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Dokumentenidentifikation DE10141879A1 03.04.2003
Titel Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen der Winkellage eines Rotors in einer elektrischen Maschine sowie elektrische Maschine
Anmelder Vodafone Pilotentwicklung GmbH, 81549 München, DE
Erfinder Kowalewski, Gerd, 24568 Kaltenkirchen, DE
Vertreter Müller, T., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 81927 München
DE-Anmeldedatum 28.08.2001
DE-Aktenzeichen 10141879
Offenlegungstag 03.04.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.2003
IPC-Hauptklasse H02K 29/10
Zusammenfassung Es werden eine Vorrichtung (30) sowie ein Verfahren zum Bestimmen der Winkellage eines Rotors (11) in einer elektrischen Maschine (10), sowie eine solche elektrische Maschine (10) beschrieben. Auf der Roboteroberfläche (20) des Rotors (11) sind eine Anzahl von leicht schräggestellten, planaren Reflektorflächen (31) angeordnet. Die Anzahl der Reflektorflächen (31) ist so groß bemessen, daß diese ohne Abstand zueinander angeordnet sind, so daß sie sich mit ihren Kanten (42) berühren. Zum Bestimmen der Winkellage des Rotors (11) ist auf dem Stator (16) eine Lichtquelle (32) vorgesehen, die einen strichförmigen Lichtstrahl (33) emittiert. Weiterhin ist auf dem Stator (16) ein als CCD-Zeilensensor ausgebildetes Sensorelement (34) angeordnet. Der von der Lichtquelle (32) emittierte Lichtstrahl (33) trifft auf die Reflektorflächen (31), wird an diesen reflektiert und auf das Sensorelement (34) zurückgeworfen. Im Sensorelement (34) wird der so detektierte analoge Helligkeitswert in ein Digitalsignal umgewandelt, dessen Ortslage am Sensorelement (34) ein Maß für die Winkellage des Rotors (11) ist. Auf diese Weise wird eine einfache und kostengünstige Möglichkeit geschaffen, die Winkellage des Rotors (11) hochgenau und zu jedem Zeitpunkt messen zu können. Eine aufwendige A/D-Wandlung wird durch den Einsatz eines preiswerten Komparators (43) vermieden.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Bestimmen der Winkellage eines Rotors in einer elektrischen Maschine. Weiterhin betrifft die Erfindung eine solche elektrische Maschine.

Elektrische Maschinen sind bereits bekannt und finden in der Praxis vielfältige Anwendungen. In der Regel bestehen solche elektrischen Maschinen aus einem feststehenden Teil, dem Stator, und einem Umlaufteil, der Rotor genannt wird. Der Stator weist üblicherweise ein Statorjoch mit einer Vielzahl von Statorwicklungen auf, während der Rotor eine Anzahl von Magneten aufweist. Elektrische Maschinen der genannten Art werden üblicherweise als Generatoren und Motoren auf Drehstrombasis verwendet. Dabei treten in den elektrischen Maschinen Drehfelder auf. Hat der Rotor die gleiche Drehzahl wie das Drehfeld des Stators, bezeichnet man die Maschine als Synchronmaschine. Hat der Rotor eine kleinere oder größere Drehzahl als das Drehfeld des Stators, bezeichnet man die Maschine als Asynchronmaschine.

Um elektrische Maschinen optimal betreiben zu können, ist es erforderlich, die jeweilige Winkellage des Rotors zu kennen. Der Grund hierfür liegt unter anderem darin, daß elektrische Maschinen in der Regel einen Stromrichter nötig haben, um aus einer Zwischenkreisspannung eine Drehstromspeisung zu erhalten. Dabei muß zur Erzeugung des optimalen Drehmoments für die elektrische Maschine der Drehstrom so eingeprägt werden, daß sich das maximale Drehmoment ausbilden kann. Hierzu muß der Stromrichter jeweils die genaue Rotorlage und damit den konkreten Polradlagewinkel kennen. Eine hochgenaue Rotorlageerfassung ist somit Voraussetzung für einen hohen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine.

Zur Bestimmung der Winkellage des Rotors sind bereits eine Reihe von Verfahren bekannt. Dabei handelt es sich um sogenannte relative oder absolute Verfahren.

Relative Verfahren basieren in der Regel auf der Verwendung von inkrementalen Gebern, über die die relative Bewegung des Rotors gemessen werden kann. Derartige Inkrementalgeber weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. So können sie nur Informationen über die relative Bewegung des Rotors liefern. Sie sind jedoch nicht in der Lage, Informationen bezüglich der Winkellage des Rotors zu liefern, wenn dieser stillsteht.

Zur Beseitigung dieser Probleme eignen sich beispielsweise die absoluten Verfahren, über die die absolute Winkellage des Rotors bestimmt werden kann. Solche absoluten Verfahren sind beispielsweise optische Verfahren, magnetische Verfahren oder dergleichen.

Ein optisches Verfahren zur Winkellagebestimmung des Rotors kann beispielsweise mit Hilfe eines optischen Winkelencoders durchgeführt werden. Optische Winkelencoder bestehen in der Regel aus einer Blendenscheibe und einem mehrkanaligen optischen Abtaster. Die Verwendung solch optischer Winkelencoder mit Blendenscheibe ist jedoch im Hinblick auf die hochgenaue Winkellagemessung des Rotors von Nachteil. Soll der Lagewinkel des Rotors beispielsweise bis auf 5° der Periode eines Rotorpols aufgelöst werden, wobei beispielsweise davon ausgegangen wird, daß auf dem Rotorumfang 21 Polpaare verteilt sind, so ergibt dies die Forderung nach einer sehr hohen Auflösung des optischen Winkelencoders, die sich für das konkrete Beispiel nach der folgenden Formel berechnet:



ε = (360°/21°).(5°/360°) = 0,238°

Dies bedeutet, daß mindestens 1.512 Winkelsegmente pro Rotorumdrehung notwendig sind. Einer derartigen Anforderung genügt beispielsweise ein optischer Winkelencoder mit einer Wortbreite von 11 Bit, was 2.048 Winkelwerten pro Umdrehung entspricht. Solche Winkelencoder sind jedoch sehr kostenintensiv. Weiterhin ist eine sehr aufwendige Steuerung erforderlich, um den Winkelencoder zu betreiben.

Alternativ könnte auch ein Winkelencoder mit geringerer Auflösung verwendet werden. Im Hinblick auf das vorstehend beschriebene Beispiel könnte beispielsweise ein Winkelencoder mit wenigstens 72 Segmenten pro Umdrehung verwendet werden. Ein solcher Winkelencoder müßte aber mit einer enorm hohen Frequenz rotiert werden, im vorliegenden Beispiel mit der 21-fachen Rotorfrequenz, um dadurch die hohe Auflösung zu erreichen. Da die Rotoren in elektrischen Maschinen üblicherweise mit einer relativ hohen Drehzahl rotieren, scheitert ein solches Verfahren üblicherweise an der extrem hohen Drehzahl, die für die Blendenscheibe des Winkelencoders erforderlich wäre. Derartige Drehzahlen lägen beispielsweise im Bereich von etwa 12.600 Umdrehungen pro Minute. Dies ist technisch jedoch nur schwer realisierbar.

Ein anderes absolutes Verfahren zur Bestimmung der Winkellage des Rotors kann beispielsweise unter Verwendung eines magnetischen Resolvers durchgeführt werden. Derartige magnetische Resolver sind jedoch relativ teuer und konstruktiv aufwendig. So sind beispielsweise mehrere A/D-Wandler erforderlich, in denen die Signale umgerechnet und verarbeitet werden müssen.

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Bestimmen der Winkellage eines Rotors in einer elektrischen Maschine bereitzustellen, mit der/dem die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden. Weiterhin soll auch eine entsprechend verbesserte elektrische Maschine bereitgestellt werden. Insbesondere soll eine einfache und kostengünstige Möglichkeit geschaffen werden, mit der die Winkellage des Rotors zu jedem Zeitpunkt hochgenau bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durch eine Vorrichtung zum Bestimmen der Winkellage eines Rotors in einer elektrischen Maschine gelöst, mit einer Anzahl von auf oder an einer Rotoroberfläche ausgebildeten planaren Reflektorflächen, einer Lichtquelle zum Emittieren eines an den Reflektorflächen zu reflektierenden Lichtstrahls und einem Sensorelement zum Detektieren des von den Reflektorflächen reflektierten Lichtstrahls.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, die Winkellage des Rotors durch Verwendung eines optischen absoluten Verfahrens zu bestimmen. Dabei können die im Hinblick auf den Stand der Technik genannten Nachteile vermieden werden.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß auf oder an einer Rotoroberfläche des Rotors eine Anzahl von planaren Reflektorflächen ausgebildet sind. Ein von einer Lichtquelle emittierter Lichtstrahl trifft auf die Reflektorflächen und wird von diesen zu einem Sensorelement hin reflektiert. Im Sensorelement werden die Helligkeitswerte des Lichtstrahls detektiert. Aus diesen detektierten Helligkeitswerten wird dann die genaue Winkellage des Rotors berechnet und bestimmt. Bevorzugte Ausführungsformen, wie diese Berechnung erfolgen kann, werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorteilhaft können die Reflektorflächen derart auf oder an der Rotoroberfläche ausgebildet sein, daß sie synchron mit den Rotorpolpaaren umlaufen. Dies ist besonders vorteilhaft, um die jeweilige Winkellage des Rotors genau bestimmen zu können.

Vorzugsweise kann eine Anzahl von Reflektorflächen vorgesehen sein, die der Anzahl der Rotorpolpaare entspricht. Dabei ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl von Reflektorflächen beschränkt. Wenn beispielsweise ein wie in der Beschreibungseinleitung genannter Rotor mit 21 Rotorpolpaaren verwendet wird, weist die Vorrichtung vorzugsweise ebenfalls 21 Reflektorflächen auf. Je nach Bedarf und Anwendungsfall kann der Rotor der elektrischen Maschine auch eine andere Anzahl von Rotorpolpaaren aufweisen, so daß auch die Anzahl der Reflektorflächen entsprechend variieren kann.

In weiterer Ausgestaltung können die Reflektorflächen beabstandet zueinander auf oder an der Rotoroberfläche ausgebildet sein. Alternativ können die Reflektorflächen aber auch ohne Abstand zueinander angeordnet sein, so daß sie sich mit ihren Kanten berühren. Die letztgenannte Ausführungsform ist besonders vorteilhaft. In diesem Fall bilden die einzelnen Reflektorflächen ein Reflektorrad, das mit der Rotorfrequenz rotiert.

Vorzugsweise können die Reflektorflächen als Spiegelflächen ausgebildet oder mit einer spiegelnden Schicht beschichtet sein. Die Herstellung und Ausbildung der Reflektorflächen kann auf verschiedene Weisen erfolgen. So ist es beispielsweise denkbar, die Reflektorflächen als Spiegelflächen herzustellen, beispielsweise als polierte Alufolien, Spiegelglasplättchen oder dergleichen. In diesem Fall können die Reflektorflächen zunächst separat hergestellt und anschließend auf der Oberfläche des Rotors angeordnet werden. Es ist jedoch auch denkbar, daß die planaren Rotoroberflächen als Bestandteil des Rotors ausgebildet sind. In diesem Fall können die Reflektorflächen während der Herstellung des Rotors auf der Rotoroberfläche ausgebildet werden. Dies kann beispielsweise über ein geeignetes Schleifverfahren, Ätzverfahren oder dergleichen erfolgen. Wenn die Reflektorflächen als Teile der Rotoroberfläche ausgebildet sind, ist es erforderlich, diese mit einer spiegelnden Schicht zu versehen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Reflektorflächen mit einer Schicht, beispielsweise einer Aluminiumschicht oder dergleichen, beschichtet werden, und daß diese Schicht anschließend poliert wird. Es ist jedoch auch denkbar, daß auf die Reflektorflächen entsprechend spiegelnde Schichten aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt werden. Selbstverständlich sind auch andere Möglichkeiten denkbar, um geeignete Reflektorflächen auszubilden, so daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt ist.

Vorzugsweise sind die Reflektorflächen zum von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahl schräggestellt auf oder an der Rotoroberfläche ausgebildet. Sinn dieser - vorteilhaft ganz leicht - schräggestellten Reflektorflächen ist die Reflektion des Lichtstrahls von der Lichtquelle auf ein darüber liegend oder darunter liegend angebrachtes Sensorelement. Dadurch kann der benötigte Bauraum für die erfindungsgemäße Vorrichtung reduziert werden. Der von der Lichtquelle emittierte Lichtstrahl trifft auf die Reflektorflächen und wird dort nach dem bekannten Satz "Einfallswinkel = Ausfallswinkel" auf beziehungsweise in das Sensorelement reflektiert. Die Schrägstellung der Reflektorflächen kann je nach Bedarf und Anwendungsfall unterschiedlich sein, so daß die Erfindung nicht auf bestimmte Neigungswinkel der Reflektorflächen beschränkt ist.

Vorteilhaft kann das Sensorelement als Zeilensensor, insbesondere als CCD- Zeilensensor ausgebildet sein. Selbstverständlich sind auch andere Sensortypen denkbar. CCD-Zeilensensoren sind bereits bekannt und liegen als kostengünstige Massenprodukte vor. Derartige Zeilensensoren können beispielsweise als "Zeilenkamera" bezeichnet werden, und fungieren etwa in der Art eines lichtempfindlichen Schiebregisters. Zeilensensoren der genannten Art bestehen in der Regel aus einer Vielzahl von Einzelelementen - beispielsweise Photodioden -, insbesondere aus 100 oder mehr Einzelelementen. Je nach Typ können Zeilensensoren auch mehrere tausend Einzelelemente aufweisen. Je mehr Einzelelemente verwendet werden, desto genauer kann die Winkellage des Rotors bestimmt werden. Die von einer Lichtquelle emittierte Lichtstrahlung trifft auf ein Einzelelement, beispielsweise eine Photodiode, des CCD-Zeilensensors und erzeugt dort einen Photostrom beziehungsweise eine mit diesem korrelierte Photospannung.

Der von der Lichtquelle emittierte und an den Reflektorflächen reflektierte Lichtstrahl belichtet den lichtempfindlichen CCD-Zeilensensor (bei Scharfzeichnung) somit an genau einem Punkt des Zeilensensors. Befindet sich der Rotorpol genau vor der Lichtquelle, befindet sich die zugeordnete Reflektorfläche genau tangential zum Lichtstrahl. Auf diese Weise reflektiert die an oder auf der Rotoroberfläche ausgebildete Reflektorfläche, die vorzugsweise leicht gekippt ist, den Lichtstrahl genau in die Mitte des CCD-Zeilensensors, der bei Schrägstellung der Reflektorflächen vorzugsweise oberhalb oder unterhalb beziehungsweise neben der Lichtquelle angeordnet ist. Im CCD-Zeilensensor wird der analoge Helligkeitswert in ein Digitalsignal umgewandelt, dessen Ortslage am Sensor ein Maß für die Winkellage des Rotors ist.

Vorzugsweise weist der Zeilensensor zum Auslesen von Helligkeitsinformationen einen Komparator auf. Dadurch kann eine aufwendige A/D-Wandlung des Signals vermieden werden. Komparatoren haben weiterhin den Vorteil, daß sie sehr preiswert sind. Der auf die vorstehend beschriebene Weise belichtete Punkt des Zeilensensors kann nach einer Anzahl von Taktzyklen, beispielsweise der halben Anzahl von Taktzyklen, wie der verwendete CCD-Zeilensensor Bildpunkte (Einzelelemente) hat, mittels des Komparators gegen einen Referenz-Hellwert bei Auslesung nachgewiesen werden. Dazu wird im Zeilensensor der Helligkeitswert des Lichtstrahls in eine Spannung umgewandelt und in dieser Form als Analogsignal aus dem Zeilensensor abgeführt. Diese Spannung wird im Komparator mit einer Referenzspannung verglichen. Wenn ein Bildpunkt im Zeilensensor belichtet wird, kippt der Komparator. Zählt man die dazu notwendigen Taktzyklen des CCD- Schiebetaktes, bis der Komparator durch Auslesung des belichteten Bildpunktes kippt, erhält man ein Digitalsignal als Maß für den Drehwinkel innerhalb einer Polperiode und damit als Maß für die Winkellage des Rotors. Die Auslesung der Helligkeitsinformation aus dem Zeilensensor kann dabei vorzugsweise mit sehr hohen Taktfrequenzen, die im MHz-Bereich liegen können, geschehen. Da sich der Rotor mit einer wesentlich geringeren Geschwindigkeit, beispielsweise mit 100 Umdrehungen pro Sekunde, dreht, existieren zwei stark unterschiedliche Zeitebenen. Das bedeutet, daß die Auslesung des Zeilensensors bereits abgeschlossen ist, noch bevor durch die Weiterdrehung des Rotors der nächste Bildpunkt (Einzelelement) des Zeilensensors belichtet wird.

In anderer Ausgestaltung kann das Sensorelement als sogenanntes PSD-Element ausgebildet sein. PSD-Elemente (Position Sensitive Detectors) sind positionsempfindliche Detektorelemente und an sich im Stand der Technik bekannt. Sie arbeiten ähnlich wie Photodioden. PSD-Elemente weisen ein aktives Gebiet auf, auf das das von einer Lichtquelle emittierte Licht auftrifft und dort einen Photostrom erzeugt. Im Unterschied zur Photodiode weist das PSD-Element jedoch mehrere elektrische Kontakte auf. Der erzeugte Photostrom wird auf die verschiedenen elektrischen Kontakte aufgeteilt. Die Aufteilung, beziehungsweise die den einzelnen Kontakten zugeführten Teilströme ergeben sich in Abhängigkeit von der Position, an der der Lichtstrahl auf das aktive Gebiet des PSD-Elements trifft.

Man erhält somit mehrere Ausgangsgrößen. Wenn das PSD-Element beispielsweise zwei elektrische Kontakte aufweist, wird der erzeugte Photostrom in zwei Teilströme aufgeteilt. Diese beiden Ausgangsgrößen werden in einem Differenzverstärker durch Bildung der Stromdifferenz ausgewertet und verstärkt. Anschließend kann das resultierende Signal in einem A/D-Wandler umgewandelt werden. Als Ergebnis erhält man die Ortskoordinaten des Lichtstrahls und damit das Maß für die Winkellage des Rotors.

PSD-Elemente sind sehr kostengünstig und sehr schnell. Sie können beispielsweise linear beziehungsweise eindimensional ausgebildet sein, wodurch sie als Zeilensensor fungieren können.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die beiden konkret beschriebenen Beispiele geeigneter Sensorelemente beschränkt, so daß auch andere Sensorelementtypen möglich sind.

Vorzugsweise kann die Lichtquelle zum Emittieren eines strichförmigen Lichtstrahls ausgebildet sein. Mit einem Lichtstrahl in Strichform, der vorzugsweise senkrecht zum Sensorelement, insbesondere senkrecht zur Zeilenausdehnung des Zeilensensors steht, wird eine Toleranz gegenüber möglichen Taumelbewegungen des Rotors und den daraus resultierenden Abbildungsfehlern im, beziehungsweise auf, dem Sensorelement geschaffen.

Der Lichtstrahl kann beispielsweise kontinuierlich oder, zum Ausblenden bestimmter Bereiche, auch intermittierend sein.

Vorteilhaft kann die Lichtquelle als Leuchtdiode oder als Laser ausgebildet sein. Leuchtdioden (LEDs) sind bereits bekannt und werden sehr kostengünstig als Massenprodukte hergestellt. Als Laser können beispielsweise mittlerweile relativ preiswert gewordene Laserdioden verwendet werden, die auf Chiparchitekturen basieren, die bereits eine Lichtstrahlgeometrie in Strichform erzeugen. Natürlich sind auch andere Lichtquellen denkbar, so daß die Erfindung nicht auf die genannten Beispiele beschränkt ist.

Vorteilhaft kann der Lichtquelle wenigstens eine Schlitzblende vorgeschaltet sein. Derartige Schlitzblenden werden verwendet, wenn die Lichtquelle keinen bereits schlitzförmigen Lichtstrahl emittiert. Der von der Lichtquelle abgegebene Lichtstrahl wird durch die Schlitzblende hindurchgeleitet, so daß er nach Austritt aus der Schlitzblende die vorteilhafte schlitzförmige Form aufweist.

In weiterer Ausgestaltung kann/können der Lichtquelle eine oder mehrere Linsen vorgeschaltet sein. Durch solche Linsen kann eine gewünschte Formung des Lichtstrahls, etwa eine weitere Strahlaufweitung des Lichtstrahls in einer bevorzugten Ausdehnungsrichtung, erfolgen, beispielsweise derart, daß der Lichtstrahl in Strichform vorliegt.

In weiterer Ausgestaltung kann das Sensorelement in solch einem Abstand zu den Reflektorflächen angeordnet sein, daß der gesamte Drehwinkel einer Polperiode des Rotors in dem Sensorelement abgebildet wird oder abbildbar ist. Bei geeigneter Wahl der Montageabstände des Sensorelements, insbesondere eines Zeilensensors, zu den Reflektorflächen in Bezug auf die optisch wirksame Zeilenlänge, das heißt das optisch aktive Fenster des Zeilensensors, läßt sich der gesamte Drehwinkel einer Polperiode im optisch aktiven Fenster des Zeilensensors abbilden und damit berührungsfrei und hoch aufgelöst erfassen.

Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Maschine bereitgestellt, mit einem Stator, der ein Statorjoch mit einer Vielzahl von Statorwicklungen aufweist, und mit einem Rotor, der eine Anzahl von Magneten aufweist. Die elektrische Maschine ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zum Bestimmen der Winkellage des Rotors eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen ist.

In einer solchen elektrischen Maschine wird es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, die jeweilige Winkellage des Rotors zu jedem Zeitpunkt bestimmen zu können, ohne daß die im Hinblick auf den Stand der Technik beschriebenen Nachteile auftreten. Zu den Vorteilen, Effekten, Wirkungen und der Funktionsweise der elektrischen Maschine wird auf die vorstehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Winkellage eines Rotors in einer elektrischen Maschine vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.

Vorteilhaft kann die elektrische Maschine in Außenläuferbauweise ausgebildet sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen der elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um Synchronmaschinen, insbesondere permanenterregte Synchronmaschinen.

Eine besonders erwähnenswerte Maschine ist beispielsweise der Starter-Generator für Fahrzeuge. Hierbei handelt es sich um eine elektrische Maschine, deren Rotor über die Kurbelwellenlagerung des Verbrennungsmotors gelagert ist. Der Starter- Generator wird nicht nur zum Starten und Stoppen des Verbrennungsmotors verwendet, sondern er kann auch während des Motorbetriebs verschiedene Funktionen übernehmen, wie beispielsweise Bremsfunktionen, Boosterfunktionen, Batteriemanagement, aktive Schwingungsdämpfung, Synchronisierung des Verbrennungsmotors oder dergleichen. Ein solcher Starter-Generator ist vorzugsweise als Außenläufer-Synchronmaschine ausgebildet und wird über einen Statorträger als Trägerelement mit dem Motorblock des Verbrennungsmotors verbunden.

Vorzugsweise können die Reflektorflächen der Vorrichtung zum Bestimmen der Winkellage eines Rotors auf oder an der inneren Rotoroberfläche ausgebildet sein. Die Anordnung der Reflektorflächen an der inneren Rotoroberfläche ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die elektrische Maschine in Außenläuferbauweise ausgebildet ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung der elektrischen Maschine können die Lichtquelle und das Sensorelement auf dem Stator angeordnet sein. Dies reduziert zum einen den erforderlichen Bauraum für die Vorrichtung zur Winkellagebestimmung des Rotors. Zum anderen wird durch die Anordnung der Lichtquelle und des Sensorelements auf dem feststehenden Stator bewirkt, daß eine Dejustage der einzelnen Elemente zueinander während des Betriebs der elektrischen Maschine nicht auftreten kann.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird schließlich ein Verfahren zum Bestimmen der Winkellage eines Rotors in einer elektrischen Maschine, insbesondere einer wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, unter Verwendung einer wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Winkellage des Rotors bereitgestellt, das erfindungsgemäß durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

  • a) Emittieren eines Lichtstrahls aus einer Lichtquelle auf eine Anzahl von auf oder an dem Rotor ausgebildeten Reflektorflächen;
  • b) Detektieren des von den Reflektorflächen reflektierten Lichtstrahls durch das Sensorelement; und
  • c) Bestimmen der Winkellage des Rotors aus den vom Sensorelement detektierten Helligkeitswerten des Lichtstrahls.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, die jeweilige Winkellage des Rotors zu jedem Zeitpunkt, das heißt sowohl während des Betriebs als auch während des Stillstands des Rotors, bestimmen zu können. Zu den Vorteilen, Effekten, Wirkungen und der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wiederum auf die vorstehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sowie zur erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Winkellagebestimmung des Rotors vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.

Vorzugsweise kann in einem Fall, in dem das Sensorelement als Zeilensensor, insbesondere als CCD-Zeilensensor, ausgebildet ist, der vom Sensorelement detektierte Lichtstrahl in diesem - wie weiter oben bereits ausführlich beschrieben wurde - in ein Digitalsignal umgewandelt werden, das dann ein Maß für den Drehwinkel des Rotors innerhalb einer Polperiode ist.

In anderer Ausgestaltung kann in dem Fall, in dem das Sensorelement als PSD- Element ausgebildet ist, der vom Sensorelement detektierte Lichtstrahl in zwei oder mehr Teilströme eines Photostroms aufgeteilt werden, für die dann - wie weiter oben bereits ausführlich dargestellt wurde - die Stromdifferenz gebildet und diese anschließend in ein Digitalsignal umgewandelt wird, das dann ein Maß für den Drehwinkel des Rotors innerhalb einer Polperiode ist.

Vorzugsweise kann der Lichtstrahl in Strichform von der Lichtquelle emittiert, an den Reflektorflächen reflektiert und von dem Sensorelement detektiert werden.

Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer und seitlicher Ansicht einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine; und

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen der Winkellage des Rotors in einer elektrischen Maschine.

In Fig. 1 ist eine elektrische Maschine 10 dargestellt, die als permanenterregte Synchronmaschine in Außenläuferbauweise ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 10 wird als Starter-Generator für ein Fahrzeug verwendet.

Die elektrische Maschine 10 weist einen Stator 16 und einen Rotor 11 auf. Der Stator 16 besteht aus einem Statorjoch 17, an dem eine Anzahl von Statorwicklungen 18 angeordnet sind. Der Rotor 11 weist entsprechende Rotorbleche 12 und Magnete 13 auf. Weiterhin verfügt der Rotor 11 über eine Rotorwelle 14, die mit anderen Komponenten, beispielsweise einem Getriebe oder dergleichen, in Wirkverbindung stehen kann. Die Rotorwelle 14 ist über entsprechende Lager 15 gegen den Stator 16 gelagert.

Zur Bestimmung der Winkellage des Rotors 11 ist weiterhin eine Vorrichtung 30 zum Bestimmen der Winkellage eines Rotors vorgesehen. Die Vorrichtung 30 weist eine Lichtquelle 32 auf, die einen strichförmigen Lichtstrahl 33 emittiert. Die Lichtquelle 32, die im vorliegenden Fall als Leuchtdiode mit einer entsprechenden Schlitzblende 35 (siehe Fig. 2) ausgebildet ist, ist auf dem Stator 16 angeordnet. Weiterhin weist die Vorrichtung 30 eine Anzahl von planaren Reflektorflächen 31 auf, die im Hinblick auf den emittierten Lichtstrahl 33 in schräggestellter Form an der inneren Oberfläche 20 des Rotors 11 angeordnet sind. Die Anzahl der Reflektorflächen 31 entspricht der Anzahl der Rotorpolpaare. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind insgesamt einundzwanzig Reflektorflächen 31 vorgesehen. Die Reflektorflächen 31 sind als Spiegelelemente ausgebildet oder mit einer spiegelnden Schicht beschichtet. Die einzelnen Reflektorflächen 31 sind ohne Abstand zueinander angeordnet, so daß sie sich mit ihren Kanten 42 berühren. Auf diese Weise bilden die einzelnen Reflektorflächen 31 in Summe ein Reflektorrad, das mit der Rotorfrequenz rotiert.

Durch die leicht schräggestellten Reflektorflächen 31 wird der strichförmige Lichtstrahl 33, der aus der Lichtquelle 32 emittiert wird und auf die Reflektorflächen 31 auftrifft, an diesen reflektiert und auf ein neben der Lichtquelle 32 auf dem Stator 16 angeordnetes Sensorelement 34 zurückgeworfen. Das Sensorelement 34 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als CCD-Zeilensensor ausgebildet.

Der genaue Aufbau und die Funktionsweise des Sensorelements 34 werden nun im Hinblick auf die Fig. 2 erläutert.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Lichtquelle 32 als Leuchtdiode (LED) ausgebildet. Da die Leuchtdiode 32 üblicherweise keinen strichförmigen Lichtstrahl emittiert, ist dieser eine Schlitzblende 35 vorgeschaltet. Der aus der Schlitzblende 35 austretende Lichtstrahl 33 hat nunmehr eine Strichform.

Das als CCD-Zeilensensor ausgebildete Sensorelement 34 weist ein optisch aktives Fenster 36 auf, in dem eine Anzahl von Einzelelementen 37 (Bildpunkte) vorgesehen sind. Je mehr Einzelelemente 37 vorhanden sind, desto genauer kann die Winkellage des Rotors 11 bestimmt werden. Vorzugsweise können mehrere hundert solcher Einzelelemente 37 im optisch aktiven Fenster 36 des Sensorelements 34 vorgesehen sein. Das Sensorelement 34 ist vorzugsweise in solch einem Abstand zu den Reflektorflächen 31 angeordnet, daß der gesamte Drehwinkel 38 einer Polperiode des Rotors 11 in dem aktiven Fenster 36 des Sensorelements 34 abgebildet werden kann.

Nachfolgend wird nun die Funktionsweise der Vorrichtung 30 zur Bestimmung der Winkellage des Rotors 11 beschrieben.

Da sich die Reflektorflächen 31 an, beziehungsweise auf, der inneren Oberfläche 20 des Rotors 11 befinden, drehen sich diese synchron mit dem Rotor 11. In Fig. 2 ist die Rotordrehrichtung durch den Pfeil 19 dargestellt. Um die Arbeitsweise der Vorrichtung 30 zu verdeutlichen, ist in Fig. 2 nur eine einzige Reflektorfläche 31 dargestellt. Diese Reflektorfläche 31 bewegt sich während der Drehung des Rotors 11 in Drehrichtung 19 von einer Position 31a über eine Position 31b in eine Position 31c und so fort. In Position 31b steht die Reflektorfläche 31 genau tangential zum Lichtstrahl 33.

Wenn sich die Reflektorfläche 31 in Position 31a befindet, trifft der von der Lichtquelle 32 emittierte Lichtstrahl 33 auf der Reflektorfläche 31 auf, wird an dieser reflektiert und gemäß dem Satz "Einfallswinkel = Ausfallswinkel" als Lichtstrahl 33a auf das Sensorelement 34 zurückgeworfen. Wenn sich die Reflektorfläche 31 in der Position 31b befindet, wird der von der Lichtquelle 32 emittierte Lichtstrahl 33 als Lichtstrahl 33b von der Reflektorfläche 31 reflektiert und auf das Sensorelement 34 zurückgeworfen. Wenn sich die Reflektorfläche 31 schließlich in der Position 31c befindet, wird der Lichtstrahl 33 als Lichtstrahl 33c auf das Sensorelement 34 zurückgeworfen.

Der kontinuierlich betriebene, oder zum Ausblenden bestimmter Bereiche auch intermittierend betreibbare Lichtstrahl belichtet zu jedem Zeitpunkt genau einen Punkt des Zeilensensors 34. Der so belichtete Bildpunkt (ein Einzelelement 37) kann nach genau der halben Anzahl von Taktzyklen, wie der verwendete CCD- Zeilensensor 34 Bildpunkte (Einzelelemente 37) hat, mittels eines Komparators 43 gegen einen Referenzhellwert bei Auslesung nachgewiesen werden. In diesem Fall kippt der Komparator. Zählt man die dazu notwendigen Taktzyklen bis der Komparator durch Auslesung des belichteten Bildpunktes kippt, erhält man ein in bitserieller Form vorliegendes Digitalsignal als Maß für den Drehwinkel 38 innerhalb einer Polperiode. Darüber läßt sich die Winkellage des Rotors 11 genau bestimmen. Zum Auslesen des Sensorelements 34 wird diesem unter anderem ein Taktsignal 39 sowie ein sogenanntes Strobe-Signal 40 zugeführt. Beide Signale sind wesentlich größer als die Rotorfrequenz. Im Sensorelement 34 wird auf Grund des Helligkeitswerts des Lichtstrahls 33, der auf ein Einzelelement 37 des Sensorelements 34 trifft, ein Spannungssignal 41 erzeugt, das dann an den Komparator 43 weitergeleitet wird.

Im Komparator 43 wird das vom CCD-Zeilensensor 34 gelieferte analoge Helligkeitssignal, dessen Betrag der Helligkeitsinformation entspricht, mit einem Referenzschwellwert, im vorliegenden Fall einer Referenzspannung Uref, verglichen. Die Referenzspannung Uref wird über eine stabile Spannungsquelle Uh (Hilfsspannung) einstellbar erzeugt. Auf diese Weise kann im Komparator 43 ein digitales Signal P erzeugt werden. Beispielsweise kann ein Signal P mit logisch "1" erzeugt werden, wenn über das belichtete Einzelelement 37 eine Spannung generiert wird, die größer als die Referenzspannung Uref ist. Ebenso kann ein Signal P mit logisch "0" erzeugt werden, wenn über das belichtete Einzelelement 37 eine Spannung generiert wird, die kleiner als die Referenzspannung Uref ist. Somit kann auf einen gesonderten A/D-Wandler verzichtet werden. Das Digitalsignal P kann direkt von einem nicht explizit dargestellten Mikrocontroller weiterverarbeitet werden.

Üblicherweise dreht sich der Rotor 11 mit einer Rotationsgeschwindigkeit von etwa 100 Umdrehungen pro Sekunde. Die Auslesung der Helligkeitsinformation aus dem Zeilensensor 34 kann aber mit sehr hohen Taktfrequenzen, die beispielsweise im MHz-Bereich liegen, vorgenommen werden. Aus diesem Grund existieren zwei unterschiedliche Zeitebenen. Das bedeutet, daß die Auslesung des Sensorelements 34 bereits abgeschlossen ist, noch bevor ein nächster Bildpunkt (Einzelelement 37) des Sensorelements 34 durch den reflektierten Lichtstrahl 33 belichtet wird. Bezugszeichenliste 10 elektrische Maschine

11 Rotor

12 Rotorblech

13 Magnet

14 Rotorwelle

15 Lager

16 Stator

17 Statorjoch

18 Statorwicklung

19 Rotordrehrichtung

20 Rotoroberfläche

30 Vorrichtung zur Bestimmung der Winkellage eines Rotors

31 Reflektorfläche

31a bestimmte Drehposition der Reflektorfläche

31b bestimmte Drehposition der Reflektorfläche

31c bestimmte Drehposition der Reflektorfläche

32 Lichtquelle

33 Lichtstrahl

33a Reflektion des Lichtstrahls bei einer bestimmten Drehposition der Reflektorfläche

33b Reflektion des Lichtstrahls bei einer bestimmten Drehposition der Reflektorfläche

33c Reflektion des Lichtstrahls bei einer bestimmten Drehposition der Reflektorfläche

34 Sensorelement (Zeilensensor)

35 Schlitzblende

36 optisch aktives Fenster des Sensorelements

37 Einzelelement

38 gesamter Drehwinkel einer Polperiode

39 Taktsignal

40 Strobe-Signal

41 Spannungssignal analog)

42 Kante der Reflektorfläche

43 Komparator

P Digitalsignal


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zum Bestimmen der Winkellage eines Rotors (11) in einer elektrischen Maschine (10), mit einer Anzahl von auf oder an einer Rotoroberfläche (20) ausgebildeten planaren Reflektorflächen (31), einer Lichtquelle (32) zum Emittieren eines an den Reflektorflächen (31) zu reflektierenden Lichtstrahls (33) und einem Sensorelement (34) zum Detektieren des von den Reflektorflächen (31) reflektierten Lichtstrahls (33).
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorflächen (31) derart auf oder an der Rotoroberfläche (20) ausgebildet sind, daß sie synchron mit den Rotorpolpaaren umlaufen.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Reflektorflächen (31) vorgesehen ist, die der Anzahl der Rotorpolpaare entspricht.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorflächen (31) beabstandet zueinander auf oder an der Rotoroberfläche (20) ausgebildet sind oder daß die Reflektorflächen (31) ohne Abstand zueinander angeordnet sind, so daß sie sich mit ihren Kanten (42) berühren.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorflächen (31) als Spiegelflächen ausgebildet sind oder daß die Reflektorflächen (31) mit einer spiegelnden Schicht beschichtet sind.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorflächen (31) zum von der Lichtquelle (32) emittierten Lichtstrahl (33) schräggestellt auf oder an der Rotoroberfläche (20) ausgebildet sind.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorflächen (31) als Bestandteile der Rotoroberfläche (20) oder als separate Elemente ausgebildet sind, die auf oder an der Rotoroberfläche (20) angeordnet sind.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (34) als Zeilensensor, insbesondere als CCD- Zeilensensor, ausgebildet ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeilensensor (34) eine Vielzahl von Einzelelementen (37), insbesondere hundert oder mehr Einzelelemente (37), aufweist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeilensensor (34) zum Auslesen von Helligkeitsinformationen einen Komparator (43) aufweist.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (34) als PSD-Element ausgebildet ist.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (32) zum Emittieren eines strichförmigen Lichtstrahls (33) ausgebildet ist.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (32) als Leuchtdiode oder als Laser ausgebildet ist.
  14. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquelle (32) wenigstens eine Schlitzblende (35) vorgeschaltet ist.
  15. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquelle (32) eine oder mehrere Linsen vorgeschaltet ist/sind.
  16. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (34) in solch einem Abstand zu den Reflektorflächen (31) angeordnet ist, daß der gesamte Drehwinkel (38) einer Polperiode des Rotors (11) in dem Sensorelement (34) abgebildet wird oder abbildbar ist.
  17. 17. Elektrische Maschine, mit einem Stator (16), der ein Statorjoch (17) mit einer Vielzahl von Statorwicklungen (18) aufweist, und mit einem Rotor (11), der eine Anzahl von Magneten (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bestimmen der Winkellage des Rotors (11) eine Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 vorgesehen ist.
  18. 18. Elektrische Maschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß diese in Außenläuferbauweise ausgebildet ist.
  19. 19. Elektrische Maschine nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß diese als Synchronmaschine, insbesondere als permanenterregte Synchronmaschine, ausgebildet ist.
  20. 20. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorflächen (31) der Vorrichtung (30) auf oder an der inneren Rotoroberfläche (20) ausgebildet sind.
  21. 21. Verfahren zum Bestimmen der Winkellage eines Rotors in einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 17 bis 20, unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    1. a) Emittieren eines Lichtstrahls aus einer Lichtquelle auf eine Anzahl von auf oder an dem Rotor ausgebildeten Reflektorflächen;
    2. b) Detektieren des von den Reflektorflächen reflektierten Lichtstrahls durch das Sensorelement; und
    3. c) Bestimmen der Winkellage des Rotors aus den vom Sensorelement detektierten Helligkeitswerten des Lichtstrahls.
  22. 22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement als Zeilensensor, insbesondere als CCD-Zeilensensor ausgebildet ist und daß der vom Sensorelement detektierte Lichtstrahl in diesem in ein Digitalsignal umgewandelt wird, das ein Maß für den Drehwinkel des Rotors innerhalb einer Polperiode ist.
  23. 23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement als PSD-Element ausgebildet ist und daß der vom Sensorelement detektierte Lichtstrahl in zwei oder mehr Teilströme eines Photostroms aufgeteilt wird, daß für die Teilströme eine Stromdifferenz gebildet wird, die anschließend in ein Digitalsignal umgewandelt wird, das ein Maß für den Drehwinkel des Rotors innerhalb einer Polperiode ist.
  24. 24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl in Strichform von der Lichtquelle emittiert, an den Reflektorflächen reflektiert und von dem Sensorelement detektiert wird.






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