Die Erfindung betrifft einen Targetträger für einen berührungslosen Rotorlagesensor einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs zum berührungslosen Bestimmen einer Lage eines Rotors der elektrischen Antriebsmaschine, wobei der Targetträger drehfest an einem Rotoreisen des Rotors anordenbar ist und ein von dem Rotorlagesensor abtastbares Target aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem einen Rotor, eine elektrische Antriebsmaschine und ein Kraftfahrzeug.

Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Antriebsmaschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Solche elektrischen Antriebsmaschinen weisen einen ortsfesten Stator mit bestrombaren Statorwicklungen sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Der Rotor weist ein Rotoreisen, beispielsweise ein Blechpaket, auf, welches eine magnetfelderzeugende Komponente, beispielsweise bestrombare Rotorwicklungen, trägt. Zum Bestimmen einer Rotorlage im Betrieb der elektrischen Maschine ist es aus dem Stand der Technik bekannt, einen berührungslosen Rotorlagesensor zu verwenden und einen Targetträger mit einem von dem Rotorlagesensor abtastbaren Target drehfest an dem Rotor zu befestigen. Der Rotorlagesensor ist durch Abtastung des Targets dazu ausgelegt, die Lage des Targets und damit des Rotors zu bestimmen. Der Targetträger mit dem Target ist üblicherweise ein zusätzliches Bauelement, welches in zusätzlichen Montageschritten an einer mit dem Rotoreisen drehfest verbundenen Rotorwelle des Rotors angeordnet wird und welches somit zusätzlichen Bauraum benötigt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und bauteilsparende Lösung zum Bestimmen einer Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Antriebsmaschine bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Targetträger, einen Rotor, eine elektrische Antriebsmaschine sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.

Ein Targetträger für einen berührungslosen Rotorlagesensor einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs zum berührungslosen Bestimmen einer Lage eines Rotors der elektrischen Antriebsmaschine ist drehfest an einem Rotoreisen des Rotors anordenbar und weist ein von dem Rotorlagesensor abtastbares Target auf. Der Targetträger ist dabei durch einen Stützring ausgebildet, welcher zum Stabilisieren des Rotors im Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine an einer Stirnseite des Rotoreisens anordenbar ist und welcher als das Target ein Höhenprofil aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweist.

Die Erfindung betrifft außerdem einen Rotor für eine elektrische Antriebsmaschine eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs. Der Rotor weist ein Rotoreisen, eine magnetfelderzeugende Komponente, welche von Rotoreisen gehalten ist; und zumindest einen erfindungsgemäßen Targetträger auf, welcher an einer Stirnseite des Rotoreisens angeordnet und drehfest mit dem Rotoreisen verbunden ist. Das Rotoreisen kann beispielsweise als ein Blechpaket aus axial gestapelten Elektroblechlamellen ausgebildet sein. Eine erfindungsgemäße elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug weist einen Stator, einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten erfindungsgemäßen Rotor und einen Rotorlagesensor auf, welcher ortsfest bezüglich des Rotors und damit bezüglich des Targets gelagert ist.

Die elektrische Antriebsmaschine ist insbesondere eine Innenläufer-Maschine, bei welcher der Stator den Rotor umgibt und der Rotor somit innerhalb des Stators drehbar gelagert ist. Die elektrische Antriebsmaschine kann beispielsweise eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM) sein, bei welcher der Rotor als die magnetfelderzeugende Komponente Permanentmagnete aufweist, welche an dem Rotoreisen angeordnet sind. Die Permanentmagnete können beispielsweise ins Rotoreisen eingebettet sein. Auch kann die elektrische Antriebsmaschine eine Asynchronmaschine (ASM) sein, bei welcher der Rotor als die magnetfelderzeugende Komponente einen Kurzschlusskäfig aufweist. Bevorzugt ist die elektrische Antriebsmaschine als eine fremderregte bzw. stromerregte Synchronmaschine (SSM) ausgebildet, bei welcher der Rotor als die magnetfelderzeugende Komponente bestrombare Rotorwicklungen aufweist, welche von dem Rotoreisen gehalten werden. Dazu kann der Rotor beispielsweise eine Schenkelpolgeometrie aufweisen, bei welcher das Rotoreisen Schenkelpole aufweist, um welche die Rotorwicklungen gewickelt sind. Auch kann das Rotoreisen Nuten aufweisen, in welche die Rotorwicklungen eingeschoben sind. Die Rotorwicklungen bilden an einander axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotoreisens Wickelköpfe aus.

Der Rotor weist außerdem zwei Stützringe auf, welche an den axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotoreisens angeordnet und drehfest mit dem Rotoreisen verbunden sind. Die Stützringe dienen zum Stabilisieren des Rotors beim Rotieren des Rotors im Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine. Im Falle der PSM oder der ASM dienen die Stützringe insbesondere als Wuchtscheiben. Im Falle der SSM umgeben die Stützringe die Wickelköpfe zumindest bereichsweise und sind zum Stabilisieren und Fixieren der Wickelköpfe ausgebildet, welche beim Rotieren des Rotors einer Fliehkraft ausgesetzt sind. Zusätzlich können die Stützringe zum Kühlen des Rotors ausgebildet sein, indem sie beispielsweise eine an der magnetfelderzeugenden Komponente entstehende Abwärme aufnehmen und abführen. Die Stützringe sind insbesondere stoffschlüssig mit dem Rotoreisen verbunden. Dazu können die Stützringe und das Rotoreisen vergossen werden, indem in einen Zwischenraum zwischen dem Stützring und dem Wickelkopf eine Vergussmasse, beispielsweise ein Kusntstoff, eingegossen wird.

Um im Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine eine Lage bzw. eine Position des Rotors relativ zum Stator erkennen zu können, weist die elektrische Antriebsmaschine zusätzlich den Rotorlagesensor auf. Der Rotorlagesensor ist durch Abtasten eines auf einem Targetträger angeordneten Messobjektes bzw. Targets, welches drehfest mit dem Rotoreisen verbunden ist und sich somit gemeinsam mit dem Rotor dreht, dazu ausgelegt, die Position des Rotors berührungslos zu erfassen. Der Rotorlagesensor ist dabei ortsfest bezüglich des Rotors gelagert. Insbesondere weist die elektrische Antriebsmaschine ein Gehäuse auf, in welchem der Rotor, der Stator und der Rotorlagesensor angeordnet sind, wobei der Rotorlagesensor an dem Gehäuse befestigt ist.

Der berührungslose Rotorlagesensor kann beispielsweise ein induktiver oder kapazitiver Sensor sein. Im Falle eines induktiven Rotorlagesensors weist der Rotorlagensensor bestrombare Sensorspulen auf, welche ein magnetisches Wechselfeld erzeugen. Dieses Wechselfeld induziert in dem elektrisch leitfähigen Target Wirbelströme. Ein von diesen Wirbelströmen abhängiges Sensorsignal, beispielsweise eine Änderung des Magnetfeldes infolge der Wechselströme, kann von dem Rotorlagesensor erfasst werden. Durch eine entsprechende geometrische Formung des Targets kann dabei die Position der Sensorspulen zum Target und damit die Position des Rotors relativ zum Rotorlagesensor festgestellt werden.

Der Targetträger ist dabei in vorteilhafter Weise kein separates Bauteil, welches mit der Rotorwelle verbunden werden muss, sondern ist durch zumindest einen der Stützringe ausgebildet. Hierdurch kann die Positionsbestimmung des Rotors auf besonders einfache, kostengünstige und bauteilsparende Weise realisiert werden. Der zum Stabilisieren des Rotors vorgesehene Stützring wird somit für die Positionsbestimmung mitgenutzt. In den Stützring ist das Target integriert und als ein Höhenprofil, insbesondere als ein zahnradflankenartiges Stufenprofil, ausgebildet. Der Stützring ist dabei zumindest im Bereich des Höhenprofils, insbesondere jedoch vollständig, aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet. Der Stützring kann dazu zumindest bereichsweise aus einem Metall, beispielsweise Aluminium oder Stahl, ausgebildet sein und durch Druckguss gefertigt werden. Das Höhenprofil wird dabei insbesondere durch Zerspanen des Stützrings im Bereich der dem Rotorlagensensor zugewandten Oberfläche gefertigt. Durch das Höhenprofil weist die Oberfläche des Stützringes entlang der Umfangsrichtung unterschiedliche Höhen auf. Beispielsweise sind die unterschiedlichen Höhen durch Stufen, also durch Erhebungen bzw. Ausbuchtungen und Vertiefungen bzw. Einbuchtungen, welche in Umfangsrichtung abwechselnd zueinander angeordnet sind, ausgebildet. Aufgrund des Höhenprofils verändert sich das von dem Rotorlagesensor erfasste Signal mit der Drehung des Rotors. Je näher das Target, beispielsweise aufgrund der Erhebungen, einer Sensorspule kommt, desto stärker sind die in dem Target induzierten Wirbelströme und damit auch das Sensorsignal.

Vorzugsweise weist der Stützring eine ringförmige Oberseite, welche überlappend mit der Stirnseite des Rotoreisens anordenbar ist, und einen zylinderförmigen Mantelbereich auf, welcher axial abstehend an einem Außenrand der ringförmigen Oberseite angeordnet ist. Der Stützring weist also im Querschnitt zumindest ein L-Profil auf. Der Stützring kann auch einen weiteren zylinderförmigen Mantelbereich aufweisen, welcher an einem Innenrand der ringförmigen Oberseite angeordnet ist und durch welchen der Stützring ein U-Profil aufweist. Der zylinderförmige Mantelbereich erstreckt sich dabei in axialer Richtung und in Umfangsrichtung. Die ringförmige Oberseite erstreckt sich in radialer Richtung und in Umfangsrichtung und ist überlappend mit der Stirnseite angeordnet. Der Innenrand des Stützringes kann beispielsweise an der Rotorwelle befestigt werden. Insbesondere sind in der Oberseite Öffnungen ausgebildet, über welche die Vergussmasse zum Vergießen des Rotors in den Zwischenraum zwischen dem Stützring und dem Rotoreisen eingefüllt werden kann.

Besonders bevorzugt ist das Höhenprofil ein axiales Höhenprofil und ist in der Oberseite des Stützringes ausgebildet. Der Rotorlagesensor ist somit in axialer Richtung benachbart zu dem Höhenprofil angeordnet. Dazu kann der Rotorlagesensor beispielsweise überlappend mit der Stirnseite des Rotoreisens angeordnet sein. Auch kann vorgesehen sein, dass das Höhenprofil ein radiales Höhenprofil ist und in dem Mantelbereich des Stützringes ausgebildet ist. Hier ist der Rotorlagesensor in radialer Richtung benachbart zu dem Höhenprofil angeordnet.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das Höhenprofil in ein elektrisch isolierendes Material, beispielsweise in einen Kunststoffverguss, eingebettet ist, sodass der Stützring im Bereich des elektrisch leitfähigen Höhenprofils eine planare Oberfläche aufweist.

Diese planare, ebene, stufenlose Oberfläche kann als Dichtkontur für den Verguss des Rotors genutzt werden kann. Dazu wird das Höhenprofil im Bereich der Einbuchtungen bis auf die Höhe der Ausbuchtungen aufgedickt, indem die Einbuchtungen, beispielsweise durch Umspritzen des Stützringes, mit dem Kunststoff gefüllt werden. Der Kunststoff beeinflusst dabei das berührungslose Messprinzip nicht. Durch den Kunststoff kann außerdem eine Festigkeit des Bauteils erhöht werden.

Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Targetträger vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Rotor, für die erfindungsgemäße elektrische Antriebsmaschine sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrischen Antriebsmaschine; und

Fig. 2 eine schematische Perspektivdarstellung einer Ausführungsform eines als Targetträger fungierenden Stützringes eines Rotors der elektrischen Antriebsmaschine.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine elektrische Antriebsmaschine 1 für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Die Antriebsmaschine 1 weist einen ortsfesten Stator 2 und einen bezüglich des Stators 2 drehbar gelagerten Rotor 3 auf. Der Rotor 3 ist in radialer Richtung R innerhalb des hohlzylinderförmigen Stators 2 angeordnet. Der Rotor 3 weist ein hohlzylinderförmiges Rotoreisen 4 auf, welches mit einer Rotorwelle 5 des Rotors 3 drefest verbunden ist. Außerdem weist der Rotor 3 eine magnetfelderzeugende Komponente 6 auf, welche hier als bestrombare Rotorwicklungen 7 ausgebildet ist. Die Rotorwicklungen 7 bilden an einander in axialer Richtung A gegenüberliegenden Stirnseiten 8 des Rotoreisens 4 Wickelköpfe 9 aus. Der Rotor 3 weist außerdem Stützringe 10, 11 auf, welche an den Stirnseiten 8 des Rotoreisens 4 angeordnet sind und dazu ausgelegt sind, den Rotor 3 zu stabilisieren. Hier sind die Stützringe 10, 11 im Bereich der Wickelköpfe 9 angeordnet und dienen dazu, eine mechanische Belastung des Rotors 3, welche aus auf die Wickelköpfe 9 wirkenden Fliehkräften resultiert, aufzunehmen. Auch können die Stützringe 10, 11 als Kühlkörper zum Kühlen der Rotorwicklungen 7 dienen.

Außerdem weist die elektrische Antriebsmaschine 1 einen Rotorlagesensor 12 bzw. Rotorlagegeber auf, welcher gemeinsam mit dem Stator 2 und dem Rotor 3 in einem Gehäuse 13 der elektrischen Antriebsmaschine 1 angeordnet ist. Der Rotorlagesensor 12 ist ortsfest gegenüber dem rotierbaren Rotor 3 gelagert und hier am Gehäuse 13 befestigt, beispielsweise festgeschraubt. Der Rotorlagesensor 12 ist dazu ausgebildet, eine Position bzw. Lage des Rotors 3 zu bestimmen, und ist insbesondere als ein induktiver Rotorlagesensor ausgebildet. Dazu weist der Rotor 3 ein von dem Rotorlagesensor 12 abtastbares Target 14 auf. Das Target 14 ist als ein Höhenprofil 15 in einer elektrisch leitfähigen Oberfläche eines der Stützringe 10, 11, hier des Stützringes 10 ausgebildet, sodass der Stützring 10 zusätzlich als Targetträger 16 fungiert.

Ein Ausführungsbeispiel des Stützringes 10 ist außerdem in Fig. 2 gezeigt. Der Stützring 10 weist eine ringförmige Oberseite 17 auf, welche axial benachbart zu dem Wickelkopf 9 und somit überlappend mit der Stirnseite 8 angeordnet ist. An einem Außenrand 18 der ringförmigen Oberseite 17 ist ein zylinderförmiger Mantelbereich 19 angeordnet, welcher sich in axialer Richtung A erstreckt und welcher den an der Stirnseite 8 angeordneten Wickelkopf 9 radial umgibt. Der Stützring 10 weist somit ein L-förmiges Profil auf. Ein Innenrand 20 der ringförmigen Oberseite 17 kann mit der Rotorwelle 5 drehfest verbunden werden. Der Stützring 10 kann beispielsweise aus einem Metall gefertigt sein, dessen äußere Oberfläche 21 bzw. Außenseite zum Ausbilden des Höhenprofils 15 zerspanend bearbeitet ist. Das Höhenprofil 15 ist hier als ein axiales Höhenprofil in Form von einem zahnradflankenförmigen Stufenprofil in der ringförmigen Oberseite 17 ausgebildet und weist somit sich in axialer Richtung A erstreckende Erhebungen 22 und Vertiefungen 23 auf, welche sich in Umfangsrichtung U abwechseln. Das Höhenprofil 15 erstreckt sich hier nur über einen Teil einer radialen Breite des Stützringes 10.

Der Rotorlagesensor 12 ist, wie in Fig. 1 gezeigt, axial benachbart zu dem Höhenprofil 15 angeordnet und tastet dieses somit ab. Die Oberseite 17 weist hier außerdem Öffnungen 24 auf, über welche eine Vergussmasse zum Vergießen der Wickelköpfe 9 und zum Befestigen des Stützringes 10 an dem Wickelkopf 9 in einen Bereich zwischen dem Wickelkopf 9 und dem Stützring 10 eingefüllt werden kann. Ferner sind die Vertiefungen 23 mit einem elektrisch nicht leitfähigen Material 25, beispielsweise einer Vergussmasse aus Kunststoff, aufgefüllt, sodass der Stützring 10 eine planare, ebene Oberfläche aufweist.