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1. WO2021004568 - MACHINE WITH A SENSOR NETWORK

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ DE ]

Maschine mit einem Sensornetzwerk

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschine mit einem Sensornetzwerk. Das Sensornetzwerk umfasst mehrere Sensoren und eine Auswerteeinheit. Die Sensoren sind in der Maschine angeordnet und jeweils zur Messung einer physikalischen Größe ausgebildet.

Die CN 109687805 A zeigt eine Steuerung für einen geschalteten Reluktanzmotor eines Kraftwagens. Die Steuerung umfasst einen Mikrocontroller, einen

Leistungswandler, einen Geschwindigkeitssensor, ein Netzwerkverbindungsmodul, ein drahtloses Datenübertragungsmodul und eine Positionserfassungseinheit. Ein

Ausgang des Mikrocontrollers ist mit einem Eingang des geschalteten

Reluktanzmotors verbunden. Ein Eingang des Mikrocontrollers ist mit einem

X-Kondensator versehen. Ein Eingang des X-Kondensators ist an eine

Gleichtaktinduktivität angeschlossen. Es ist zudem ein Y-Kondensator vorhanden.

Das Gleichtaktrauschen im Mikrocontroller soll dadurch unterdrückt werden, dass der X-Kondensator, die Gleichtaktinduktivität und der Y-Kondensator in Reihe mit der Eingangsschaltung des Mikrocontrollers geschaltet sind und der

Y-Kondensatorausgang extern an ein Elektroaggregat im Fahrzeugsystem

angeschlossen ist.

Die CN 109515207 A zeigt ein intelligentes Fahrsteuerungssystem für ein

unbemanntes Fahrzeug. Das Fahrsteuerungssystem umfasst eine Achse, ein Rad, einen Raddrehzahlsensor, einen Antriebsmotor, ein Radsteuerungssystem, einen Lenkmotor, eine Leistungssteuerungseinheit, eine Fernbedienungseinheit, eine drahtlose Datenübertragungseinheit, eine Kommunikationsschnittstelle und eine Hauptsteuerung. An beiden Enden der Achse ist jeweils ein Rad angebracht. An den Rädern ist jeweils einer der Raddrehzahlsensoren angeordnet. Der Lenkmotor ist in der Mitte der Achse installiert. Das Rad ist mit dem Antriebsmotor verbunden, während der Antriebsmotor und der Raddrehzahlsensor mit dem Radsteuersystem und dem Rad verbunden sind. Das Steuersystem ist über eine

Kommunikationsschnittstelle mit der Hauptsteuerung verbunden. Die Hauptsteuerung ist jeweils auch mit der Energieverwaltungseinheit, dem Lenkmotor, der Fernbedienungseinheit und der drahtlosen Datenübertragungseinheit verbunden.

Aus der US 9,834,114 B2 sind Systeme und Verfahren zum Bestimmen von

Batterieheizbedingungen und Vorheizzeiten von Batterien in Elektro- und

Hybridfahrzeugen bekannt. Die Vorheizzeiten betragen mindestens eine Minute oder mehr und werden auf der Grundlage von Eingabeparametern und Sätzen von

Eingabeparametern bestimmt. Entsprechend der so bestimmten Vorheizzeit wird eine Sekundärbatterie dynamisch erwärmt.

In elektrischen Antriebsmaschinen und Getrieben ist eine Temperaturerfassung an mehreren Punkten notwendig, um einen Aufwand für die elektrische Antriebsmaschine bzw. das Getriebe und deren bzw. dessen Wirkungsgrad zu optimieren. In einem solchen Getriebe wird die Temperatur meist nur im Ölsumpf kabelgebunden erfasst und es werden daraus die Temperaturen an relevanten Punkten im Getriebe mithilfe von Softwaremodellen berechnet. Die Kabelverlegung und die Software sind aufwändig. Die Erfassung der Temperatur auf drehenden Bauteilen, insbesondere auf einem Rotor einer elektrischen Antriebsmaschine ist nur mit hohem Aufwand möglich. Hohe Temperaturen schädigen die elektrischen Antriebsmaschine, insbesondere die Magnete der elektrischen Antriebsmaschine. Da die Temperatur gemäß dem Stand der Technik nur sehr ungenau ermittelt werden kann, werden die elektrischen

Antriebsmaschinen zumeist überdimensioniert oder es wird ein Sicherheitsabstand zu der oberen Temperaturgrenze eingehalten, was insbesondere die Verwendung höherwertiger Magnetmaterialien erfordert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, den Aufwand für eine umfangreiche Überwachung einer Maschine,

beispielsweise für die Überwachung der Temperaturen in einer elektrischen

Antriebsmaschine zu senken.

Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Maschine gemäß dem beigefügten Anspruch 1.

Die erfindungsgemäße Maschine dient zur Erzeugung und/oder Übertragung eines Antriebsmomentes und/oder einer Antriebskraft. Hierfür umfasst die Maschine mehrere Maschinenelemente zur Erzeugung und/oder Übertragung eines

Antriebsmomentes und/oder einer Antriebskraft. Die Maschine umfasst ein

Sensornetzwerk zur Überwachung der Maschine. Das Sensornetzwerk umfasst mehrere Sensoren und eine Auswerteeinheit. Die Sensoren sind in der Maschine angeordnet und jeweils zur Messung einer in der Maschine auftretenden

physikalischen Größe ausgebildet, wobei die physikalischen Größen auch

entsprechende Dimensionen und Verhältnisgrößen sein können. Die Auswerteeinheit ist zur Auswertung von Signalen der Sensoren ausgebildet. Erfindungsgemäß sind die Sensoren jeweils elektrisch drahtlos mit der Auswerteinheit verbunden. Es sind somit drahtlose elektrische Verbindungen zwischen den einzelnen Sensoren und der Auswerteinheit aufbaubar, um Signale von den einzelnen Sensoren zu der

Auswerteinheit zu übertragen. Bei diesen Signalen handelt es sich um Messsignale, welche die mit dem jeweiligen Sensor gemessene physikalische Größe

repräsentieren. Die drahtlosen elektrischen Verbindungen basieren bevorzugt auf elektromagnetischen Wellen, sodass es sich bevorzugt um Funkverbindungen handelt. Selbstverständlich kann das Sensornetzwerk weitere Sensoren umfassen, welche durch elektrische Leitungen mit der Auswerteeinheit verbunden sind.

Bevorzugt umfasst das Sensornetzwerk aber ausschließlich die genannten Sensoren, welche jeweils elektrisch drahtlos mit der Auswerteinheit verbunden sind.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Maschine besteht darin, dass physikalische Größen, wie beispielsweise Temperaturen an verschiedenen Positionen bzw. Orten in der Maschine erfasst werden können, beispielsweise auch auf rotierenden Maschinenelementen. Die gemessenen Temperaturen werden durch die Auswerteeinheit erfasst und können anwendungsspezifisch verarbeitet werden, um so die Maschine optimal regeln zu können.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Maschine besteht darin, dass kein Aufwand für eine Kabelverlegung erforderlich ist. Dieses ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Sensoren an unterschiedlichen Orten in der Maschine angeordnet sind. Zudem kommt es nicht zur Wärmeableitung durch Kabel. Auch ist im Vergleich zum

Stand der Technik kein Softwaremodell oder lediglich ein reduziertes oder adaptives Softwaremodell zur Simulation erforderlich, sodass die Messunsicherheit geringer ist. Entsprechend können beispielsweise bei einer elektrischen Antriebsmaschine günstigere Magnete verwendet werden und eine Isolierung kann geringer

dimensioniert werden. Somit wird die elektrische Antriebsmaschine insgesamt besser ausgenutzt. Überdies wird die Hochvoltsicherheit von elektrischen Bauteilen oder beispielsweise eines elektrischen Antriebsstranges verbessert, da keine Messkabel in die Maschine geführt werden müssen.

Ist die Maschine beispielsweise durch ein Getriebe gebildet, so kann eine Erfassung der Temperatur an verschiedenen Positionen bzw. Orten für eine bedarfsgerechte Kühlung des Getriebes genutzt werden. Beispielsweise kann eine Ölzufuhr

entsprechend den erfassten Temperaturen geregelt werden. Dies führt beispielsweise zu geringeren Schleppverlusten, zu einer Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes, zu einer geringeren Förderleistung der Ölpumpe und zu einem geringeren Ölbedarf.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Maschine ist die

Auswerteeinheit dazu ausgebildet, die drahtlos empfangenen Signale der Sensoren zu verarbeiten, insbesondere um aus den Signalen die mit dem jeweiligen Sensor gemessene physikalische Größe zu bestimmen. Diese Verarbeitung erfolgt bevorzugt anwendungsspezifisch. Die Auswerteeinheit ist bevorzugt dazu ausgebildet, die verarbeiteten Signale auszugeben, um diese beispielsweise einer Steuerung der Maschine bereitzustellen.

Die erfindungsgemäße Maschine ist bevorzugt durch eine elektrische

Antriebsmaschine, durch ein Getriebe oder durch einen Verbrennungsmotor gebildet. Die erfindungsgemäße Maschine ist bevorzugt durch eine Einheit aus einer elektrische Antriebsmaschine, einem Getriebe und/oder einem Verbrennungsmotor gebildet. Die erfindungsgemäße Maschine ist bevorzugt durch eine Einheit aus einer elektrische Antriebsmaschine und einem durch die elektrische Antriebsmaschine angetriebenen Getriebe gebildet. Die elektrische Antriebsmaschine ist bevorzugt durch einen Elektromotor gebildet.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Maschine sind die Sensoren an unterschiedlichen Positionen bzw. Orten in der Maschine angeordnet. Hierdurch kann die Maschine detailliert überwacht werden.

Die durch die Sensoren unmittelbar oder mittelbar messbaren physikalischen Größen sind bevorzugt durch mindestens eine Temperatur und/oder durch mindestens eine Kraft und/oder durch mindestens eine Drehzahl und/oder durch mindestens ein Drehmoment und/oder durch mindestens einen Weg und/oder durch mindestens eine Position und/oder durch mindestens einen Winkel und/oder durch mindestens eine Geschwindigkeit und/oder durch mindestens eine Beschleunigung und/oder durch mindestens einen Druck und/oder durch mindestens eine elektrische Spannung und/oder durch mindestens einen elektrischen Strom und/oder durch mindestens einen elektrischen Widerstand und/oder durch mindestens eine Kapazität und/oder durch mindestens eine Induktivität und/oder durch mindestens eine Energie und/oder durch mindestens einen Wirkungsgrad und/oder durch mindestens eine Leistung und/oder durch mindestens einen magnetische Spannung und/oder durch mindestens einen magnetischen Fluss und/oder durch mindestens eine magnetische Flussdichte und/oder durch mindestens einen magnetischen Widerstand und/oder durch mindestens eine magnetische Feldstärke gebildet. Entsprechend umfasst das

Sensornetzwerk mindestens einen Temperatursensor und/oder mindestens einen Kraftsensor und/oder mindestens einen Drehzahlsensor und/oder mindestens einen Drehmomentsensor und/oder mindestens einen Wegsensor und/oder mindestens einen Positionssensor und/oder mindestens einen Winkelsensor und/oder mindestens einen Geschwindigkeitssensor und/oder mindestens einen Beschleunigungssensor und/oder mindestens einen Drucksensor und/oder mindestens einen elektrischen Spannungssensor und/oder mindestens einen elektrischen Stromsensor und/oder mindestens einen magnetischen Flussdichtesensor und/oder mindestens einen magnetischen Feldstärkesensor. Bevorzugte Ausführungsformen der

erfindungsgemäßen Maschine umfassen mehrere Temperatursensoren, welche an unterschiedlichen Positionen bzw. Orten in der Maschine angeordnet sind. Wenn die genannten physikalischen Größen mittelbar gemessen werden, ist der Messwert bevorzugt durch die Auswerteinheit auf der Grundlage mindestens eines Messsignals von mindestens einem der Sensoren bestimmbar.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Maschine sind zumindest einige der Sensoren jeweils in einer Sensoreinheit angeordnet. Die

Sensoreinheiten umfassen jeweils den jeweiligen Sensor und eine Antenne für eine drahtlose elektrische Verbindung mit der Auswerteinheit. Die Antenne ist bevorzugt smart in die Sensoreinheit integriert.

Zumindest eine oder mehrere der Sensoreinheiten umfassen bevorzugt jeweils ein Energy-Harvesting-Element zur Versorgung der jeweiligen Sensoreinheit mit elektrischer Energie.

Die Auswerteinheit umfasst bevorzugt eine Antenne für drahtlose Verbindungen mit den einzelnen Sensoren, um Signale von den einzelnen Sensoren zu empfangen oder auch um Signale zu den einzelnen Sensoren zu senden. Die Auswerteinheit umfasst bevorzugt eine Recheneinheit zur Verarbeitung der von den Sensoren drahtlos übermittelten Signale.

Die Auswerteinheit umfasst bevorzugt auch einen Analog-Digital-Wandler zur

Wandlung der empfangenen Signale.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Maschine sind zumindest einige der Sensoren und/oder einige der. Sensoreinheiten für einen passiven Betrieb ausgebildet, wofür die Sensoren bzw. die Sensoreinheiten zur Reflexion eines von der Auswerteeinheit gesendeten Signals in Abhängigkeit von der zu messenden physikalischen Größe ausgebildet sind. Bei dem von der

Auswerteeinheit gesendeten Signal handelt es sich bevorzugt um ein

elektromagnetisches Signal oder um ein optisches Signal oder auch um ein

akustisches Signal. Hierdurch benötigen diese Sensoren bzw. die Sensoreinheiten keine eigene Stromversorgung, sodass beispielsweise keine Batterien gewechselt werden müssen. Die Auswerteeinheit sendet ein Signal an diese Sensoren bzw. an diese Sensoreinheiten, welche dieses Signal, insbesondere den Wert einer Frequenz und/oder einer Amplitude und/oder einer Phasenlage dieses Signals, entsprechend einem Maß der jeweils zu messenden physikalischen Größe verändern und zurück zur Auswerteeinheit reflektieren bzw. senden.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Maschine sind zumindest einige der Sensoren an einem Stator, an einem Rotor, an einem Lager, an einem Zahnrad, an einem Kupplungsaktuator, an einer Kupplungsscheibe, an einer Synchronisation, an einem Planetenradsatz, an einem Planetenbolzen, in einem Schmier- und/oder Kühlmittelkreislauf, an einer Leistungselektronik und/oder an einer Batterie der Maschine angeordnet.

Die drahtlosen elektrischen Verbindungen von den einzelnen Sensoren zu der Auswerteeinheit oder auch von der Auswerteeinheit zu den einzelnen Sensoren erfolgen mit einer Frequenz, welche bevorzugt 433 MHz; 13,68 MHz; 865 MHz bis 868 MHz; 900 MHz; 2,4 GHz oder 5 GHz beträgt. Derartige Frequenzen sind zumeist frei verwendbar.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maschine; und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Sensoreinheit und einer Auswerteeinheit der in

Fig. 1 gezeigten Maschine.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maschine in Form einer Einheit aus einer elektrischen Antriebsmaschine 01 und einem Getriebe 02. Die elektrische Antriebsmaschine 01 umfasst u. a. einen Rotor 03 und einen Stator 04. Das Getriebe umfasst u. a. einen Planetenradsatz 06, eine Synchronisation 07 und ein Zahnrad 08. Die Maschine umfasst weiterhin eine Leistungselektronik (nicht gezeigt) und eine Batterie (nicht gezeigt). An den genannten Komponenten ist beispielhaft jeweils eine Sensoreinheit 09 (im Detail gezeigt in Fig. 2) angeordnet.

Fig. 2 zeigt eine der in Fig. 1 gezeigten Sensoreinheiten 09 und eine Auswerteeinheit 11 der in Fig. 1 gezeigten Maschine in einem Blockschaltbild. Die Sensoreinheit 09 umfasst einen Sensor und eine Antenne. Die Sensoreinheit 09 ist zur drahtlosen Übertragung eines Sensorsignals des Sensors zu der Auswerteinheit 11 ausgebildet. Die Auswerteinheit 11 ist zum Empfangen des von der Sensoreinheit 09

ausgesendeten Sensorsignals ausgebildet, wofür die Auswerteinheit 11 eine Antenne und einen Empfänger umfasst. Der Empfänger stellt einen Reader dar, welcher das empfangene Signal verstärkt und daraus einen Wert der mit dem Sensor gemessenen physikalischen Größe bestimmt. Eine Software dient zur anwendungsspezifischen Auswertung des ermittelten Wertes der mit dem Sensor gemessenen physikalischen Größe.

Bezuqszeichenliste

elektrische Antriebsmaschine

Getriebe

Rotor

Stator

-Planetenradsatz

Synchronisation

Zahnrad

Sensoreinheit

Auswerteinheit