Title:
Rotorlage-Sensorik mit orthogonaler Anordnung
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Winkelerfassung einer Drehwelle mit einem koaxial an der Drehwelle befestigten Ringmagneten, dessen über den Drehwinkel (φ) veränderliche Magnetfeldkomponente parallel zur Drehachse und dessen über den Drehwinkel (φ) veränderliche Magnetfeldkomponente parallel zur Drehrichtung radial außen zum Außenumfang des Magneten mittels einer Sensoreinrichtung erfassbar ist, wobei die Sensoreinrichtung zur Erfassung der Feldkomponente parallel zur Drehachse und zur Erfassung der Feldkomponente parallel zur Drehrichtung jeweils zumindest ein magnetfeldempfindliches und in Einbaulage außeraxial außerhalb des Außenumfangs des Magneten und in Axialrichtung ortsfest zur Drehwelle angeordnetes Sensorelement sowie eine Einrichtung zur Ermittlung der Drehstellung der Drehwelle auf der Grundlage der Messsignale der Sensorelemente aufweist, wobei der Ringmagnet zur Gestaltung eines bogenförmigen Feldlinienverlaufs im Innern des Ringmagneten mit einem zu einer seiner beiden Stirnseiten hin mehrpoligen, insbesondere 2-poligen, Austritt der Feldlinien magnetisiert ist, wobei dessen Volumen zumindest zu 50% parallel zu der einen der beiden Stirnflächen, d.h. bei 2-poligem Austritt der Feldlinien diametral, magnetisiert ist. embedded image





Inventors:
Krzywinski, Jacek, Dipl.-Phys. (53347, Alfter, DE)
Application Number:
DE102017104164A
Publication Date:
08/30/2018
Filing Date:
02/28/2017
Assignee:
Windhorst Beteiligungsgesellschaft mbH, 53119 (DE)
International Classes:
G01B7/30; H01F7/02
Domestic Patent References:
DE102006020700A1N/A
DE102008021107A1N/A
DE102013200931A1N/A
DE102014110019A1N/A
Foreign References:
20110175600
Attorney, Agent or Firm:
LIPPERT STACHOW Patentanwälte Rechtsanwälte Partnerschaft mbB, 51427, Bergisch Gladbach, DE
Claims:
Vorrichtung zur Winkelerfassung einer Drehwelle (2) mit einem koaxial an der Drehwelle befestigten Magneten wie einem Ringmagneten (3), dessen über den Drehwinkel (φ) veränderliche Magnetfeldkomponente parallel zur Drehachse (A) und dessen über den Drehwinkel (φ) veränderliche Magnetfeldkomponente parallel zur Drehrichtung radial außen zum Außenumfang des Magneten mittels einer Sensoreinrichtung (6) erfassbar ist, wobei die Sensoreinrichtung zur Erfassung der Feldkomponente parallel zur Drehachse (A) und zur Erfassung der Feldkomponente parallel zur Drehrichtung jeweils zumindest ein magnetfeldempfindliches und in Einbaulage außeraxial außerhalb des Außenumfangs des Magneten und in Axialrichtung ortsfest zur Drehwelle angeordnetes Sensorelement (61, 62) sowie eine Einrichtung zur Ermittlung der Drehstellung der Drehwelle auf der Grundlage der Messsignale der Sensorelemente (61, 62) aufweist, wobei der Magnet zur Gestaltung eines bogenförmigen Feldlinienverlaufs im Innern des Magneten mit einem zu einer seiner beiden Stirnseiten (31) hin mehrpoligen, insbesondere 2-poligen, Austritt der Feldlinien (F1, F2) magnetisiert ist, wobei dessen Volumen zumindest zu 50% parallel zu der einen der beiden Stirnflächen (31), d.h. bei 2-poligem Austritt der Feldlinien (F1, F2) diametral, magnetisiert ist.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung (h) des als Ringmagneten (3) ausgebildeten Magneten größer ist als 60% der radialen Wandstärke (r) des Ringmagneten (3), insbesondere etwa 100 % der radialen Wandstärke (r) des Ringmagneten (3) beträgt.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (6) bzw. die Sensorelemente (61, 62) innerhalb der axialen Erstreckung (h) Magneten, insbesondere axial mittig zum Magneten, angeordnet sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (61, 62) etwa auf gleicher axialer Höhe zum Magneten angeordnet sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (61, 62) auf dem gleichem Substrat angeordnet sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (6) zumindest einen TMR- Doppelsensor umfasst, dessen beide Felderfassungsrichtungen (R1, R2) in einer Ebene und insbesondere senkrecht zueinander liegen.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet einen kunststoffgebundenen Magnetwerkstoff, vorzugsweise auf Basis von magnetisierbaren Hartferriten oder Seltenerdlegierungen wie NdFeB oder SmCo umfasst.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet auf einen Träger (4) aufgespritzt ist, der diesen axial, in Teilbereichen am Außenumfang, und/oder am Innenumfang hält, und mit dem er an der Drehwelle befestigt ist.

Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Erkennung eines Drehwinkels von Kurbel- oder Nockenwellen eines Motors oder eines Schwenkwinkels eines Lenkrades bei Kraftfahrzeugen.

Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Bereitstellung einer sensorgesteuerten elektrischen Kommutierung bei Elektromotoren.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Winkelerfassung an einer Drehwelle wie einem Rotor mit einem koaxial an der Drehwelle befestigten Magneten sowie die Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Erkennung einer Drehstellung einer Kurbel- oder Nockenwelle, eines Schwenkwinkels eines Lenkrades bei Kraftfahrzeugen oder zur Bereitstellung einer sensorgesteuerten elektrischen Kommutierung bei Elektromotoren.

Aus dem Stand der Technik sind Winkelsensoren zur Erfassung der Drehstellung einer Drehwelle bekannt. In der Regel wird dabei eine Anordnung gewählt, bei welcher der Magnet direkt bzw. über einen den Magneten haltenden Träger starr an einem Ende der Drehwelle angebracht ist, wobei die Sensoreinrichtung im Gegensatz zur Drehwelle ortsfest und axial ausgerichtet zur Drehwelle angeordnet, beispielsweise in einem Sensorgehäuse befestigt ist. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2013 200 931 A1 beschrieben. Auf dem Gebiet bekannt ist auch die Verwendung zweier Sensorelemente zur Gestaltung der Sensoreinrichtung, wobei die Sensorelemente das sich aufgrund der Drehbewegung der Drehwelle verändernde magnetische Feld phasenverschoben erfassen und auf der Grundlage der beiden Sensorsignale der gesuchte Drehwinkel berechnet wird. Ein derartiges Verfahren bzw. eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2008 021 107 A1 beschrieben.

Bei diesen herkömmlichen Winkelsensoren wird durch die axial kopfseitig zur Welle vorgesehene Hintereinanderanordnung von Magnet und Sensoreinrichtung die Bauhöhe der Gesamtvorrichtung in axialer Richtung erhöht, was für bestimmte Anwendungen unzweckmäßig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Winkelerfassung einer Drehwelle mit einem koaxial zur Drehwelle angeordneten Magneten bereitzustellen, der in axialer Richtung im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen eine geringe axiale Bauhöhe aufweist und darüber hinaus die Erfassung des Drehwinkels mit hoher Genauigkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung mit einer Vorrichtung zur Winkelerfassung einer Drehwelle mit den Merkmalen von Anspruch 1. Dabei weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen koaxial an der Drehwelle befestigten Magneten, insbesondere einen Zylinder- oder Ringmagneten auf, dessen über den Drehwinkel veränderliche Magnetfeldkomponente parallel zur Drehachse und dessen über den Drehwinkel veränderliche Magnetfeldkomponente parallel zur Drehrichtung radial außen zum Außenumfang des Magneten mittels einer Sensoreinrichtung erfassbar, d.h. messbar ist, wobei die Sensoreinrichtung zur Erfassung der Feldkomponente parallel zur Drehachse und zur Erfassung der Feldkomponente parallel zur Drehrichtung jeweils zumindest ein magnetfeldempfindliches und in Einbaulage außeraxial außerhalb des Außenumfangs des Magneten und in Axialrichtung ortsfest angeordnetes Sensorelement sowie darüber hinaus eine Einrichtung zur Ermittlung der Drehstellung der Drehwelle auf der Grundlage der Messsignale der Sensorelemente umfasst. Dabei ist der Magnet zur Gestaltung eines bogenförmigen Feldlinienverlaufs in seinem Innern mit einem zu einer seiner beiden Stirnseiten hin mehrpoligen, insbesondere 2-poligen Austritt der Feldlinien magnetisiert, derart, dass dessen Volumen zumindest 50% parallel zu der einen der beiden Stirnflächen, d. h. bei 2-poligem Austritt der Feldlinien diametral, magnetisiert ist.

Eine zweckmäßige Art, die Magnetisierung X%, hier 50%, parallel zur Stirnfläche anzugeben, könnte auf der Grundlage einer Definition X%=HHgesembedded imagemit H2ges=H2⊥ + H2∥ gegeben sein, wobei Hges den Betrag der Feldstärke, H⊥ die Feldstärkekomponente senkrecht zur der besagten Stirnfläche und H|| die Feldstärkekomponente parallel zu dieser Stirnfläche angibt und wobei über das Volumen des Magneten integriert wird. Eine 50%-tige Magnetisierung parallel zu der einen der beiden Stirnflächen kann experimentell z.B. durch eine integrierende Messung des magnetischen Momentes in der entsprechenden Richtung durchgeführt werden. Dabei beträgt das magnetische Moment, im Falle des bogenförmigen Feldlinienverlaufs im Innern des Magneten mit einem zu der einen der beiden Stirnseiten hin 2-poligen Austritt der Feldlinien, bei der 50% diametralen Magnetisierung die Hälfte des Momentes bei voller Sättigung, d.h. bei 100% Magnetisierung in diametraler Richtung.

Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Magnet in Bezug auf seine Magnetisierung derart gestaltet sein kann, dass er radial außen zu seiner Mantelfläche zwei zueinander etwa senkrecht liegende Magnetfeldkomponenten mit ähnlicher maximaler Stärke bereitstellt, die bei Drehung des Magneten relativ zu der feststehenden Sensoreinrichtung jeweils ein variierendes Sensorsignal an einem zugehörigen Sensorelement erzeugen, wobei diese Sensorsignale zueinander phasenverschoben sind, ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung die Erfassung des Drehwinkels der Drehwelle mit hoher Genauigkeit unter gleichzeitiger Bereitstellung einer vergleichsweise geringen Bauhöhe in axialer Richtung der gesamten Vorrichtung.

Vorzugsweise kann der bogenförmige Feldlinienverlauf innerhalb des Magneten derart ausgebildet sein, dass die jeweiligen Maximalwerte der beiden zueinander senkrecht liegende Magnetfeldkomponenten in Bezug auf die Feldstärke am Ort der Sensoreinrichtung nicht mehr als 30%, besonders zweckmäßig nicht mehr als 20 % bzw. höchst zweckmäßig nicht mehr als 10 % voneinander abweichen. Die Angabe „Maximalwert“ einer Magnetfeldkomponente kann dabei die jeweilige positive Amplitude, die jeweilige negative Amplitude, oder die größte beider jeweiligen Amplituden meinen.

Erfindungsgemäß sind die Sensorelemente ortsfest angeordnet, d. h. die Drehwelle und damit der daran befestigte Magnet drehen sich relativ zu den beispielsweise zu bzw. in einem Sensorgehäuse ortsfest fixierten Sensorelementen.

Erfindungsgemäß kann der Magnet als Ringmagnet ausgebildet sein, welcher beispielsweise die Drehwelle umgreift bzw. die Drehwelle sich durch eine Mittenbohrung im Magneten erstreckt, oder auch als zylinderförmiger Magnet, der an einer Stirnseite der Drehwelle befestigt ist.

Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass zumindest eine oder beide Stirnseitenflächen des Magneten senkrecht zur Drehachse verläuft bzw. verlaufen und/oder parallel zueinander angeordnet sind.

Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass zumindest eine oder beide Stirnseitenflächen des Magneten eben gestalten sind. In anderen Ausführungen kann auch vorgesehen sein, dass zumindest eine oder beide Stirnseitenflächen des Magneten zumindest abschnittsweise gekrümmt gestaltet ist bzw. sind.

Die Angabe „bogenförmiger Feldlinienverlauf im Innern des Magneten“ bezeichnet allgemein einen nicht geradlinienförmigen Verlauf, wobei an einer der Stirnseiten ein mehrpoliger Austritt der Feldlinien vorliegt und vorzugsweise an der anderen Stirnseite eine um mindestens 30%, insbesondere mindesten 50% geringere Anzahl von Feldlinien austritt.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmale sind in der allgemeinen Beschreibung, der Figurenbeschreibung, den Figuren sowie den Unteransprüchen angegeben.

Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass der insbesondere als Ringmagnet ausgebildete Magnet an der anderen Stirnseite so, insbesondere axial nullpolig, magnetisiert ist, dass an dieser Stirnseite im Wesentlichen keine Magnetfeldlinien ein- oder austreten.

Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, den Magneten als Ringmagneten auszubilden. Um ein zweckmäßiges Verhältnis von axialer Feldkomponente zu tangentialer Feldkomponente im Bereich des Außenmantels des Ringmagneten am Ort der Sensoreinrichtung zu halten, kann vorgesehen sein, dass die axiale Erstreckung, d. h. die Höhe des Ringmagneten, größer als etwa 60% der radialen Wandstärke des Ringmagneten, zweckmäßigerweise größer als etwa 80%, insbesondere etwa 100% der radialen Wandstärke des Ringmagneten, beträgt.

Die beschriebene Magnetisierung in Form eines bogenförmigen Feldlinienverlaufs im Innern des Magneten ist je nach Material des Magneten erzeugbar. Ein Magnet aus einem isotropen Magnetwerkstoff kann in einer entsprechend gestalteten Magnetisierungsvorrichtung zur Erzeugung des beschriebenen bogenförmigen Magnetfeldverlaufs magnetisiert werden. Demgegenüber ist bei einem anisotropen Werkstoff ein angepasstes Herstellungswerkzeug notwendig, um eine bogenförmige Vorzugsrichtung im Material einstellen. Je nach spezifischem Material kann nachfolgend auch noch eine Magnetisierung in einer Magnetisierungsvorrichtung notwendig sein.

Um ein zweckmäßiges Verhältnis zwischen axial verlaufender Feldkomponente und tangential verlaufender Feldkomponente, welche mittels der angegebenen zwei Sensorelementen unabhängig voneinander erfasst werden können, bereitzustellen, kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung bzw. die Sensorelemente innerhalb der axialen Erstreckung des Ringmagneten, insbesondere etwa axial mittig zum Ringmagneten angeordnet sind. Aus dem gleichen Grunde kann vorgesehen sein, die Sensorelemente etwa auf gleicher axialer Höhe zum Ringmagneten anzuordnen. In einer besonderen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, eines der Sensorelemente zur Erfassung der einen Magnetfeldkomponente oberhalb und ein anderes Sensorelement zur Erfassung der anderen Magnetfeldkomponente unterhalb der axialen Mitte des Magneten anzuordnen.

Es hat sich bei der Verwendung eines Ringmagneten als Erregermagnet als zweckmäßig herausgestellt, einen radialen Abstand zwischen dem Außenmantel des Magneten und der Sensorelementen vorzusehen, der etwa gleich der radialen Wandstärke des Ringmagneten ist.

Zur einfachen Integration der notwendigen Funktionalität für die Ermittlung der Drehstellung bzw. der Drehbewegung der Drehwelle kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, die Sensorelemente zur Erfassung der parallel zur Drehrichtung, d. h. tangential verlaufenden Magnetfeldkomponente und zur Erfassung der parallel zur Drehachse, d. h. axial verlaufenden Magnetfeldkomponente auf dem gleichen Substrat anzuordnen. Dabei kann vorgesehen sein, die Sensoreinrichtung zusammen mit einer als Mikroprozessor oder ASIC ausgebildeten Einrichtung zur Ermittlung der Drehstellung der Drehwelle auf der Grundlage der Messsignale der Sensorelemente auf einer gemeinsamen Platine anzuordnen, welche beispielsweise an einem Sensorgehäuse radial außen zum sich mit der Drehwelle drehenden Magneten befestigt sein kann, angeordnet sein kann. Je nach verwendeten Magnetfeldsensoren kann die Einrichtung zur Ermittlung der Drehstellung der Drehwelle, z.B. A/D-Wandler zur Digitalisierung von Sensorsignalen und Programmcode zur Berechnung der Drehstellung aus den gewandelten Sensorsignalen aufweisen.

Für die Erfassung der Stärke der jeweiligen Magnetfeldkomponente kann grundsätzlich jeder Magnetfeldsensor Verwendung finden, die beispielsweise auf dem galvanomagnetischen, einem magneto-resistiven oder einem magneto-optischen Effekt beruhen. Vorzugsweise können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung Hallsensoren oder sogenannte TMR-Sensoren zur Anwendung kommen, die auf dem Tunnel-magneto-resistiven Effekt beruhen. Beispielsweise kann die Sensoreinrichtung einen TMR-Doppelsensor aufweisen, dessen beide Felderfassungsrichtungen bzw. -komponenten in einer Ebene und insbesondere senkrecht zueinander liegen. Zweckmäßigerweise kann die Sensoreinrichtung so angeordnet sein, dass eine der Felderfassungseinrichtungen parallel zur Drehachse liegt.

Die Sensoreinrichtung kann in einer Ausführungsform der Erfindung auch als Feldwinkelsensor ausgebildet sein, der intern zur Erfassung einer Magnetfeldkomponente parallel zur Drehachse und zur Erfassung einer Magnetfeldkomponente parallel zur Drehrichtung jeweils zumindest ein magnetfeldempfindliches Sensorelement aufweist, wobei die Sensoreinrichtung ausgebildet ist, auf der Grundlage der Ausgangssignale dieser Sensorelemente einen über den Drehwinkel der Drehwelle veränderlichen Magnetfeldwinkel zu ermitteln, insbesondere zu berechnen. Dabei kann dieser Feldwinkelsensor ausgebildet sein, den ermittelten Feldwinkel als Ausgangssignal, insbesondere als digitales Ausgangssignal, an seinem Ausgang auszugeben, wobei dieses Ausgangssignal der Einrichtung zur Ermittlung des Drehwinkels bzw. der Drehstellung der Drehwelle zugeführt wird. Diese Einrichtung zur Ermittlung des Drehwinkels bzw. der Drehstellung kann je nach Ausführungsform z.B. einen Mikroprozessor oder einen ASIC umfassen.

Der insbesondere als Ringmagnet ausgebildete Magnet der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann aus einem kunststoffgebundenem Magnetwerkstoff hergestellt sein, vorzugsweise auf der Basis von magnetisierbaren Hartferriten wie NdFeB oder Seltenerdlegierungen SmCo.

Zur einfachen Gestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass der insbesondere als Ringmagnet ausgebildete Permanentmagnet auf einen Träger aufgespritzt ist, der diesen axial, in Teilbereichen am Außenumfang, und/oder am Innenumfang hält, wobei der Träger an der Drehwelle form-, stoff- oder kraftschlüssig befestigt sein kann. In einer besonderen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, den Permanentmagnet direkt an die Drehwelle anzuspritzen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Sie eignet sich insbesondere im Kfz-Bereich, beispielsweise für die Erkennung der Drehstellung einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle oder auch zur Erfassung des Schwenkwinkels eines Lenkrades. Als weiteres Einsatzgebiet sei die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Winkelerfassung einer Drehwelle bei Elektromotoren genannt zur Bereitstellung einer sensorgesteuerten elektrischen Kommutierung.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen durch das Beschreiben einiger Ausführungsformen erläutert, wobei

  • 1 in einer Prinzipschnittdarstellung eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zur Winkelerfassung,
  • Figuren
    2a -2c die relative Anordnung eines Ringmagneten zu einer Sensoreinrichtung für die in 1 angegebene Vorrichtung in einer Aufsicht sowie zwei Seitansichten,
  • 3 einen Magnetsensor zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1,
  • Figuren
    4a, b in einer Schnittdarstellung und einer perspektivischen Ansicht einen spezifisch magnetisierten Ringmagneten zum Einsatz in der Vorrichtung gemäß 1,
  • 5 in einer perspektivischen Seitenansicht den magnetisierten Ringmagneten der 4a,b mit einer detaillierteren Angabe der aus- bzw. eintretenden Feldlinien, und
  • 6 den gemessenen Verlauf der Axialkomponente (K1) und der Tangentialkomponente (K2) sowie die daraus bestimmende Drehwinkelstellung (K3) bei der Drehung der Welle bzw. des Rotors
zeigt.

1 zeigt im Ausschnitt einer Prinzipdarstellung eines Elektromotors, in welchem eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Winkelsensors eingesetzt ist, wobei nur die für die Beschreibung der Erfindung notwendigen Bauteile gezeigt sind. Die Motorwelle 2 ist über Lager 8 im Bereich ihres in der Figur gezeigten Endes am Gehäuse 7 gelagert, wobei ein als Ringmagnet 3 ausgebildeter Permanentmagneten, der aus einem kunststoffgebundenem Magnetwerkstoff hergestellt ist, fest an der Welle 2 befestigt ist. In der beschriebenen Ausführungsform ist der Ringmagnet 3 auf einen Träger 4 aufgespritzt, welcher an seiner der Mantelfläche der Motorwelle 2 zugewandten Innenfläche mit der Motorwelle 2 verklebt ist, sodass Träger 4 und Ringmagnet 3 starr an der Motorwelle 2 befestigt und von dieser mitgeführt sind.

An der Innenfläche des Gehäuses 7 ist eine Platine 5 befestigt, welche einen TMR-Doppelsensor 6 einschließlich der notwendigen Auswerteelektronik zur Ermittlung des Drehwinkels der Welle 2 auf der Grundlage der von dem TMR-Sensor 6 abgegebenen Sensorsignale aufweist. In der beschriebenen Ausführungsform wird die A/D- Wandlerfunktionalität zur Digitalisierung der Sensorsignale durch den Sensor 6 bereitgestellt, wobei die notwendigen Berechnungen zur Ermittlung der Drehstellung des Rotors 2 mittels eines auf der Platine angeordneten Mikroprozessors durchgeführt werden.

Der Sensor 6 ist in vorgegebener axialer Höhe ortsfest zum Ringmagnet 3 angeordnet und ausgebildet, das vom drehenden Ringmagnet 3 am Ort des zum Ringmagnet feststehenden Sensors 6 erzeugte Magnetfeld in zwei Richtungen zu erfassen, namentlich eine Magnetfeldkomponente parallel zur Achse der Motorwelle 2 und eine Feldkomponente in einer Richtung senkrecht zur erstgenannten Richtung, d.h. in der in 1 angegebenen Darstellung senkrecht zur Zeichnungsebene, also tangential zum Ringmagneten 3. Der Ringmagnet 3 ist in spezifischer Art und Weise magnetisiert, derart, dass bei der Drehung der Welle 2 bzw. des Magneten 3 beide Sensorelemente des ortsfesten TMR-Doppelsensors 6 in Bezug auf ihre Stärke veränderliche und senkrecht zueinander stehende Feldkomponenten erfassen, die zur Ermittlung des Drehwinkels bzw. der Drehstellung der Motorwelle 2 herangezogen werden. Hierzu ist auf der Sensorplatine 5 in der beschriebenen Ausführungsform ein Mikroprozessor angeordnet, welcher die von den beiden Sensorelementen abgegebenen und analog/digital gewandelten Signale aufnimmt und auf der Grundlage eines vorgegebenen Berechnungsalgorithmus die gewünschte Drehstellung der Motorwelle 2 ermittelt.

Die 2a-c zeigen die relative Anordnung von Ringmagnet 3 und TMR-Doppelsensor 6 in zwei Seitenansichten ( 2b, c) sowie in einer Aufsicht, 2a. In der beschriebenen Ausführungsform weist ein als Ringmagnet 3 ausgebildeter Permanentmagnet eine radiale Wandstärke r auf, die identisch ist mit der Erstreckung des Magneten in die axial Richtung A, d. h. die Höhe des Magneten h entspricht der radialen Wandstärke. Eine solche Geometrie hat sich als zweckmäßig erwiesen zur Erzeugung vorgegebener Feldkomponenten am Ort des Sensors 6, welcher etwa auf gleicher axialer Höhe des Magneten 3 angeordnet und in einem radialen Abstand d platziert ist.

3 zeigt in einer Prinzipskizze einen integriert hergestellten TMR-Doppelsensor 6 mit den beiden Sensorelementen 61, 62, die zur Erfassung der Stärke zweier zueinander senkrecht orientierten Magnetfeldkomponenten ausgebildet sind, wobei die jeweilige Feldrichtung durch den Pfeil R1 bzw. R2 angegeben ist.

Mitentscheidend für die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Winkelsensors ist die Magnetisierung des Erregermagnetes, derart dass die Maximal- bzw. Minimalwerte der Magnetfeldkomponenten beider erfassten Magnetfeldrichtungen in der gleichen Größenordnung liegen, idealerweise, wie hier umgesetzt, etwa gleich sind, um mit hoher Genauigkeit die gewünschte Drehstellung der Welle zu berechnen. Darüber hinaus wird in der beschriebenen Ausführungsform über die spezifische Magnetisierung des Erregermagneten erreicht, dass eine vorgegebene Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen der zueinander senkrecht stehenden Feldkomponenten vorliegt, zweckmäßigerweise etwa 90°, wodurch sich die rechnerische Bestimmung der Drehstellung der Motorwelle vereinfacht.

Die 4a, b zeigt den als Ringmagneten ausgebildeten Erregermagneten für die Vorrichtung gemäß 1 in einer Schnittdarstellung (4a), wobei der Schnitt durch die Achse A verläuft, sowie in einer perspektivischen Ansicht (4b), wobei zur Andeutung der spezifischen Magnetisierung einige der in den Magneten eintretenden und austretenden (mit einem Pfeil versehenen) Feldlinien angegeben sind. Zur Gestaltung des erfindungsgemäßen Winkelsensors weist der Erregermagnet im Innern einen bogenförmigen Feldlinienverlauf mit einem zu einer seiner beiden Stirnseiten hin mehrpoligen, hier 2-poligen, Austritt der Feldlinien magnetisiert ist, wobei dessen Volumen zumindest zu 50% parallel zu den Stirnflächen magnetisiert ist. Im Falle der angegebenen Ausführungsform, bei welchem der Magnet 3 an seiner Stirnseite 312-polig ausgebildet ist, liegt demnach im Volumen eine diametrale Magnetisierung vor, die im Volumen zumindest 50% beträgt.

In der beschriebenen Ausführungsform sind die beiden Stirnflächen 31, 32 parallel zueinander und senkrecht zur Achse A angeordnet und eben gestaltet, siehe 2a - c.

Erkennbar ist der in der beschriebenen Ausführungsform aus einem kunststoffgebundenen Magnetwerkstoff hergestellte Magnet 3 so magnetisiert, dass sich an seiner einen Stirnfläche 31 eine Zweipoligkeit ergibt. Die in den Magneten eintretenden Feldlinien F1 kennzeichnen die in den 4a,b linke Seite der Stirnfläche 31 als Südpol S und entsprechend die aus dem Magneten austretenden Feldlinien F2 die rechte Seite als Nordpol N, was durch Pfeile angedeutet ist. Mit dem Bezugszeichen SN ist eine Ebene bezeichnet, welche die Grenze zwischen Nord- und Südpol angibt und die Achse z enthält. Durch den im Innern bogenförmigen Feldlinienverlauf ergeben sich im Bereich der Mantelfläche 33 des Magneten die angegebenen Verhältnisse. Dabei ist der Magnet 3 so magnetisiert, dass im Innern die Feldlinien zumindest zu 50% parallel zur Stirnfläche 31, d.h. hier diametral verlaufen.

5 zeigt den als Ringmagneten ausgebildeten Erregermagneten der 4a, b wiederum in einer perspektivischen Ansicht und in Bezug auf den Feldlinienverlauf, wobei zur weiteren Verdeutlichung der spezifischen Magnetisierung die in den Magneten eintretende und austretende (mit einem Pfeil versehenen) Feldlinien im Detail angegeben sind.

Erkennbar verlaufen die Feldlinien sowohl an der Mantelfläche 33 als auch an der Stirnfläche 31 im Bereich umfänglich um 90° zur Schnittlinie bzw. -ebene SN zwischen Nord- und Südpol S, N entfernt, im Wesentlichen axial mit einer radialen Komponente. Dagegen ist der Feldlinienverlauf im Bereich der die Achse A umfassende Schnittebene SN zwischen Nord- und Südpol rein tangential, d. h. senkrecht zur Achse z bzw. A verlaufend. Wird nun der Magnet mit der Welle relativ zu der ortsfesten Sensoreinrichtung gedreht, erfasst die Sensoreinrichtung sowohl in Bezug auf das Sensorelement 61 als auch in Bezug auf das Sensorelement 62 ein magnetisches Feld mit variierender Stärke, wobei die Signale beider Sensorelemente wie beschrieben um etwa 90° phasenverschoben sind.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass der Erregermagnet für den erfindungsgemäßen Winkelsensor an einer seiner beiden Stirnflächen mehr als 2-polig, beispielsweise 3- oder 4-polig ausgebildet ist, wobei wiederum die Feldlinien im Innern des Magneten bogenförmig verlaufen, derart dass die Feldlinien bzw. deren Komponenten im Innern des Magneten zumindest zu 50% parallel zu der besagten Stirnfläche verlaufen.

6 zeigt, für einen in die Vorrichtung gemäß 1 eingesetzten Winkelsensor mit einem Magneten 3 gemäß der 2a - c, 4a,b und 5, den gemessenen Verlauf der Axialkomponente (K1) und der Tangentialkomponente (K2) des Magnetfeldes sowie die daraus berechnete Drehwinkelstellung (K3) des Drehwelle bzw. des Rotors. Wie aus 6 hervorgeht, kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die jeweilige Drehstellung über den dargestellten Winkelbereich durchgehend ermittelt werden, sodass in dem angegeben Beispiel die notwendigen Triggersignale für eine elektrische Kommutierung des Motos mit hoher Genauigkeit bereitgestellt werden können.

Bezugszeichenliste

2
Motorwelle, Drehwelle
3
Ringmagnet
4
Träger
5
Sensorplatine
6
TMR-Doppelsensor, Sensoreinrichtung
7
Gehäuse
8
Lager
31, 32
Stirnseite
33
Mantelfläche
34
Mittenloch
61, 62
Sensorelemente
A
Achse
d
Abstand
F1
eintretende Feldlinien
F2
austretende Feldlinien
h
axiale Höhe
K1
Verlauf der Axialkomponente
K2
Verlauf Tangentialkomponente
K3
Drehwinkelstellung
N
Nordpol
r
radiale Wandstärke
R1, R2
Felderfassungsrichtung
SN
Schnittebene
S
Südpol

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102013200931 A1 [0002]
  • DE 102008021107 A1 [0002]