Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Positionserfassung oder zur Geschwindigkeitsmessung eines mindestens teilweise ferromagnetischen Körpers der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Solche Einrichtungen werden vorteilhaft in Motoren, Antrieben, Getrieben oder in Bremssystemen von Fahrzeugen zur Messung von Geschwindigkeiten durch Messung der Drehzahl eines rotierenden Körperteils, z.B. eines Zahnrades, verwendet. In gewissen Anwendungen, z.B. in Antiblockierbremssystemen von Fahrzeugen, ist es erforderlich, Geschwindigkeiten hinunter bis einschliesslich einer Geschwindigkeit Null zu messen.
Es wurde bereits eine Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art vorgeschlagen (EP 0 455 932 A1), bei der zwei magnetische Flüsse durch den beweglichen Körper komplementär veränderbar sind. Als Sensor für die beiden Flüsse dient je eine Messspule, die lösungsbedingt relativ nahe am beweglichen Körper angeordnet ist. Sollen anstelle der Messspulen Halbleiterbauelemente als Magnetfeldsensoren eingesetzt werden, so ist das problematisch, da beim Bremsen Temperaturen von bis zu 500 DEG C auftreten und Halbleiterbauelemente nur bis etwa 150 DEG C betrieben werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Positionserfassung oder zur Geschwindigkeitsmessung einschliesslich der Geschwindigkeit Null eines mindestens teilweise ferromagnetischen Körpers der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art so zu verbessern, dass zur magnetischen Flussmessung temperaturempfindliche Sensoren, wie Halbleiter, eingesetzt werden können, auch wenn die Temperatur des bewegten Körpers, wie z.B. beim Bremsen, hoch ist.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemässen Einrichtung,
Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung einer bekannten Einrichtung.
In der Fig. 1 wird der Aufbau und die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Einrichtung anhand einer Positionserfassung oder Geschwindigkeitsmessung eines sich um eine Rotationsachse drehenden Zahnrades 1, welches den beweglichen Körper darstellt, erläutert. Dabei besteht mindestens ein Teil des beweglichen Körpers, beim Zahnrad 1 vorzugsweise seine Zähne 2 und ein angrenzender Teil seiner Nabe, aus ferromagnetischem Material.
Aus Gründen der zeichnerischen Einfachheit sind nur fünf Zähne 2 des Zahnrades 1 dargestellt. Aus dem gleichen Grund gilt in der Fig. 1 die Annahme, dass der Durchmesser des Zahnrades 1 bedeutend grösser ist als die Dimension der anderen Teile der dargestellten Einrichtung, so dass im dargestellten Bereich die tangentiale Bewegungsrichtung der Zähne 2 näherungsweise als linear angenommen werden kann. Die Zähne 2 des Zahnrades 1 weisen dann dort eine lineare Geschwindigkeit v auf. Das Verhältnis der Zahnbreite lZ eines Zahnes 2 und der Nutbreite lN einer zwischen jeweils zwei benachbarten Zähnen 2 liegender Nut 3 ist vorzugsweise eins.
Die Einrichtung besteht aus einem E-förmigen Kern 4 mit einem aus zwei gleich langen Jochhälften 5a und 5b gebildeten Joch 5 und drei parallelen Schenkeln 6, 7, 8, deren freiliegende Enden in Front zu den Zähnen 2 des Zahnrads 1 angeordnet sind. In einer gewissen Zahnradposition liegt ein erster äusserer Schenkel 6 vorzugsweise aussen bündig über einem ersten Zahn 2a. Der mittlere Schenkel 7 liegt über dem dem ersten Zahn 2a benachbarten zweiten Zahn 2b, und zwar, um einen grossen Sensorsignalhub zu erhalten, vorzugsweise mit seiner vom Schenkel 6 abgewandten Flanke bündig mit der vom Schenkel 6 weiter entfernten Flanke des zweiten Zahns 2b. Der zweite äussere Schenkel 8 liegt über der nachfolgenden Nut 3 des dem zweiten Zahn 2b benachbarten dritten Zahns 2c, und zwar vorzugsweise über der Mitte der Nut 3.
Am Ende der beiden äusseren Schenkel 6, 8 zum Joch 5 hin oder in den Jochhälften 5a, 5b ist je ein Magnetfeldsensor 9 bzw. 10 möglichst weit weg vom Zahnrad 1 angeordnet. An den anderen Enden der äusseren Schenkel 6, 8 gegen das Zahnrad 1 hin ist je ein Magnetflusserzeuger 11 bzw. 12, parallel zur Längsachse der Schenkel 6, 8 gepolt, angeordnet. Als Alternative dazu könnte auch nur ein Magnetflusserzeuger am mittleren Schenkel 7 angeordnet werden. Als Magnetflusserzeuger 11, 12 dient je nach Wirkungsweise der verwendeten Magnetfeldsensoren 9, 10 z.B. eine mit Gleich- oder Wechselstrom erregte Spule oder ein Permanentmagnet. Werden die Magnetflusserzeuger 11, 12 durch Permanentmagnete verwirklicht, ist eine sichere, raumsparende Bauweise möglich. Die Schenkel 6, 7, 8 des Kerns 4 sind gegen das Zahnrad 1 hin von je einer Polfläche 13, 14, 15 abgeschlossen.
Die elektrischen Anschlüsse der Magnetfeldsensoren 9, 10 zur Speisung sowie diejenigen zur Abnahme der Signale sind in der Zeichnung nicht dargestellt.
Der äussere Schenkel 6 bildet zusammen mit dem Magnetflusserzeuger 11, dem Magnetfeldsensor 9, der Jochhälfte 5a und dem mittleren Schenkel 7 einen ersten, von einem magnetischen Fluss PHI 1 durchflossenen magnetischen Messkreis mit einem Luftspalt zwischen den zwei benachbarten Polflächen 13, 14. Ein zweiter, zum ersten Messkreis symmetrisch aufgebauter magnetischer Messkreis mit einem magnetischen Fluss PHI 2 ist durch den äusseren Schenkel 8, den Magnetflusserzeuger 12, den Magnetfeldsensor 10, die Jochhälfte 5b, den mittleren Schenkel 7 und den zwischen den zwei benachbarten Polflächen 14, 15 liegenden Luftspalt gebildet. Bei fehlendem Zahnrad 1 sind beide magnetischen Flüsse PHI 1 und PHI 2 gleich gross.
Bei eingesetztem Zahnrad 1 ist der minimal vorhandene Luftspalt in einem der beiden magnetischen Messkreise gleich dem doppelten Abstand d zwischen dem Kern 4 und dem Zahnrad 1. In der gezeichneten Situation ist also der Fluss PHI 1 maximal, während im anderen Messkreis, wo annähernd der maximal mögliche Luftspalt wirkt, der Fluss PHI 2 annähernd minimal ist. Wird das Zahnrad 1 bewegt, so ändern die wirksamen Luftspalte in den beiden Messkreisen komplementär. Es entsteht somit in beiden Messkreisen eine zur Zahnradbewegung synchrone Flussänderung. Die magnetischen Flüsse PHI 1, PHI 2 werden mit den Magnetfeldsensoren 9, 10 erfasst. Vorteilhaft wird die Differenz der beiden Flüsse ausgewertet. Bei einer konstanten Drehzahl des Zahnrades 1 ergibt sich eine periodische Flussdifferenz, deren Frequenz gleich der Frequenz der am Kern 4 vorbeibewegten Zähne 2 ist.
Die beiden Magnetfeldsensoren 9, 10 sind vorteilhaft je in einem der beiden äusseren Schenkel 6, 8 oder je in der dem äusseren Schenkel 6 bzw. 8 anliegenden Jochhälfte 5a bzw. 5b des Jochs 5 möglichst weit weg vom Zahnrad 1 angeordnet. Wie im folgenden gezeigt wird, ist dies bei der bekannten Einrichtung nach der Fig. 2 nicht möglich.
Gleiche Zahnbreite lZ und Nutbreite lN sowie gleiche Schenkelbreite lS der Schenkel 6 bis 8 in Bewegungsrichtung des Zahnrads 1 vorausgesetzt, ist bei der Einrichtung nach der Fig. 1 der Schenkelabstand a1 um ein Vielfaches grösser als der Schenkelabstand a2 bei der Einrichtung nach der Fig. 2. Beträgt das Verhältnis von Zahnbreite lZ zur Schenkelbreite lS z.B. drei, ergibt sich für die erfindungsgemässe Einrichtung ein gegenüber der bekannten Einrichtung siebenfacher Schenkelabstand a1. Damit wird ein für die genügende Wärmeableitung notwendiger grosser Abstand zwischen dem unter Umständen heissen bewegten Zahnrad 1 und den wärmeempfindlichen Magnetfeldsensoren 9, 10 ermöglicht, ohne dass dabei ein relevanter Streufluss zwischen zwei einander gegenüberliegenden Schenkeln 6, 7 bzw. 7, 8 entsteht.
Werden bei der Lösung nach Fig. 2 die Schenkel auf ein Mehrfaches der Zahnperiode lZ+lN verlängert, um die notwendige Wärmeableitung zu ermöglichen, so ergibt sich durch den relativ geringen Schenkelabstand a2 ein grosser Streufluss und die Differenz der Flüsse PHI 1, PHI 2 ist nicht mehr signifikant.
The invention relates to a device for position detection or for speed measurement of an at least partially ferromagnetic body of the type mentioned in the preamble of claim 1.
Such devices are advantageously used in engines, drives, transmissions or in braking systems of vehicles for measuring speeds by measuring the speed of a rotating body part, e.g. a gear used. In certain applications, e.g. In anti-lock braking systems of vehicles, it is necessary to measure speeds down to and including zero speed.
A device of the type mentioned in the preamble of claim 1 has already been proposed (EP 0 455 932 A1), in which two magnetic fluxes through the movable body can be changed in a complementary manner. A measuring coil is used as a sensor for each of the two fluxes, which is arranged relatively close to the movable body due to the solution. If, instead of the measuring coils, semiconductor components are to be used as magnetic field sensors, this is problematic since temperatures of up to 500 ° C. occur during braking and semiconductor components can only be operated up to approximately 150 ° C.
The invention has for its object to improve a device for position detection or speed measurement including zero speed of an at least partially ferromagnetic body of the type mentioned in the preamble of claim 1 so that temperature-sensitive sensors such as semiconductors can also be used for magnetic flux measurement when the temperature of the moving body, such as when braking, is high.
According to the invention, the stated object is achieved by the features of claim 1. Advantageous refinements result from the dependent claims.
An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing.
Show it:
1 shows a basic illustration of a device according to the invention,
Fig. 2 is a schematic representation of a known device.
1, the structure and the mode of operation of the device according to the invention are explained on the basis of a position detection or speed measurement of a gearwheel 1 rotating about an axis of rotation, which represents the movable body. At least a part of the movable body, preferably the teeth 2 of the gearwheel 1 and an adjacent part of its hub, are made of ferromagnetic material.
For reasons of drawing simplicity, only five teeth 2 of the gear 1 are shown. For the same reason, the assumption in FIG. 1 applies that the diameter of the gear wheel 1 is significantly larger than the dimension of the other parts of the device shown, so that the tangential direction of movement of the teeth 2 in the area shown can be approximately assumed to be linear. The teeth 2 of the gear 1 then have a linear speed v there. The ratio of the tooth width lZ of a tooth 2 and the groove width lN of a groove 3 lying between two adjacent teeth 2 is preferably one.
The device consists of an E-shaped core 4 with a yoke 5 formed from two equally long yoke halves 5a and 5b and three parallel legs 6, 7, 8, the exposed ends of which are arranged in front of the teeth 2 of the gearwheel 1. In a certain gear position, a first outer leg 6 is preferably flush on the outside over a first tooth 2a. The middle leg 7 lies above the second tooth 2b adjacent to the first tooth 2a, specifically in order to obtain a large sensor signal swing, preferably with its flank facing away from the leg 6 flush with the flank of the second tooth 2b further away from the leg 6. The second outer leg 8 lies above the subsequent groove 3 of the third tooth 2c adjacent to the second tooth 2b, and preferably above the center of the groove 3.
At the end of the two outer legs 6, 8 towards the yoke 5 or in the yoke halves 5a, 5b, a magnetic field sensor 9 or 10 is arranged as far away from the gear 1 as possible. At the other ends of the outer legs 6, 8 against the gear wheel 1, a magnetic flux generator 11 or 12 is arranged, poled parallel to the longitudinal axis of the legs 6, 8. Alternatively, only one magnetic flux generator could be arranged on the middle leg 7. Depending on the mode of operation of the magnetic field sensors 9, 10 used, the magnetic flux generator 11, 12 is e.g. a coil excited with direct or alternating current or a permanent magnet. If the magnetic flux generators 11, 12 are realized by permanent magnets, a safe, space-saving design is possible. The legs 6, 7, 8 of the core 4 are closed against the gear 1 by a pole face 13, 14, 15 each.
The electrical connections of the magnetic field sensors 9, 10 for the supply and those for the acceptance of the signals are not shown in the drawing.
The outer leg 6, together with the magnetic flux generator 11, the magnetic field sensor 9, the yoke half 5a and the middle leg 7, forms a first magnetic measuring circuit through which a magnetic flux PHI 1 flows, with an air gap between the two adjacent pole faces 13, 14. A second, A magnetic measuring circuit with a magnetic flux PHI 2 that is symmetrical to the first measuring circuit is formed by the outer leg 8, the magnetic flux generator 12, the magnetic field sensor 10, the yoke half 5b, the middle leg 7 and the air gap lying between the two adjacent pole faces 14, 15. In the absence of gear 1, both magnetic fluxes PHI 1 and PHI 2 are of the same size.
When gear 1 is inserted, the minimally existing air gap in one of the two magnetic measuring circuits is twice the distance d between core 4 and gear 1. In the situation shown, the flux PHI 1 is maximum, while in the other measuring circuit, where approximately the maximum possible air gap acts, the flow PHI 2 is approximately minimal. If the gear 1 is moved, the effective air gaps in the two measuring circuits change complementarily. A flow change that is synchronous with the gear movement thus arises in both measuring circuits. The magnetic fluxes PHI 1, PHI 2 are detected with the magnetic field sensors 9, 10. The difference between the two rivers is advantageously evaluated. At a constant speed of the gear 1, there is a periodic flux difference, the frequency of which is equal to the frequency of the teeth 2 moving past the core 4.
The two magnetic field sensors 9, 10 are each advantageously arranged in one of the two outer legs 6, 8 or in each case in the yoke half 5a or 5b of the yoke 5 that lies against the outer leg 6 or 8, as far as possible from the gear 1. As will be shown in the following, this is not possible with the known device according to FIG. 2.
Assuming the same tooth width lZ and groove width lN and the same leg width lS of the legs 6 to 8 in the direction of movement of the gear 1, the leg distance a1 in the device according to FIG. 1 is many times greater than the leg distance a2 in the device according to FIG. 2 If the ratio of tooth width lZ to leg width lS is, for example three, for the device according to the invention, a leg distance a1 is seven times that of the known device. This enables a large distance between the possibly hot moving gear 1 and the heat-sensitive magnetic field sensors 9, 10, which is necessary for sufficient heat dissipation, without a relevant leakage flow occurring between two opposing legs 6, 7 and 7, 8.
If the legs in the solution according to FIG. 2 are extended to a multiple of the tooth period lZ + lN in order to enable the necessary heat dissipation, the relatively small leg distance a2 results in a large leakage flux and the difference between the fluxes PHI 1, PHI 2 no longer significant.