DE102019123548A1

DE102019123548A1 - Rotorelement einer Rotorlagesensorvorrichtung, Rotorlagesensorvorrichtung und elektrische Rotationsmaschine

Info

Publication number: DE102019123548A1
Application number: DE102019123548.0A
Authority: DE
Inventors: Peter Dietz; Florian Esly; Marco Bender
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2021-03-04
Also published as: WO2021043355A1; DE112020004195A5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotorelement einer Rotorlagesensorvorrichtung, eine damit ausgestattete Rotorlagesensorvorrichtung sowie eine elektrische Rotationsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Rotorlagesensorvorrichtung.Rotorelement (1) einer Rotorlagesensorvorrichtung (70), welches zur Erzeugung von Wirbelströmen in einem Sensorelement (71) der Rotorlagesensorvorrichtung (70) dient, wobei das Rotorelement (1) im Wesentlichen die Form eines Rades hat und in einem radial inneren Bereich (10) einen Verbindungsabschnitt (11) umfasst, der einen sich axial erstreckenden Gewindeabschnitt aufweist zur mechanischen Befestigung auf einer Welle (30), und wobei das Rotorelement (1) an seiner radial äußeren Seite (14) ein geschlossenes Kreisprofil (16) aufweist.Mit dem erfindungsgemäßen Rotorelement sowie der Rotorlagesensorvorrichtung und der damit ausgestatteten elektrische Rotationsmaschinen werden Einrichtungen zur Verfügung gestellt, mit denen unter Gewährleistung eines minimalen axialen Bauraumbedarfs zuverlässige Informationen hinsichtlich der Winkelposition und/oder der Drehzahl des jeweiligen Rotors ermittelbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorelement einer Rotorlagesensorvorrichtung, eine damit ausgestattete Rotorlagesensorvorrichtung sowie eine elektrische Rotationsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Rotorlagesensorvorrichtung.
Es existieren diverse Anwendungsfälle, in denen Sensorvorrichtungen genutzt werden, um die Winkel- und Rotationsinformationen einer elektrischen Maschine zu erfassen.
So ist es auch für eine optimale Betriebsweise einer elektrischen Antriebseinheit bzw. eines damit ausgestatteten Hybridmoduls für ein Kraftfahrzeug erforderlich, in bestimmten Betriebssituationen die Winkelposition des Rotors der elektrischen Maschine der elektrischen Antriebseinheit festzustellen. Zu diesem Zweck werden üblicherweise Resolver und Lagesensoren eingesetzt, die koaxial zum Rotor eingebaut sind. Allerdings benötigen auch diese Bauteile einen nicht unerheblichen Bauraum.
Üblicherweise ist dabei ein Signalelement bzw. ein Sensorelement fest mit einem Gehäuseelement verbunden.
Das Signalelement kann als ganzer Ring oder als Ringsegment ausgebildet sein. Ein Rotorelement der Sensorvorrichtung ist mit einem sich drehenden Bauteil gekoppelt und ist Träger von elektrisch leitfähigen Elementen zur Erzeugung eines Wirbelstroms an dem Signalelement bzw. Sensorelement, sodass mittels der Sensorvorrichtung über das Wirbelstromprinzip die Drehzahl und/oder die Winkelposition des drehenden Bauteils, wie zum Beispiel eines Rotors einer elektrischen Rotationsmaschine bzw. einer damit gekoppelten Welle, ermittelbar ist. Zwecks Verringerung eines Messfehlers wird dabei üblicherweise angestrebt, das Rotorelement so dicht wie möglich an der Position desjenigen Bauteils anzuordnen, dessen Winkelposition bzw. Drehzahl ermittelt werden soll. Das Sensorelement ist üblicherweise in der unmittelbaren Nähe des rotierenden Rotorelements an einem Gehäuse befestigt.
Je geringer dabei der Abstand zwischen den genannten Bauteilen ist, umso geringer ist der zu erwartende Fehler und umso höher ist die Signalqualität.
Aufgrund bestehender Bauraum-Restriktionen kann es jedoch insbesondere bei Aggregaten mit mehreren, in Reihe gekoppelten Modulen notwendig sein, eine Drehwinkelbestimmung an einer axialen Position auszuführen, die einen relativ großen Abstand aufweist zu dem rotierenden Bauelement, dessen Winkelposition eigentlich ermittelt werden soll. Entsprechend gibt es in solchen Fällen ToleranzKetten, die zu einer Summierung auftretender Fehler bei der Bestimmung der Winkelposition führen können. Des Weiteren können in derartigen komplexen Systemen auftretende Schwingungen einen Messfehler erhöhen bzw. die Signalqualität negativ beeinflussen.
Eine relativ platzsparende Bauweise eines Rotorelements umfasst dieses in einer ringförmigen Ausgestaltung, wobei das Rotorelement im zentralen Bereich auf einer Welle formschlüssig drehfest montierbar ist, zum Beispiel über eine Steckverzahnung. Zur axialen Sicherung ist vorgesehen, dass eine Mutter auf einen Außengewinde-Absatz der Welle aufgeschraubt wird und derart axial das Rotorelement mit einer Anpresskraft beaufschlagt und derart zum Beispiel gegen einen Absatz der Welle drückt.
Es ist jedoch wünschenswert, weiteren axialen Bauraum einzusparen bzw. es durch alternative Konstruktionen zu ermöglichen, dass Sensorvorrichtungen in sehr eng bemessenen axialen Bauräumen integriert werden können.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Rotorelement sowie eine Rotorlagesensorvorrichtung mit dem Rotorelement und eine damit ausgestattete elektrische Rotationsmaschine zur Verfügung zu stellen, mit denen unter Gewährleistung eines minimalen axialen Bauraumbedarfs zuverlässige Informationen hinsichtlich der Winkelposition und/oder der Drehzahl des jeweiligen Rotors ermittelbar sind.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Rotorelement nach Anspruch 1, durch die erfindungsgemäße Rotorlagesensorvorrichtung nach Anspruch 3 sowie durch die erfindungsgemäße elektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 4 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotorelements ist in Unteranspruch 2 angegeben.
Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
Die Begriffe „axial“ und „radial“ beziehen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer auf die Rotationsachse der Rotorelements bzw. der damit ausgestatten Rotorlagesensorvorrichtu ng.
Die Erfindung betrifft ein Rotorelement einer Rotorlagesensorvorrichtung, welches zur Erzeugung von Wirbelströmen in einem Sensorelement der Rotorlagesensorvorrichtung dient. Das Rotorelement hat im Wesentlichen die Form eines Rades und umfasst in einem radial inneren Bereich einen Verbindungsabschnitt, der einen sich axial erstreckenden Gewindeabschnitt aufweist zur mechanischen Befestigung auf einer Welle. Das Rotorelement weist an seiner radial äußeren Seite ein geschlossenes Kreisprofil auf.
Es ist somit erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Rotorelement im Wesentlichen als Rad mit tangential bzw. am Umfang geschlossener Außenkontur ausgestaltet ist. Das Rotorelement ist der Träger von elektrisch leitfähigen Elementen zur Wirbelstromerzeugung.
Der Gewindeabschnitt dient zum Verschrauben mit einer Welle, wie z.B. einer Welle einer elektrischen Rotationsmaschine. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass der Gewindeabschnitt als ein Innengewinde ausgeführt ist, der mit einem Außengewindeabschnitt der Welle eine Verschraubung realisieren kann.
Dadurch lässt sich das Rotorelement auf einer Antriebswelle mit geringem axialen Bauraumbedarf fixieren, da im Wesentlichen lediglich die Schraubverbindung für die mechanische Kopplung des Rotorelements mit der Antriebswelle sorgt, bei gleichzeitiger Gewährleistung der mechanischen Stabilität des Rotorelements auch bei hohen Umdrehungszahlen.
Des Weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße Bauweise eine sehr dichte Anordnung an der Position des rotierenden Bauelements, wie zum Beispiel eines Rotors, dessen Dreh- und/oder Lage-Informationen zu detektieren sind. Entsprechend werden lange Toleranzketten von miteinander gekoppelten Teilen vermieden. Zudem sind wegen der Zusammenfassung von mehreren Bauteilen in dem erfindungsgemäßen Rotorelement weniger Montageschritte notwendig als bei herkömmlichen Sensorvorrichtungen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das Rotorelement sich radial vom Verbindungsbereich erstreckende Überbrückungsabschnitte, die radial zu einem das geschlossene Kreisprofil realisierenden Ringbereich führen, wobei elektrisch leitfähige Objekte an den Überbrückungsabschnitten und/oder an dem Ringbereich in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind.
Die elektrisch leitfähigen Objekte sind dabei die Elemente, die gemäß der bekannten Wirbelstromtechnologie einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden können und somit in einem dazugehörigen Sensorelement Wirbelströme erzeugen können, die dem Wechselfeld Energie entziehen und die Schwingung des Magnetfeldes dämpfen. Unter Auswertung der Veränderung der Schwingungsamplitude lässt sich ein entsprechendes proportionales Ausgangssignal erzeugen als Aussage hinsichtlich der Winkelposition des elektrisch leitfähigen Objekts und demzufolge auch der Drehzahl des Rotorelements.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Rotorelement wenigstens einen sich mit zumindest einer Komponente seiner Längserstreckung in radialer Richtung erstreckenden Kühlkanal aufweisen. Bei Ausführung des Rotorelements mit Überbrückungsabschnitten ist vorzugsweise vorgesehen, dass sich ein Kühlkanal in wenigstens einem dieser Überbrückungsabschnitte befindet.
In weiterführender oder alternativer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Rotorelement zur Vergleichmäßigung der Massenverteilung des Rotorelements als integralen Bestandteil an einer Winkelposition einen Materialbereich umfasst, der eine größere Masse aufweist als benachbarte Materialbereiche.
Das bedeutet, dass das Rotorelement ein Ausgleichsgewicht mit seinem eigenen Körper bzw. als integralen Bestandteil realisiert, um Unwuchten beim Rotationsbetrieb des Rotorelements zu vermeiden bzw. zu verringern.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Rotorlagesensorvorrichtung zur Erfassung von Winkel- und Rotationsinformationen eines rotierenden Elements, welche ein Sensorelement zum Erfassen von Strömen, insbesondere von Wirbelströmen, sowie ein erfindungsgemäßes Rotorelement zur Erzeugung von Wirbelströmen in dem Sensorelement aufweist.
Des Weiteren wird erfindungsgemäß eine elektrische Rotationsmaschine zur Verfügung gestellt, welche eine erfindungsgemäße Rotorlagesensorvorrichtung umfasst, wobei das Rotorelement der Rotorlagesensorvorrichtung mittels einer mit seinem Gewindeabschnitt realisierten Verschraubung drehfest mit einer mit einem Rotor der elektrischen Rotationsmaschine verbundenen Welle gekoppelt ist.
Das Sensorelement kann insbesondere an einem Gehäuse bzw. einem Stator einer mit der Rotorlagesensorvorrichtung ausgestatteten elektrischen Rotationsmaschine angeordnet sein.
Es ist somit vorgesehen, dass eine Verschraubung zwischen dem Rotorelement und der Welle dazu dient, das Rotorelement in axialer Richtung und vorzugsweise auch in Umfangsrichtung zu fixieren. Dabei können das Rotorelement und der Rotor gegebenenfalls derart ausgestaltet sein, dass das Rotorelement durch axiale Verlagerung aufgrund der Spannung der Schraubverbindung eine dauerhafte Spannkraft auf den Rotor axial bewirkt. Der Rotor kann sich dabei zum Beispiel an der dem Rotorelement gegenüberliegenden Seite an einem Absatz abstützen und derart von dem Rotorelement vorgespannt montiert sein, so dass der Rotor kraftschlüssig gehalten wird.
Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in

1: ein erfindungsgemäßes Rotorelement in Seitenansicht, und
2: eine erfindungsgemäße Rotorlagesensorvorrichtung an einem Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine in einem Teilschnitt.

In 1 ist das erfindungsgemäße Rotorelement 1 in Seitenansicht gezeigt. Es weist im Wesentlichen die Form eines Rades auf, wobei an einem radial inneren Bereich 10 ein Verbindungsabschnitt 11 ausgebildet ist, der der mechanischen Verbindung mit einer Welle dient, wie sie noch in Bezug auf 2 weiter unten beschrieben wird. Im Verbindungsabschnitt 11 ist ein Innengewinde 12 ausgebildet. Im Wesentlichen sternförmig vom Verbindungsbereich 11 ausgehend umfasst das Rotorelement 1 des Weiteren vier Überbrückungsabschnitte 13, die zu einem an einer radial äußeren Seite 14 des Rotorelements 1 angeordneten Ringbereich 15 führen. Dieser Ringbereich 15 ist an seiner radialen Außenseite durch ein Kreisprofil 16 geschlossen. Das bedeutet, dass der Ringbereich 15 die einzelnen Überbrückungsabschnitte 13 in Umfangsrichtung miteinander verbindet und derart dem Rotorelement 1 eine hohe mechanische Stabilität und eine geringe Schwingungsneigung bei höheren Drehzahlen verleiht.
Das Rotorelement 1 weist mehrere elektrisch leitfähige Elemente 20 auf, die an den Überbrückungsabschnitten 13 und/oder am Ringbereich 15 angeordnet sind, zur Erzeugung von Wirbelströmen, die das magnetische Feld eines hier nicht dargestellten Sensorelements beeinflussen, woraus Informationen hinsichtlich der Drehzahl und/oder der Winkelposition eines Segments des Rotorelements 1 ableitbar sind.
2 zeigt das Rotorelement 1 im montierten Zustand als Bestandteil einer Rotorlagesensorvorrichtung 70 auf einer Welle 30. Es ist ersichtlich, dass das Rotorelement 1 mit seinem Innengewinde 12 zusammen mit einem Außengewindeabschnitt 33 der Welle 30 eine Verschraubung 40 realisiert, die das Rotorelement 1 in axialer Richtung sowie auch in Umfangsrichtung fixiert.
Aufgrund einer mit der Verschraubung 40 realisierten axialen Vorspannung auf einen neben dem Rotorelement 1 befindlichen Rotor 50 einer elektrischen Rotationsmaschine wird dieser Rotor 50 gegen eine Scheibe 32 gedrückt, die sich wiederum an einem Absatz 31 der Welle axial abstützt. Derart lässt sich durch die Verschraubung 40 nicht nur eine Montage und Fixierung des Rotorelements 1 selbst ermöglichen, sondern auch eine Fixierung des Rotors 50.
Dem Rotor 50 axial in Bezug zum Rotorelement 1 gegenüberliegend ist an einem Gehäuse 60 ein Sensorelement 71 derart angeordnet, dass dieses in radialer Richtung im Wesentlichen den gleichen Abstand zu einer Rotationsachse 2 aufweist wie die elektrisch leitfähigen Elemente 20 am Rotorelement 1, so dass bei Rotation des Rotorelements 1 die elektrisch leitfähigen Elemente 20 nacheinander das vom Sensorelement 71 erzeugte Magnetfeld durchlaufen und Wirbelströme generieren, die das Magnetfeld schwächen. Unter Auswertung der Veränderung des Magnetfeldes lassen sich Informationen hinsichtlich der Drehzahl bzw. der jeweiligen Winkelposition der elektrisch leitfähigen Elemente 20 generieren als Aussage über die Winkelposition des Rotors 50.
Mit dem erfindungsgemäßen Rotorelement sowie der Rotorlagesensorvorrichtung und der damit ausgestatteten elektrische Rotationsmaschinen werden Einrichtungen zur Verfügung gestellt, mit denen unter Gewährleistung eines minimalen axialen Bauraumbedarfs zuverlässige Informationen hinsichtlich der Winkelposition und/oder der Drehzahl des jeweiligen Rotors ermittelbar sind.
Bezugszeichenliste

1: Rotorelement
2: Rotationsachse
10: radial innerer Bereich
11: Verbindungsabschnitt
12: Innengewinde
13: Überbrückungsabschnitt
14: radial äußere Seite
15: Ringbereich
16: Kreisprofil
20: elektrisch leitfähige Elemente
30: Welle
31: Absatz
32: Scheibe
33: Außengewindeabschnitt
40: Verschraubung
50: Rotor
60: Gehäuse
70: Rotorlagesensorvorrichtung
71: Sensorelement

Claims

Rotorelement (1) einer Rotorlagesensorvorrichtung (70), welches zur Erzeugung von Wirbelströmen in einem Sensorelement (71) der Rotorlagesensorvorrichtung (70) dient, wobei das Rotorelement (1) im Wesentlichen die Form eines Rades hat und in einem radial inneren Bereich (10) einen Verbindungsabschnitt (11) umfasst, der einen sich axial erstreckenden Gewindeabschnitt aufweist zur mechanischen Befestigung auf einer Welle (30), und wobei das Rotorelement (1) an seiner radial äußeren Seite (14) ein geschlossenes Kreisprofil (16) aufweist.
Rotorelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorelement (1) sich radial vom Verbindungsbereich (11) erstreckende Überbrückungsabschnitte (13) umfasst, die radial zu einem das geschlossene Kreisprofil (16) realisierenden Ringbereich (15) führen, und elektrisch leitfähige Objekte (20) an den Überbrückungsabschnitten (13) und/oder an dem Ringbereich (15) in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind.
Rotorlagesensorvorrichtung (70) zur Erfassung von Winkel- und Rotationsinformationen eines rotierenden Elements, aufweisend ein Sensorelement (71) zum Erfassen von Strömen, insbesondere von Wirbelströmen, und ein Rotorelement (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2 zur Erzeugung von Wirbelströmen in dem Sensorelement (71).
Elektrische Rotationsmaschine, umfassend eine Rotorlagesensorvorrichtung (70) gemäß Anspruch 3, wobei das Rotorelement (1) der Rotorlagesensorvorrichtung (70) mittels einer mit seinem Gewindeabschnitt realisierten Verschraubung (40) drehfest mit einer mit einem Rotor (50) der elektrischen Rotationsmaschine verbundenen Welle (30) gekoppelt ist.