DE102020205027A1 - Control device for controlling an electrical machine, sensor arrangement for determining a rotor position of an electrical machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Steuergerät (40) zum Ansteuern einer elektrischen Maschine (10), die eine in einem Gehäuse (12) der elektrischen Maschine (10) drehbar gelagerte Rotorwelle (22) aufweist. Das Steuergerät (40) umfasst dabei eine Leiterplatte (42) zum Tragen einer elektronischen Schaltung zum Ansteuern der elektrischen Maschine (10).Die Erfindung betrifft auch eine Sensoranordnung (50) zur Bestimmung einer Rotorposition einer elektrischen Maschine (10).Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine (10), die mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät (40) versehen ist und/oder die eine erfindungsgemäße Sensoranordnung (50) umfasst.Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug, das mindestens eine erfindungsgemäße elektrische Maschine (10) umfasst.The invention relates to a control device (40) for controlling an electrical machine (10) which has a rotor shaft (22) rotatably mounted in a housing (12) of the electrical machine (10). The control device (40) comprises a printed circuit board (42) for carrying an electronic circuit for controlling the electrical machine (10). The invention also relates to a sensor arrangement (50) for determining a rotor position of an electrical machine (10). The invention also relates to an electrical machine (10) which is provided with the control device (40) according to the invention and / or which comprises a sensor arrangement (50) according to the invention. The invention further relates to a vehicle which comprises at least one electrical machine (10) according to the invention.
Description
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.The invention relates to a control device for controlling an electrical machine, which has a rotor shaft rotatably mounted in a housing of the electrical machine. The control device comprises a printed circuit board for carrying an electronic circuit for controlling the electrical machine.
Die Erfindung betrifft auch eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer Rotorposition einer elektrischen Maschine.The invention also relates to a sensor arrangement for determining a rotor position of an electrical machine.
Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine, die mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät versehen ist und/oder die eine erfindungsgemäße Sensoranordnung umfasst.The invention also relates to an electrical machine which is provided with the control device according to the invention and / or which comprises a sensor arrangement according to the invention.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug, das mindestens eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst.The invention further relates to a vehicle which comprises at least one electrical machine according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
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.Control devices of the type mentioned are known from the prior art. Electric vehicles and hybrid vehicles with an electric drive device often use an asynchronous machine or a synchronous machine as an electric motor, which can also be operated as a generator, both of which have a stationary or housing-fixed stator and a rotor rotatably mounted relative to the stator. As a rule, the stator carries three or more staggered winding strands of a drive winding, the drive strands being offset from one another by 120 ° / p, where p represents the number of pole pairs.
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.The asynchronous machine (ASM), for example, has a rotor which is made from electrically conductive rods which are short-circuited in a ring at the ends. If the magnetic rotor field rotates, a voltage is induced in it, which causes a current flow, which in turn builds up an opposing magnetic field, causing the rotor to rotate. Because the induced voltage becomes zero when the rotor field and stator rotate at the same speed, a differential speed occurs, which is referred to as slip and has a direct effect on the torque generated by the electric motor.
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.In the synchronous machine, the rotor usually consists of a rotor that carries an excitation coil in which a direct current flows, which generates a static magnetic field. Alternatively, a permanent magnet can also be used in the rotor to generate the static magnetic field. Then it is a so-called permanently excited synchronous machine (PSM), which has a higher efficiency due to the powerless excitation and is therefore very well suited for traction applications in motor vehicles. In this case, the speed of the rotor is basically identical to the speed of the exciter field, while the torque generated depends on the phase offset, i.e. the angular difference between the stator field and the rotor field.
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.For control, the speed of the rotor must be known in the case of the asynchronous machine and the absolute angular position of the rotor in the case of the permanently excited synchronous machine. Depending on the speed or angular position, an inverter of power electronics of the respective electric machine can be controlled in order to achieve the desired torque.
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.In order to determine these variables, it is known to use what is known as a resolver, which, however, requires a relatively large amount of installation space and requires complex signal preparation and processing as well as a complex structure of the resolver with wound coils. It is also known to provide speed sensors that are implemented, for example, based on one or more Hall elements that evaluate the magnetic field of the signal generator. Known operating principles of these sensors are magnetoresistive (AMR, GMR, TMR) or are based on the Hall effect. It is also known to provide inductive angle sensors based on decoupled coils or sensor devices which are based on the eddy current effect.
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.The sensor device built according to the current state of the art usually consists of a sensor transmitter and a sensor. The sensor is built discreetly, has its own housing, its own fastening elements and its own cable harness including connector. This is connected to an internal or external control unit or evaluation electronics.
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Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
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.A control device for controlling an electrical machine is proposed, the electrical machine having a rotor shaft rotatably mounted in a housing of the electrical machine.
Die elektrische Maschine kann gängig ausgeführt sein und als Asynchronmaschine oder Synchronmaschine ausgebildet sein.The electrical machine can be designed to be standard and designed as an asynchronous machine or synchronous machine.
Das Steuergerät umfasst dabei eine Leiterplatte (PCB, engl.: Printed Circuit Board) zum Tragen einer elektronischen Schaltung zum Ansteuern der elektrischen Maschine.The control device comprises a printed circuit board (PCB) for carrying an electronic circuit for controlling the electrical machine.
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.A circuit board can be understood to mean a device on which at least one electrical component can be arranged. The circuit board can be designed to be flexible. In particular, the circuit board can comprise a flexible material. The circuit board can be designed as a rigid-flex circuit board, for example as a bent rigid-flex circuit board. The circuit board can also be designed as a rigid circuit board, in particular a rigid circuit board with notches.
Erfindungsgemäß ist auf der Leiterplatte ein Positionssensor zur Bestimmung einer Rotorposition der elektrischen Maschine angeordnet.According to the invention, a position sensor for determining a rotor position of the electrical machine is arranged on the circuit board.
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.The position sensor is preferably designed as an inductive sensor that replaces the common resolver sensor technology with an inductive measuring principle. The position sensor has at least one coil arrangement which comprises at least one excitation coil and at least one receiver coil. The at least one excitation coil and the at least one receiver coil are designed as conductor tracks on the circuit board.
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.In the context of the present invention, a coil arrangement can in principle be understood to mean any device that comprises at least one coil. In the context of the present invention, a coil is generally understood to mean any component that has an inductance and is suitable for generating a magnetic field when a current flows, and / or vice versa. For example, a coil can comprise at least one completely or partially closed conductor loop or turn. In the context of the present invention, an excitation coil can in principle be understood to mean a coil which generates a magnetic flux when an electrical voltage and / or an electrical current is applied. The excitation coil can have at least one excitation winding. In the context of the present invention, a receiver coil is basically understood to be a coil which is set up to generate a signal based on an inductive coupling between the excitation coil and the receiver coil, which signal is dependent on the inductive coupling. For example, the coil arrangement can have a receiver coil system. In the context of the present invention, a receiver coil system can in principle be understood to mean any device which comprises at least two receiver coils.
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.The position sensor can be set up to detect an inductive coupling and / or a change in an inductive coupling between the at least one excitation coil and the at least one receiver coil. The excitation coil can be set up to generate an alternating electromagnetic field in response to the application of the excitation signal. The excitation coil and the receiver coils can be coupled in such a way that the electromagnetic alternating field induces an alternating voltage in the receiver coils. The receiver coils can be arranged in such a way that the receiver coils generate signals which are dependent on the angle of rotation when the rotor shaft rotates at a constant angular speed about the axis of rotation.
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.In the context of the present invention, an “excitation signal” can be understood to mean an electrical signal, in particular at least one alternating voltage and / or at least one alternating current. The excitation signal can be an essentially sinusoidal excitation signal. In the context of the present invention, “sinusoidal” is basically understood to mean any shape that has a course of a sinusoid. For example, a course of a complete sinusoid can be included or only part of a sinusoid. “Essentially sinusoidal” can be understood to mean embodiments with a completely sinusoidal profile, deviations being conceivable which are not more than 20%, in particular not more than 10% or even not more than 5% of the absolute value of the sinusoidal shape. A “complete sine curve” can be understood to mean, in particular, a course of a sine curve which comprises at least one period. The sine curve can be at the zero point or any other point of the Start the sine curve. The sinusoidal shape can, for example, also be composed of other functions in sections, so that overall an approximately sinusoidal shape results. The excitation signal can have an amplitude in the range from 0.1 V to 10 V, preferably 5 V. The excitation signal can have a frequency in the range from 1 MHz to 10 MHz, preferably 3.5 MHz. By applying the excitation signal to the excitation coil, an alternating electromagnetic field can arise which couples into the receiver coils and induces corresponding alternating voltages and / or alternating currents there, for example.
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.The at least one excitation coil can be configured to be essentially circular. In the context of the present invention, the term “essentially circular” is generally understood to mean that the component described has a radius of curvature. The radius of curvature can vary or be constant within the component.
Die mindestens eine Erregerspule und die mindestens eine Empfängerspule können wie in
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.The position sensor preferably has at least one evaluation electronics for evaluating signals from the at least one receiver coil. The at least one evaluation electronics are set up to infer an angular position of the rotor shaft from the signals of the at least one receiver coil.
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.The at least one evaluation electronics can be set up to provide an excitation signal for the at least one excitation coil. “To provide an excitation signal” can be understood to mean that the evaluation electronics are set up to generate the excitation signal and / or that the evaluation electronics are set up to apply the excitation signal to the excitation coil.
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.The at least one evaluation electronics can be set up to process signals generated by the at least one receiver coil. “Processing” can basically be understood to mean any operation of signal processing in order to generate an output signal, for example evaluation, filtering, demodulation. The signal processing can be digital and / or analog. The signal processing can preferably take place in a purely analog manner. The evaluation electronics can in particular be set up to infer an amount and a phase of the coupling by demodulating a signal induced in the receiver coils with a carrier signal, that is to say a signal from the excitation coil, also known as the transmission coil. The amount can in particular vary continuously with the angle of rotation. A phase position can be 0 ° or 180 °, for example. The at least one evaluation electronics can have at least one demodulation device which is set up to demodulate the signals from the receiver coils. The demodulation can include a multiplication by the excitation signal. For example, by multiplying the amount by a cosine function, a preferably offset-free Sin / Cos system can arise, in particular when using two receiver coils with a 90 ° phase offset in relation to the measuring range. When using three receiver coils with a typically 120 ° phase offset in relation to the measuring range, a three-phase sinusoidal signal can arise, which can be converted into a sin / cos system, for example by using the Clarke transformation. The angle of rotation can then be deduced with the help of the arctangent function. The at least one evaluation electronics can have at least one low-pass filter. For example, the at least one evaluation electronics can first demodulate the signals from the at least one receiver coil and then filter them using the low-pass filter.
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.The at least one evaluation electronics is preferably designed as an application-specific integrated circuit (ASIC). An application-specific integrated circuit can in principle be understood to mean any electronic circuit that has been implemented as an integrated circuit.
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.For processing and / or evaluating the signals generated by the at least one receiver coil and / or providing excitation signals for the at least one excitation coil, the at least one electronic evaluation system is electrically connected to the at least one coil arrangement or the at least one receiver and / or excitation coil. The electrical connection between the at least one evaluation electronics and the at least one coil arrangement can be made by means of a sensor line. The sensor line can comprise contact elements such as cables and / or plugs. The sensor line is preferably designed as a conductor track on the circuit board of the control device.
Die mindestens eine Auswertungselektronik ist bevorzugt auf der Leiterplatte des Steuergerätes angeordnet und vorzugsweise als ein oberflächenmontiertes Bauelement (SMD, engl.: Surface-mounted Device) ausgebildet.The at least one electronic evaluation system is preferably arranged on the printed circuit board of the control device and is preferably designed as a surface-mounted component (SMD).
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.There is also a sensor arrangement for determining a rotor position of an electrical Machine proposed, the electrical machine having a rotor shaft rotatably mounted in a housing of the electrical machine.
Die Sensoranordnung umfasst dabei ein erfindungsgemäßes Steuergerät zum Ansteuern der elektrischen Maschine, das gehäusefest am Gehäuse der elektrischen Maschine anordenbar ist.The sensor arrangement comprises a control device according to the invention for controlling the electrical machine, which can be arranged fixed to the housing on the housing of the electrical machine.
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.The circuit board of the control device can be arranged essentially coaxially to an axis of rotation of the rotor shaft. The circuit board can be designed essentially circular. With regard to the term “essentially circular”, reference is made to the definition above. As an alternative or in addition, the circuit board can also be composed of two or more segments which, for example, can each be flat or also curved and which can be connected to one another, for example. The segments can then also be arranged overall coaxially to the axis of rotation of the rotor shaft, even if the individual segments are then arranged, for example, tangentially. Furthermore, the circuit board can be arranged in a housing, in particular in an injection-molded housing.
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.The sensor arrangement further comprises a sensor transducer which can be connected to the rotor shaft in a rotationally fixed manner and can be arranged axially on the end face of the rotor shaft. The circuit board is arranged with the at least one coil arrangement of the position sensor above the sensor transmitter.
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.In the context of the present invention, a sensor transmitter can in principle be understood to mean any component that can be connected to the rotor shaft and is set up to cause at least one measurable signal, in particular a change in the magnetic field, per revolution of the rotor shaft when connected to the rotor shaft.
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.The sensor transmitter can, for example, be permanently or reversibly connected or connectable to the rotor shaft, or can also be embodied in one piece with the rotor shaft or integrated into the rotor shaft.
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.The sensor transmitter can have a sensor transmitter profile. In the context of the present invention, a sensor head profile can in principle be understood to mean an entirety of profile elements and spaces that are arranged between the profile elements. In the context of the present invention, a profile element of the sensor transmitter can in principle be understood to mean any shape of the contour of the sensor transmitter, in particular a bulge, for example a pin-shaped, tooth-shaped or jagged bulge, or a notch or a recess, for example a hole.
Vorteilhaft kann der Sensorgeber als einen Schlitz ausgebildet sein. Dies kann dadurch ausgeführt werden, dass die Rotorwelle an einer Stirnfläche geschlitzt wird.The sensor transmitter can advantageously be designed as a slot. This can be done in that the rotor shaft is slotted on one end face.
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.It is also conceivable that the sensor transmitter comprises extra components that can be arranged on the rotor shaft. For example, the sensor transmitter can be designed as a magnet.
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.The sensor transmitter can advantageously also be designed as a gear. A sensor transducer designed as a magnet or a gear wheel can be arranged on the front side of the rotor shaft.
Der Sensorgeber kann auch wie in
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.The sensor arrangement can in particular be set up to determine an absolute or relative angular position of the rotor shaft from the change in the inductive coupling between the excitation coil and the receiver coil caused by the movement and / or a position of the sensor transmitter. A relative angular position can in principle be understood to mean a position with respect to a period defined by the receiver coils.
Ferner wird eine elektrische Maschine vorgeschlagen, die mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät versehen ist und/oder die eine erfindungsgemäße Sensoranordnung umfasst.Furthermore, an electrical machine is proposed which is provided with a control device according to the invention and / or which comprises a sensor arrangement according to the invention.
Weiterhin wird ein Fahrzeug vorgeschlagen, das mindestens eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst.Furthermore, a vehicle is proposed which comprises at least one electrical machine according to the invention.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
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.When used as a standalone sensor, it has its own housing. A separate wiring harness is also required for a control unit or evaluation electronics. It is attached using common joining technology. All these features lead to significant costs compared to the actual core sensor elements - the coil arrangement and possibly the evaluation electronics.
Kostenaufwändig ist aber auch die Prüfung der Isolation der Sensorleitung gegenüber der Betriebsspannung der elektrischen Maschine.However, testing the insulation of the sensor line with respect to the operating voltage of the electrical machine is also costly.
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.With the control device according to the invention or the sensor arrangement according to the invention the coil arrangement can be represented on the circuit board of the control unit without additional effort, ie the excitation coil and the receiver coil are designed as conductor tracks. Therefore, only the surface of the printed circuit board is used, but no further process steps are required.
Die Auswertungselektronik kann als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung ausgebildet sein und wird im Rahmen der Steuergeräteherstellung mitbestückt. Es fallen keine zusätzlichen Prozessschritte an.The evaluation electronics can be designed as an application-specific integrated circuit and are included in the control unit manufacture. There are no additional process steps.
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.With the control device according to the invention or the sensor arrangement according to the invention, external cabling, such as a cable harness and connector, can be dispensed with, since the sensor line can only take place on the circuit board.
Aufgrund des Entfalls der Verkabelung entfällt die Isolationsprüfung der Sensorkabel bzw. der Durchführung im Rahmen der Isolationsprüfung des Steuergerätes vollständig.Due to the omission of the cabling, the insulation test of the sensor cables or the implementation as part of the insulation test of the control unit is completely omitted.
Somit reduzieren sich die Kosten auf die Kern-Sensorelemente, nämlich die Spulenanordnung und die Auswertungselektronik.This reduces the costs for the core sensor elements, namely the coil arrangement and the evaluation electronics.
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.Today's standalone position sensors require installation space. As a result of their design, they have their own housing and fastening points, such as screws, rivets, clamps, etc. This leads to restrictions in possible applications, particularly in the longitudinal direction of the electrical machine.
Mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät bzw. der erfindungsgemäßen Sensoranordnung fällt der Bauraum, insbesondere in Längsrichtung der elektrischen Maschine geringer auf.With the control device according to the invention or the sensor arrangement according to the invention, the installation space, in particular in the longitudinal direction of the electrical machine, is less noticeable.
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.With the standalone sensors according to the state of the art, additional connections, usually plug connectors, are necessary in the signal path. These represent an additional contact resistance and a source of error.
Mit dem erfindungsgemäßen Steuergerät bzw. der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann die Sensorleitung ausschließlich auf der Leiterplatte erfolgen. Somit entfällt die Fehlerquelle ebenfalls.With the control device according to the invention or the sensor arrangement according to the invention, the sensor line can only take place on the circuit board. This also eliminates the source of error.
FigurenlisteFigure list
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, -
2 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung -
3a eine perspektivische Darstellung eines Sensorgebers der erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform und -
3b eine perspektivische Darstellung eines Sensorgebers der erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
-
1 a schematic representation of a sensor arrangement according to the invention, -
2 a perspective view of the sensor arrangement according to the invention -
3a a perspective view of a sensor transmitter of the sensor arrangement according to the invention according to a first embodiment and -
3b a perspective view of a sensor transmitter of the sensor arrangement according to the invention according to a second embodiment.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
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.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, a repeated description of these elements in individual cases being dispensed with. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
Die elektrische Maschine
Der Rotor
Die Sensoranordnung
Das Steuergerät
Die Leiterplatte
Auf der Leiterplatte
Die Sensoranordnung
Die Auswertungselektronik
Die Sensoranordnung
Der Sensorgeber
Der Sensorgeber
Denkbar ist auch, dass der Sensorgeber
Der Sensorgeber
Der Rotor
Die Sensoranordnung
Das Steuergerät
Auf der Leiterplatte
Die Sensoranordnung
Die Auswertungselektronik
Die Sensoranordnung
Die Sensoranordnung
Gemäß einer ersten Ausführungsform, die in
Gemäß einer zweiten Ausführungsform, die in
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.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the range specified by the claims, which are within the scope of expert action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |