten Spannung nur an der Antriebswicklung führt dies zu einer höheren induzierten Spannung und somit dazu, dass die Rotorlage auch bei sehr geringen Drehzahlen des Elektromotors sicher und zuverlässig abgeschätzt werden kann.

Insbesondere ist somit ermöglicht, zusammen mit dem zuvor beschriebenen verringerten Leitungsquerschnitt der Hilfswicklung, verglichen mit der

Antriebswicklung, mittels der Hilfewicklung dasselbe Volumen wie die

Antriebswicklung einzunehmen, wobei hierzu mehr Windungen als bei der Antriebswicklung verwendet werden können mit einem entsprechenden höheren Wert der induzierten Spannung.

Die Erfindung betrifft außerdem ein System, umfassend einen Elektromotor, wie zuvor beschrieben, und ein Steuergerät. Das Steuergerät ist zur Ermittlung einer Lage des Rotors anhand einer in der Hiifewicklung des Elektromotors induzierten Spannung ausgelegt. Da, wie zuvor beschrieben, die Hilfewicklung einen größeren Signal-Rausch-Abstand ermöglicht als bei Messung mittels der Antriebswicklung, kann das Steuergerät somit optimal eine Rotorlage des Elektromotors abschätzen. Somit ist ein verbessertes Ansteuem einer

Kommutierung des Elektromotors ermöglicht. Dies gilt insbesondere für niedrige Drehzahlbereiche, bei denen eine Messung der induzierten Spannung anhand der Antriebswicklung einen sehr geringen Signal-Rausch-Abstand aufweist.

Vorteilhafterweise ist das Steuergerät ausgebildet, während eines Messens einer in der Hilfswicklung induzierten Spannung die Antriebswicklung zumindest teilweise stromlos zu schalten. Dadurch werden seitens der Antriebswicklung keine Störeinflüsse auf die Hilfewicklung ausgeübt. Es kann somit eine hochwertige Messung der induzierten Spannung vorgenommen werden. ln einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Spannungsmessvorrichtung zum Messen einer elektrischen Spannung an der Hilfswicklung vorhanden bzw. vorgesehen ist, Die Spannungsmessvorrichtung kann insbesondere Teil des Steuergeräts sein. Die Spannungsmessvorrichtung ist insbesondere hochohmig (z.B. größer als 500 Kilo-Ohm oder größer als ein Mega-Ohm oder größer als 10 Mega-Ohm) ausgebildet, wodurch ein in der Hilfswicklung fließender elektrischer Strom minimiert ist. Die Hilfswicklung ist vorteilhaftenweise zum Messen der induzierten Spannung vorgesehen. Daher ist jeglicher Stromfluss innerhalb der Hilfswicklung unerwünscht. Somit ist bevorzugt lediglich die Spannungsmessvorrichtung mit der Hilfswicklung gekoppelt, wodurch ein hoher elektrischer Widerstand an die Hilfswicklung angeschlossen ist. Dies führt dazu, dass beim Messen der induzierten Spannung nur ein sehr geringer Ström fließen kann. Somit sind negative Auswirkungen auf die

Hilfswicklung und die Messung der induzierten Spannung mittels der

Hilfewicklung minimiert oder sogar ausgeschlossen.

Das Steuergerät ist vorteilhafterweise eingerichtet, anhand eines Vergleichs einer in der Hilfswicklung induzierten Spannung und einer an der nicht stromlos geschalteten Antriebswicklung messbaren Spannung eine Temperatur innerhalb des Elektromotors zu ermitteln. So ist an der Hilfswicklung lediglich die induzierte Spannung messbar. An der Antriebswicklung hingegen ist eine Spannung messbar, die aus der induzierten Spannung durch das Rotormagnetfeld, des induktiven Spannungsabfalls durch Selbstinduktivität und Koppelinduktivität und dem ohmschen Spannungsabfall über dem Spulenwiderstand resultiert. Der Spulenwiderstand ist der elektrische Widerstand der entsprechenden Phase der Antriebswicklung und somit abhängig von einer Temperatur. Da der Anteil der induzierten Spannung durch das Rotormagnetfeld aufgrund der Hilfewicklung bekannt ist und die übrigen Anteile der induzierten Spannung aufwandsarm ermittelbar oder zumindest abschätzbar sind, kann aus der an der

Antriebswicklung gemessenen Spannung der zuvor beschriebene ohmsche Spannungsabfall extrahiert werden. Der durch die Antriebswicklung fließende Strom kann ebenfalls einfach und aufwandsarm ermittelt werden, so dass sich der elektrische Widerstand, den die entsprechende Phase der Antriebswicklung aktuell aufweist, ermittelt werden kann. Dies ermöglicht einen Rückschluss auf eine aktuelle Temperatur der Antriebswicklung und damit eine Temperatur innerhalb des Elektromotors. Das Steuergerät ist vorteilhafterweise außerdem dazu ausgebildet, den

Elektromotor anzutreiben. Hierzu steuert das Steuergerät z.B. ausschließlich die Antriebswicklung an, um ein Drehfeld zu erzeugen, durch das der Rotor des

Elektromotors rotiert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigt;

Figur 1 schematisch einen Elektromotor gemäß einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsform der Erfindung

Figur 1 zeigt schematisch einen Elektromotor 1 gemäß einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Elektromotor 1 umfasst einen Rotor 2 und einen Stator 3. Für den Elektromotor 1 ist eine Mittelachse 100 definiert, wobei bezüglich dieser Mittelachse 100 eine Umlaufrichtung UM und eine Radialrichtung R vorhanden ist. Der Rotor 2 weist insbesondere mehrere Permanentmagnete auf. Der Stator 3 weist mehrere Antriebswicklungen 5 auf, wobei durch die Antriebswicklungen 5 im dargestellten Ausführungsbeispiel drei Phasen gebildet sind (grundsätzlich sind auch nur zwei Phasen oder auch mehr als drei Phasen möglich). Jede Antriebswickiung 5 umfasst wiederum zwei Spulen 12a, 12b, 12c.

So weist eine Antriebswicklung 5 ein Paar von ersten Spulen 12a auf, eine weitere Antriebswickiung 5 weist ein Paar von zweiten Spulen 12b auf, und wiederum eine weitere Antriebswickiung 5 weist ein Paar von dritten Spulen 12c auf. Die einzelnen Spulen 12a, 12b, 12c sind jeweils um 60° in Umlaufrichtung UM betrachtet versetzt an dem Stator 3 angebracht. Der Stator 3 weist dazu eine Vielzahl von Zahnelementen 8 auf, die sich in Radialrichtung R erstrecken. Über ein in Umlaufrichtung UM verlaufendes Jochelement 9 sind ein magnetischer Rückschluss sowie eine mechanische Verbindung der einzelnen Zähne 8 erreicht. Das Jochelement 9 und die Zähne 8 bilden zusammen einen

Grundkörper 4 des Stators 3. ^' Der Elektromotor 1 ist Teil eines Systems 13 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das System 13 umfasst weiterhin ein Steuergerät 10, wobei das Steuergerät 10 einerseits zum Abschätzen bzw. Bestimmen einer Rotorlage des Rotors 2 und zum Ansteuem der einzelnen Phasen der Antriebswicklung 5 vorgesehen ist. Hierzu ist das Steuergerät 10 mit einer Leistungselektronik 11 verbunden. Die Leistungselektronik 1 1 dient zum Ansteuern der einzelnen Phasen der Antriebswicklung 5. Die Kommutierung erfolgt hier beispielhaft sensorlos, d.h. ohne Informationen eines Positionssensors, der eine aktuelle Rotorlage des Rotors 2 bestimmt. Vielmehr wird eine Rotorlage des Rotors 2 anhand einer von dem Rotor 2 induzierten Spannung ermittelt.

Hierzu ist vorgesehen, dass zumindest eine Hilfswicklung 6 an dem Grundkörper 4 des Stators 3 angebracht ist. In Figur 1 sind zwei Hilfswicklungen 6 gezeigt, wobei jede Hilfswicklung 6 mit einer Spannungsmessvorrichtung 7 gekoppelt ist, die eine induzierte Spannung an der Hilfswicklung 6 ermittelt. Die

Spannungsmessvorrichtung 7 ist wiederum zur Signalübertragung mit dem Steuergerät 10 gekoppelt, so dass dem Steuergerät 10 eine induzierte Spannung zur Verfügung steht. Basierend auf dieser von dem Rotor 2 in den

Hilfswicklungen 6 induzierten Spannung lässt sich eine aktuelle Rotorlage des Rotors 2 abschätzen.

In Figur 1 ist beispielhaft gezeigt, dass jede Hilfswicklung 6 entweder über die Antriebswicklung 5 gewickelt ist oder alternativ an dem Jochelement 9 zwischen zwei Zähnen 8 vorhanden ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass je eine

Hilfswicklung 6 an jedem Zahnelement 8 des Grundkörpers 4 des Stators 3 angebracht ist und/oder an dem Jochelement 9 zwischen jedem Zahnelement 8 des Grundkörpers 4 des Stators 3. Ist eine Hilfswicklung 6 an dem Zahnelement 8 angebracht, so ist diese Hilfswicklung 6 bevorzugt oberhalb der

Antriebswicklung 5 an diesem Zahnelement 8 angeordnet Dies bedeutet, dass das Zahnelement 8 zunächst mit der Antriebswickiung 5 bewickelt wird, anschließend mit der Hilfswicklung 6. Somit kann die Antriebswicklung 5 die Hilfswicklung 6 nicht abschirmen und/oder bedecken, was zu einer negativen Beeinflussung der Hilfswicklung 6 führen würde. Besonders vorteilhaft befindet sich die Hiifswicklung 6 entweder an dem Zahnelement 8 oder an dem

Jochelement 9. lm Folgenden wird beispielhaft beschrieben, wie mittels der Hilfswicklungen 6, die an den Zahnelementen 8 vorhanden sind, eine Abschätzung der Rotorlage des Rotors 2 erfolgen kann. Für den Fall, dass Hilfsspulen 6 um das

Jochelement gewickelt sind, ist lediglich eine entsprechende

Phasenverschiebung zu berücksichtigen.

In einer ersten Alternative ist ermöglicht, eine Spannung an der Hilfswicklung 6 zu messen. Hierzu wird ein Verfahren angewandt, das einem bekannten

Verfahren aus dem Stand der Technik sehr ähnlich ist. Der Unterschied ist, dass im Stand der Technik stets die Antriebswicklung 5 selbst zum Messen der induzierten Spannung verwendet wurde. Dieses bekannte Verfahren wird nachfolgend kurz skizziert:

Die Spannung wird von der Klemme des Elektromotors 1 zum Sternpunkt gemessen. Dazu muss der Sternpunkt des Elektromotors 1 entweder nach außen geführt oder mittels eines Widerstandsnetzwerkes in dem Steuergerät 10 nachgebildet werden.

Geht man davon aus, dass - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - Phase U stromlos geschaltet worden ist, so entspricht die Spannung zwischen Klemme U und dem Stempunkt des Elektromotors 1 genau der Spannung, die durch das Permanentmagnetfeld in der Wicklung U induziert wird. Die Einflüsse der Ströme in den Phasen V und W auf diese Spannung löschen sich aufgrund von

Symmetrieeigenschaften des Elektromotors 1 gegenseitig aus. Es gilt wobei Y _rh den Permanentmagnetfluss, w die Drehgeschwindigkeit des

Elektromotors 1 und f den zu bestimmenden Winkel bezeichnet. Indem man den Nulldurchgang der Spannung U _u delektiert, lässt sich zweimal pro Umdrehung der Rotorwinkel f bestimmen, nämlich bei 0“ und 180°. Voraussetzung ist, dass das Signal Uu eine ausreichende Amplitude hat bzw. dass die Drehzahl ausreichend hoch ist - wie man an obiger Formel sehen kann. Entsprechend geht man mit den anderen Phasen vor und kann so 6-mal pro Umdrehung den Winkel aus der gemessenen Spannung bestimmen. Dazwischen interpoliert man z.B. im einfachsten Fall anhand der aktuellen Drehzahl. Um die entsprechende Phase zur Detektion des Nulldurchganges stromlos zu schalten gibt es u.a. die folgenden Möglichkeiten: (a) bei Sinusansteuerung des Elektromotors 1 pridiziert man den Zeitpunkt des nächsten Nulldurchganges und schaltet kurz vorher die Phase aus; (b) bei 120° Biockkommutierung ist ganz natürlich jede Phase für einen Teil der Motorumdrehung stromlos.

Bei Verwendung der über die Antriebswickiungen 5 gewickelten Hilfswicklung 6 kann man völlig analog vorgehen. Dazu wird die Hilfswicklung 6 ebenfalls zu einem Stern punkt verschaltet. Es ergeben sich folgende Vorteile:

• Die Hilfswicklung 6 ist nicht mit der Leistungselektronik 11 verbunden. Es wird daher eine höhere Signalqualität bzw. weniger Störungen erwartet.

• Die Enden der Hilfswicklung 6 werden außerhalb des Elektromotors 1 bzw. in dem Steuergerät 10 zu einem Sternpunkt verschaltet. Das ist deutlich einfacher als den Sternpunkt des Elektromotors 1 nach außen zu führen oder den Sternpunkt durch ein Widerstandsnetzwerk nachzubilden.

• Um die Motordrehzahl, ab der eine zuverlässige Bestimmung des Winkels möglich ist, abzusenken, kann die Hilfewicklung 6 eine um Faktor N höhere Anzahl von Windungen pro Zahnelement 8 gegenüber der Antriebswicklung 5 erhalten. Damit wird die Spannung bei gleicher Drehzahl ebenfalls um Faktor N höher.

Alternativ kann die Abschätzung bzw. Bestimmung der Rotorlage des Rotors 2 auch basierend auf einer Berechnung der induzierten Spannung durchgeführt werden.

Auch hier wird zunächst das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren unter Verwendung der Antriebswicklung 5 dargestellt und anschließend die mit der Hilfswicklung 6 auftretenden Unterschiede bzw. Vorteile aufgezeigt.

Aus den Differentialgleichungen einer Synchronmaschine lässt sich durch Integration folgende Gleichung für den Vektor des Permanentmagnetflusses herleiten: wobei ti ⁵ die anliegende Spannung, f der Phasenstrom, R _s der Strangwiderstand und L _s die Induktivitätsmatrix bezeichnen. Diese Gleichung kann online ausgewertet werden, und aus der Richtung des Vektors ergibt sich schließlich der gesuchte Winkel des Rotors 2.

Diese Vorgehensweise kann in ähnlicher Weise mit der Hilfswicklung 6 angewandt werden. Die Spannung ist die an der Hilfswicklung 6 gemessene. Der Term, welcher den Spannungsabfall am Widerstand beschreibt, entfällt jedoch, weil in der Hilfewicklung 6 kein oder ein vernachlässigbar kleiner Strom fließt

(hochohmiger Spannungsabgriff). Der letzte Term in der obigen Gleichung bleibt bestehen. Die Induktivitätsmatrix enthält jetzt allerdings die Koppelinduktivitäten, weiche den Einfluss des Stromes in der jeweiligen Antriebswicklung auf die Spannung in der Hilfswicklung 6 beschreiben.

Der Hauptvorteil bei Verwendung der Hiifswickiung 6 besteht hier im Entfall des Terms für den ohmschen Spannungsabfall, da der Parameter Rs mit der Temperatur sowie ggf. der Frequenz bzw, der Drehzahl des Elektromotors 1 variiert und damit Unsicherheiten enthält, die die Qualität der Winkeiberechnung beeinträchtigen können.

Ebenso ist ermöglicht, durch eine Messung, die sowohl an der Hilfswicklung 6 als auch an der Antriebswicklung 5 durchgeführt wird, den Term für den ohmschen Spannungsabfall zu isolieren, um somit den Parameter R$z u ermitteln. Daraus lässt sich vorteilhafterweise eine Temperatur der Antriebswicklung 5 ableiten, was auf einfache Art und Weise die Umsetzung eines Temperatursensors des Elektromotors 1 ermöglicht.

Der Elektromotor 1 ist beispielhaft mit einer Drehzahlregelung ausgestattet, wobei eine Drehzahl z.B. im Bereich von 10 ⁶ rpm (Umdrehungen pro Minute) liegen kann. Ein maximaler effektiver Phasenstrom beträgt mehrere hundert Ampere. Durch die Aufteilung in zwei parallele Spulen 12 pro Phase ergibt sich ein Strom beispielsweise zwischen 100 A und 200 A durch jede einzelne Spule 12.

Die Antriebswicklung 5 umfasst bevorzugt einen Leiter mit einer

Querschnittsfläche zwischen 1mm ² und 100mm ² , z.B. zwischenlOmm ² und 40mm ² , z.B. 14mm ² . Beispielsweise ist auch ein Litzendraht mit 10 mm ² Querschnittsfläche verwendbar, Eine Windungszahi pro Zahnelement 8 beträgt 10. Dahingehend beträgt ein Querschnit des Leiters der Hilfsspule z.B, lediglich maximal 1 ,0mm ² oder maximal 0,5mm ² , z.B, 0,14mm ² ,

Die Hilfswicklung 6 ist vorteilhafterweise hochohmig ausgebildet und erlaubt keinen oder nur einen minimalen Stromfluss. Die Windungszahl der Hilfswicklung 6 ist z.B. größer oder gleich der Windungszahl der Antriebswicklung 5 pro Zahnelement 8. Beispielsweise können 10 Windungen bei der Antriebswicklung 5 und ebenfalls 10 Windungen für die Hilfswicklung 6 vorgesehen sein. Es können jedoch z.B. auch bei 10 Windungen der Antriebswicklung 5 wenigstens 20 Windungen der Hilfewicklung 6 oder wenigstens 50 Windungen oder sogar wenigstens 100 Windungen der Hilfewicklung 6 vorgesehen sein. Als Leiter für die Hilfswicklung 6 kann z.B. Kupferdrahtlack verwendet werden.

Die Hilfswicklung 6 ist vorteilhafterweise von der Antriebswicklung 5 galvanisch getrennt. Insbesondere ist somit erreicht, dass Störgrößen der Antriebswicklung 5 eine Messung der induzierten Spannung mittels der Hilfswicklung 6 nicht beeinflussen. Des Weiteren ist in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Hilfewicklungen 6 allesamt einen Abstand von 60° aufweisen. Es ist vorgesehen, dass in Umlaufrichtung UM zumindest ein Abstand von wenigstens 5° oder wenigstens 15“ besteht.

In Figur 1 ist außerdem gezeigt, dass eine strikte Aufgabentrennung zwischen Hilfswicklung 6 und Antriebswicklung 5 besteht. So ist die Antriebswicklung 5 mit der Leistungselektronik 1 1 verbunden, während die Hilfewicklung 6 mit der

Spannungsmessvorrichtung 7 verbunden ist. Ein Antrieb des Elektromotors 1 über die Hilfswicklungen 6 ist nicht vorgesehen. Ebenso ist im dargestellten Ausführungsbeispiel auch eine Messung der induzierten Spannung über die Antriebswicklung 5 nicht vorgesehen.

Grundsätzlich kann - wie oben beschrieben - die Abschätzung bzw. Bestimmung der Rotorlage jedoch auch durch die Erfassung bzw. Messung der induzierten Spannungen an der Hilfswicklung 6 und an der Antriebswicklung 5 erfolgen.