DE10058732A1 - Contactless determination arrangement for rotary angle has ring magnet segments, which can be moved past stator elements by keeping air gap - Google Patents
Contactless determination arrangement for rotary angle has ring magnet segments, which can be moved past stator elements by keeping air gapInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen
Erfassung eines Drehwinkels, die wenigstens aufweist:
The invention relates to a device for contactless detection of an angle of rotation, which has at least:
- - eine Statoreinheit mit wenigstens zwei Statorteilele menten, die unter Belassung wenigstens einer Abstandsausneh mung zueinander angeordnet sind,- A stator unit with at least two stator parts elements that leave at least one distance are arranged to each other,
- - wenigstens ein magnetempfindliches Element, das in einer der Abstandsausnehmungen angeordnet ist, und- At least one magnetically sensitive element, which in a the spacing recesses is arranged, and
- - eine Rotoreinheit mit wenigstens einem Ringmagnetseg ment, das unter Belassung eines Luftspalts gegenüber den Statorteilelementen zu bewegen ist.- A rotor unit with at least one ring magnetic segment ment, which left an air gap with the Stator sub-elements is to be moved.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 196 34 281 A1 bekannt. Sie besteht aus einem Stator mit zwei Teilen aus magnetisch leitendem Material und einem Rotor, der als scheibenförmig ausgebildeter Magnet unter Belassung eines Luftspalts sich um die Teile des Stators bewegt. Die Teile des Stators lassen zwischen sich eine Abstandsausnehmung frei, in der ein magnetempfindliches Element angeordnet ist.A device of the type mentioned is from DE 196 34 281 A1 known. It consists of a stator with two Parts made of magnetically conductive material and a rotor that as a disc-shaped magnet leaving one Air gap moves around the parts of the stator. The parts of the stator leave a gap between them free, in which a magnetically sensitive element is arranged.
Um einen linearen Meßbereich in beiden Richtungen größer als 110° zu erhalten, wird ein Statorteil mit einem Gehäuse aus magnetisch leitendem Material verbunden und das zweite gegen über diesem Gehäuse magnetisch isoliert angeordnet. Vernach lässigt wird dabei allerdings die genaue Messung kleiner Win kel bis 15°.A linear measuring range greater than in both directions To get 110 °, a stator part with a housing is made magnetically conductive material and the second against magnetically insulated above this housing. Vernach However, the precise measurement of small win is neglected up to 15 °.
Ein Drehwinkelsensor ist weiterhin aus der WO 92 10 722 A1, der WO 95 14 911 A1 bzw. der DE 200 08 633 U1 bekannt. Er be steht aus einer stationären und einer rotierenden Formation. Die stationäre Formation enthält zwei halbmondförmige Stator teilelemente, zwischen denen sich eine Abstandsausnehmung be findet, in der eine Hall-Einheit angeordnet ist. Die rotie rende Formation weist ein ringförmig ausgebildetes Magnetele ment auf, das von einer Halterungseinheit gehalten wird und unter Belassung eines Luftspalts bewegbar ist.A rotation angle sensor is also known from WO 92 10 722 A1, WO 95 14 911 A1 and DE 200 08 633 U1. He be consists of a stationary and a rotating formation. The stationary formation contains two crescent-shaped stators sub-elements, between which there is a spacing recess finds in which a Hall unit is arranged. The rotie Forming formation has an annular magnetic element ment, which is held by a mounting unit and is movable while leaving an air gap.
Nachteilig ist, daß das Ringmagnetelement bei kleinen Winkeln in den Statorelementen eine zu kleine Luftspaltinduktion in der Abstandsausnehmung erzeugt, die bei etwa 15 mT liegt und sich nicht so verstärken läßt, daß ein verwertbares Ausgangs signal entsteht. Hierdurch ist es nicht möglich, kleine Win kel für Änderungen bis 15° genau zu erfassen.The disadvantage is that the ring magnet element at small angles an insufficient air gap induction in the stator elements the clearance recess, which is about 15 mT and can not be reinforced so that a usable output signal arises. This makes it impossible to win small angle for changes up to 15 °.
Aus der DE 197 16 985 A1 ist ein Drehwinkelsensor bekannt, bei dem das Ringmagnetelement mit einer Welle verbunden ist. Um das Ringmagnetelement sind unter Belassung eines Luftspalts vier viertelkreisförmige Statorelemente gruppiert, die zwi schen sich vier Abstandsausnehmungen frei lassen. In wenig stens einer der Abstandsausnehmungen ist ein Hall-IC-Element angeordnet.A rotation angle sensor is known from DE 197 16 985 A1, in which the ring magnetic element is connected to a shaft. Around the ring magnet element are left with an air gap grouped four quarter-circular stator elements, the two leave four clearance recesses. In a little At least one of the spacing recesses is a Hall IC element arranged.
Nachteilig ist auch hier, daß das Ringmagnetelement eine zu geringe Induktion bei kleinen Drehwinkeln erzeugt und damit deren genaue Erfassung nicht möglich ist.It is also disadvantageous here that the ring magnet element is too low induction generated at small angles of rotation and thus their exact recording is not possible.
Aus der WO 98 55 828 A1 ist ein Drehwinkelsensor bekannt, der aus zwei Stator- und zwei Magnetsegmenten besteht. Zwischen den Statorsegmenten befindet sich ein Luftspalt, in dem ein Hall-Element angeordnet ist. Die beiden Magnetsegmente sind in einem ferromagnetischen Teil angeordnet und bewegen sich relativ zu den Statorsegmenten.From WO 98 55 828 A1 a rotation angle sensor is known which consists of two stator and two magnet segments. Between there is an air gap in the stator segments in which a Hall element is arranged. The two magnet segments are arranged in a ferromagnetic part and move relative to the stator segments.
Die DE 299 08 409 U1 bildet diesen Drehwinkelsensor gemäß der WO 98 55 828 A1 zum einen derart weiter, daß zwischen zwei sich gegenüberliegenden Statorsegmenten in dessen Luftspalt sich ein sichelförmig ausgebildetes Magnetelement bewegt. Am Ende des Luftspalts ist ein Hall-Element angeordnet.DE 299 08 409 U1 forms this rotation angle sensor according to the WO 98 55 828 A1 on the one hand further such that between two opposite stator segments in its air gap a sickle-shaped magnetic element moves. At the end a Hall element is arranged in the air gap.
Die DE 299 09 201 U1 bildet den Drehwinkelsensor gemäß der WO 98 55 826 A1 zum anderen derart weiter, daß gegenüber zwei beabstandeten Statorsegmenten unter Belassung eines Luft spalts sich ein Magnetsegment bewegt. In dem Abstand zwischen den Statorsegmenten befindet sich ein Hall-IC-Schaltkreis.DE 299 09 201 U1 forms the rotation angle sensor according to WO 98 55 826 A1 on the other hand so that two spaced stator segments while leaving an air a magnetic segment moves. In the distance between A Hall IC circuit is located in the stator segments.
Den drei letztgenannten Lösungen ist gemeinsam, daß mit den Segmenten lediglich das Ziel verfolgt wird, den gleichen Aus gangssignalverlauf wie bei einem vollständigen Ringmagnetele ment und massiven Statorelementen zu erhalten, der über einen möglichst weiten Winkelbereich von 90° und mehr linear ist. Damit ist auch hier die Erfassung kleiner Bewegungen bis 15° wegen der geringen Luftspaltinduktion sehr ungenau.The three last-mentioned solutions have in common that with the Segments just aiming the same out waveform like a complete ring magnet ment and massive stator elements to get over a linear range as wide as possible of 90 ° and more. This means that even small movements of up to 15 ° are recorded very imprecise due to the low air gap induction.
Es stellt sich damit die Aufgabe, eine Vorrichtung zur berüh rungslosen Erfassung eines Drehwinkels so weiter zu entwic keln, daß eine genaue Erfassung kleiner Winkelveränderungen möglich ist.The task thus arises of touching a device development of a rotation angle without further development that an accurate detection of small angle changes is possible.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des An spruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved through the features of the An spell 1 solved.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde re darin, daß durch die beiden sich gegenüberliegenden, teil kreisförmigen Ringmagnetsegmente eine höhere Induktion in der Abstandsausnehmung erzeugbar ist. Die beiden sich gegenüber liegenden Ringmagnetsegmente bilden den Teil des vollständi gen Ringmagnetelements, der bei der Erzeugung der höheren In duktion zur Wirkung kommt. Der besondere Vorteil der Ringma gnetsegmente liegt darin, daß für die Ausbildung der Ro toreinheit weniger weichmagnetisches Material verwendet zu werden braucht. Hierdurch ist es möglich, die beiden Ringma gnetsegmente so lang und so dick in Richtung der Durchmesser geraden zu machen, daß die Luftspaltinduktion sich um das Doppelte erhöht und das erzeugte Ausgangssignal sich so ver stärken läßt, daß genaue und reproduzierende Ausgangssignale entstehen.The advantages achieved with the invention are in particular re in that by the two opposite, part circular ring magnet segments have a higher induction in the Distance recess can be generated. The two face each other lying ring magnet segments form part of the complete gene ring magnet element, which in the generation of the higher In production comes into effect. The particular advantage of the Ringma gnetsegmente is that for the training of Ro gate unit uses less soft magnetic material are needed. This makes it possible to use the two ring dimensions gnet segments so long and so thick in the direction of the diameter to make straight that the air gap induction is about that Double increases and the generated output signal ver strengthens that accurate and reproductive output signals arise.
Der Winkel, der die Länge der beiden teilkreisförmigen Ring magnetsegmente bestimmt, kann zwischen 5° und 90°, vorzugs weise 30°, betragen.The angle representing the length of the two part-circular rings Magnetic segments determined, can be between 5 ° and 90 °, preferably as 30 °.
Die Dicke der Ringmagnetsegmente in Richtung Durchmessergera den kann zwischen 1,8 und 3,2 mm betragen. Die Dicke kann vorteilhafterweise bei 2,5 mm liegen. Damit ist sie doppelt so dick wie die Dicke der bisherigen Ringmagnetelemente und der bekannterweise eingesetzten Ringmagnetsegmente.The thickness of the ring magnet segments in the direction of the diameter it can be between 1.8 and 3.2 mm. The thickness can advantageously be 2.5 mm. So it is double as thick as the thickness of the previous ring magnet elements and the ring magnet segments known to be used.
Damit sich die beiden teilkreisförmigen Ringmagnetsegmente lagegerecht zueinander um die Statorteilelemente bewegen kön nen, können sie von einer Ringmagnetsegment-Halteeinrichtung gehalten sein. Diese Halteeinrichtung kann so ausgebildet sein, daß die Ringmagnetsegmente in Taschen eines Kunststoff körpers eingesteckt werden. Eine weitere Ausführungsform der Halteeinrichtung kann darin bestehen, daß zwischen den beiden teilkreisförmigen Ringmagnetsegmenten teilkreisförmige Kunst stoff-Ringsegmente liegen, so daß sich letztendlich eine vollständig ringförmige Einheit um die Statorteilelemente be wegt. Ein weitere Ausführungsform kann darin bestehen, daß zwischen den Ringmagnetsegmenten magnetisch nicht leitende Metallsegmente liegen, die aus einem magnetisch nicht leiten den Material bestehen. Der gesamte Ringkörper kann dabei in einem Sintervorgang hergestellt werden und erscheint äußer lich als einheitlicher Körper.So that the two part-circular ring magnet segments able to move in relation to each other around the stator sub-elements NEN, they can by a ring magnet segment holding device be kept. This holding device can be designed in this way be that the ring magnet segments in pockets of a plastic be inserted into the body. Another embodiment of the Holding device may consist in that between the two partly circular ring magnet segments partly circular art Material ring segments lie, so that there is ultimately one completely annular unit be around the stator sub-elements moved. Another embodiment can be that magnetically non-conductive between the ring magnet segments There are metal segments that do not conduct magnetically the material exist. The entire ring body can in be produced in a sintering process and appears externally Lich as a single body.
Die beschriebene Rotoreinheit mit den beiden sich gegenüber liegenden, teilkreisförmigen Ringmagnetsegmenten kann in sämt liche bekannte und mögliche Ausführungsformen der Statorein heit eingesetzt werden.The rotor unit described with the two facing each other lying, partially circular ring magnet segments can in all known and possible embodiments of the stator be used.
Die Statoreinheit kann dabei aus magnetisch isoliert zueinan der angeordneten Statorteilelementen stehen.The stator unit can be magnetically insulated from one another of the arranged stator sub-elements.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, daß wenigstens ein Statorteilelement keine und wenigstens ein weiteres Stator teilelement eine magnetisch leitende Verbindung gegenüber den übrigen Statorelementen hat.But there is also the possibility that at least one Stator sub-element none and at least one further stator sub-element a magnetically conductive connection to the has other stator elements.
Eines der Statorteilelemente kann dabei magnetisch leitend mit einem Gehäusekörper verbunden sein.One of the stator sub-elements can be magnetically conductive be connected to a housing body.
Die Ringmagnetelemente können sich um oder auch in den Statorteilelementen unter Belassung des Luftspalts bewegen.The ring magnet elements can be around or in the Move the stator sub-elements leaving the air gap.
In wenigstens einer der Abstandsausnehmungen kann als magnet empfindliches Element eine Hall-Einheit, ein Hall-IC-Element oder ein Hall-IC-Schaltkreis angeordnet sein. Welche Ausfüh rungsform des magnetempfindlichen Elementes zum Einsatz kommt, hängt davon ab, inwieweit das erzeugte Hallsignal wei ter aufbereitet bzw. weiter verarbeitet werden soll.In at least one of the spacing recesses can be used as a magnet sensitive element a Hall unit, a Hall IC element or a Hall IC circuit. Which execution Form of the magnet-sensitive element for use comes depends on the extent to which the generated Hall signal knows should be prepared or further processed.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen: The invention is illustrated in the drawing and is in following explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Kleinwinkelsensors in einer schematisch dargestellten Schnittdarstel lung, Fig. 1 a first embodiment of a lung small angle sensor in a schematically illustrated Schnittdarstel,
Fig. 2a einen Schnitt durch einen Kleinwinkelsensor gemäß Fig. 1 entlang der Linie IIA-IIA, Fig. 2a shows a section through a small angle sensor of FIG. 1 along the line IIA-IIA,
Fig. 2b einen Schnitt durch einen Kleinwinkelsensor gemäß Fig. 1 entlang der Linie IIB-IIB, FIG. 2b shows a section through a small angle sensor of FIG. 1 along the line IIB-IIB,
Fig. 3 eine Rotoreinheit für einen Kleinwinkelsensor gemäß Fig. 1 bis 2b in einer schematisch dargestellten Draufsicht, Fig. 3 shows a rotor unit for a small-angle sensor according to Fig. 1 to 2B, in a schematically illustrated plan view
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform eines Kleinwinkelsen sors in einer schematisch dargestellten Draufsicht, Fig. 4 shows a second embodiment of a Kleinwinkelsen sors, in a schematically illustrated plan view
Fig. 5 einen Schnitt durch einen Kleinwinkelsensor gemäß Fig. 4 entlang der Linie V-V, Fig. 5 shows a section through a small angle sensor shown in FIG. 4 along the line VV,
Fig. 6 einen Schnitt durch einen Kleinwinkelsensor gemäß Fig. 4 entlang der Linie VI-VI, Fig. 6 shows a section through a small angle sensor shown in FIG. 4 along the line VI-VI,
Fig. 7 eine dritte Ausführungsform eines Kleinwinkelsen sors in einer schematisch dargestellten Schnittdar stellung und Fig. 7 shows a third embodiment of a small-angle sensor in a schematically illustrated Schnittdar position and
Fig. 8 einen Schnitt durch einen Kleinwinkelsensor gemäß Fig. 7 entlang der Linie VIII-VIII. Fig. 8 a section through a small angle sensor of FIG. 7 taken along line VIII-VIII.
In den Fig. 1 bis 3 werden für gleiche Teile zur einfacheren Erläuterung gleiche Bezugszeichen verwendet.In Figs. 1 to 3, like reference numerals are used for like parts for ease of explanation.
Wie Fig. 1 bis 3 zeigen, weist ein Kleinwinkelsensor:
As shown in FIGS. 1 to 3, a small angle sensor has:
- - eine Rotoreinheit 1 und- A rotor unit 1 and
- - eine Statoreinheit 2 auf.- A stator unit 2 .
Die Statoreinheit 2 besteht gemäß Fig. 2a aus zwei Statorele menten 21, 22, die apfelsinenscheibenförmig ausgebildet sind. Zwischen den beiden Statorelementen 21, 22 befindet sich eine Abstandsausnehmung 9.1, in der zwei Hall-Einheiten 4, 5 ange ordnet sind. Beide Hall-Einheiten können aus Hall-Element oder als Hall-IC-Schaltkreis ausgebildet sein.The stator unit 2 consists of FIG. 2a from two Statorele elements 21 , 22 , which are formed like an orange slice. Between the two stator elements 21 , 22 there is a spacing recess 9.1 in which two Hall units 4 , 5 are arranged. Both Hall units can be formed from a Hall element or as a Hall IC circuit.
Die Elemente 21, 22 werden an einem Achsenplattenkörper 61 gehalten, der im rechten Winkel zu einer Rotationsachse 15 angeordnet ist. Auf dem Körper 61 befindet sich eine Leiter platte 8, deren Bauelemente oder dergleichen mit den Hall- Einheiten verbunden sind. Wie Fig. 1 zeigt, ist mit Achsen plattenkörper ein Achsenhohlzylinder 62 verbunden. Der Ach senhohlzylinder befindet sich unterhalb des Achsenplattenkör pers 61.The elements 21 , 22 are held on an axis plate body 61 which is arranged at right angles to an axis of rotation 15 . On the body 61 is a circuit board 8 , the components or the like are connected to the Hall units. As shown in FIG. 1, an axle hollow cylinder 62 is connected to axle plate bodies. The hollow axle cylinder is located below the axle plate body 61 .
Eine weitere Ausführungsform der Statoreinheit 2 ist in Fig. 2b gezeigt. Sie besteht aus vier Statorelementen 21, 22, 23, 24, zwischen denen sich zwei um 90° versetzt angeordnete Ab standsausnehmungen 9.1, 9.2 befinden. Die Segmente 21, . . . 24 sind viertelkreisförmig ausgebildet. Ihre Ecken sind gerun det. In der Abstandsausnehmung 9.1 befinden sich die Hall- Einheiten 4, 5, in der Abstandsausnehmung 9.2 Hall-Einheiten 4', 5', die alle mit der Leiterplatte 8 verbunden sind. Die vier Hall-Einheiten ermöglichen unterschiedlichste Winkeler fassungsvarianten zwischen 90° und 360°.Another embodiment of the stator unit 2 is shown in FIG. 2b. It consists of four stator elements 21 , 22 , 23 , 24 , between which there are two spaced recesses 9.1 , 9.2 arranged at 90 °. The segments 21 ,. , , 24 are quarter-circle-shaped. The corners are rounded. The Hall units 4 , 5 are located in the spacing recess 9.1 , and Hall units 4 ', 5 ' are located in the spacing recess 9.2 , all of which are connected to the printed circuit board 8 . The four Hall units enable a wide variety of angle detection variants between 90 ° and 360 °.
Die Rotoreinheit, die in Fig. 3 vergrößert dargestellt ist, weist zwei auf einer Durchmessergeraden DM sich gegenüberlie gende, teilkreisförmige Ringmagnetsegmente 11, 13 auf. Die Länge der Ringmagnetsegmente bemißt sich nach einem Winkel α zwischen 5° und 90°. Ihre Dicke d in Richtung der Durchmes sergeraden DM beträgt zwischen 1,8 und 3,2 mm. Durch eine Vielfalt von Versuchen wurde eine Länge von α = 30° und eine Dicke d = 2,5 mm ermittelt. Damit sind die Ringmagnetsegmente doppelt so dick wie die herkömmlichen, kreisförmigen Ringma gnetelemente.The rotor unit, which is shown enlarged in Fig. 3, has two on a diameter straight line DM lying opposite, part-circular ring magnet segments 11 , 13 . The length of the ring magnet segments is measured according to an angle α between 5 ° and 90 °. Its thickness d in the direction of the diameter straight DM is between 1.8 and 3.2 mm. A length of α = 30 ° and a thickness d = 2.5 mm were determined by a variety of tests. This means that the ring magnet segments are twice as thick as the conventional circular ring magnet elements.
Beide Ringmagnetsegmente werden von einer Ringmagnetsegment- Halteeinrichtung 12 gehalten. Die Halteeinrichtung 12 sorgt dafür, daß beide Ringmagnetsegmente sich wie ein kreisförmi ges Ringmagnetelement verhalten.Both ring magnet segments are held by a ring magnet segment holding device 12 . The holding device 12 ensures that both ring magnet segments behave like a circular magnet ring element.
An der diagonal durchgehenden Durchmessergeraden DM weisen die beiden Ringmagnetsegmente auf einer Seite eine Nord-Süd- Polung N-S und auf einer gegenüberliegenden Seite eine Süd- Nord-Polung S-N auf.Show DM on the diagonally continuous diameter line the two ring magnet segments on one side a north-south Polarity N-S and on an opposite side a south North polarity S-N on.
Beide Ringmagnetsegmente 11, 13 werden mit ihrer Halteein richtung 12 in einen topfförmigen Gehäusekörper 7 gehalten. Ist der Gehäusekörper aus Kunststoff, lassen sich beide Ring magnetsegmente 11, 13 regelrecht in diesen einformen, so daß der Gehäusekörper zugleich Halteeinrichtung ist.Both ring magnet segments 11 , 13 are held with their holding device 12 in a pot-shaped housing body 7 . If the housing body is made of plastic, both ring magnet segments 11 , 13 can be molded into them, so that the housing body is also a holding device.
Mit dem Gehäusekörper ist eine Rotorwelle 10 verbunden, die in der Rotorachse 15 rotiert. Die Rotorwelle ist durch den Achsenhohlkörper 62 (vgl. Fig. 1) geführt. In den Gehäusebo den ist sie entweder eingeformt oder eingeklipst.A rotor shaft 10 , which rotates in the rotor axis 15 , is connected to the housing body. The rotor shaft is guided through the hollow axle body 62 (cf. FIG. 1). It is either molded or clipped into the housing base.
Bewegt sich die Rotoreinheit 1 mit den beiden sich gegenüberlie genden Ringmagnetsegmenten 11, 13, wie insbesondere Fig. 2a und 2b zeigen, um die Statorelemente, erhöht sich die Induk tion BL in der Abstandsausnehmung 9.1, . . . gegenüber herkömm lichen Magnetelementen von 15 mT auf bis zu 60 mT. Hierdurch werden bereits bei kleinsten Winkeländerungen im Anfangsbe reich größer 0° so hohe Induktionswerte BL erzeugt, daß sich diese Werte zu verwertbaren und vor allem zu reproduzierbaren Winkelwerten darstellen lassen. If the rotor unit 1 with the two ring magnet segments 11 , 13 lying opposite one another, as shown in particular in FIGS. 2a and 2b, around the stator elements, the induction BL in the spacing recess 9.1 increases . , , compared to conventional magnetic elements from 15 mT up to 60 mT. As a result, even with the smallest angle changes in the beginning range greater than 0 °, such high induction values BL are generated that these values can be represented as usable and, above all, reproducible angle values.
Der weitere Vorteil der speziell sich gegenüberliegend ange ordneten Ringmagnetsegmente besteht darüber hinaus darin, daß nicht ein gesamtes Ringmagnetsegment mit doppelter Dicke ein gesetzt werden muß, sondern nur zwei Segmente, vorteilhafter weise von 30° Länge, so daß sich der Materialaufwand und die Materialkosten auf 16,7% senken.The other advantage of being specifically opposite ordered ring magnet segments also consists in that not an entire ring magnet segment with double thickness must be set, but only two segments, more advantageous as of 30 ° length, so that the cost of materials and Reduce material costs to 16.7%.
In Fig. 4 ist ein Kleinwinkelsensor mit einer Rotoreinheit 30 und einer Statoreinheit 40 gezeigt.A small angle sensor with a rotor unit 30 and a stator unit 40 is shown in FIG. 4.
Die Rotoreinheit 30 entspricht in ihrem Aufbau der Rotorein heit 1, d. h. es liegen sich auch hier zwei, einen Winkel α lange, teilkreisförmige Ringmagnetsegmente 31, 32 auf der Durchmessergeraden DM gegenüber. Die Länge der Ringmagnetseg mente 31, 32 kann auch hier 5° bis 90°, vorzugsweise 30°, be tragen. Beide Ringmagnetsegmente können eine Dicke d zwischen 1,8 und 3,2 mm, vorzugsweise 2,5 mm, haben.The rotor unit 30 corresponds in its construction to the Rotorein unit 1 , ie there are also two, an angle α long, partially circular ring magnet segments 31 , 32 on the diameter line DM opposite. The length of the Ringmagnetseg elements 31 , 32 can also be 5 ° to 90 °, preferably 30 °, be wear here. Both ring magnet segments can have a thickness d between 1.8 and 3.2 mm, preferably 2.5 mm.
Der Aufbau der Statoreinheit 40 hingegen unterscheidet sich von dem Aufbau der Statoreinheit des in den Fig. 1 bis 2a dargestellten Kleinwinkelsensors.The structure of the stator unit 40, on the other hand, differs from the structure of the stator unit of the small-angle sensor shown in FIGS . 1 to 2a.
In einem becherförmig ausgebildeten Gehäusekörper 47 sind zwei apfelsinenscheibenförmig ausgebildete Statorelemente 41, 42 unter Belassung einer Abstandsausnehmung 49 eingebracht. In der Abstandsausnehmung 49 ist eine Hall-Einheit 44 ange ordnet.Two orange-slice-shaped stator elements 41 , 42 are introduced into a cup-shaped housing body 47 , leaving a spacing recess 49 . In the spacing recess 49 , a Hall unit 44 is arranged.
Wie insbesondere Fig. 5 und 6 zeigen, besteht der Gehäusekör per 47 und damit auch sein Gehäuseboden 48 und sein Gehäuse ringelement 50 aus einem magnetisch leitenden, d. h. aus einem weichmagnetischen Material.In particular Fig. 5 and 6, consists of Gehäusekör by 47 and thus its housing base 48 and its casing ring element 50 of a magnetically conducting, that is made of a soft magnetic material.
Das Statorteilelement 42 ist mit dem Gehäuseboden 48 direkt verbunden, während zwischen dem Statorteilelement 41 und dem Gehäuseboden ein Kunststoffkörper 46 angeordnet ist, so daß zwischen dem Statorteilelement 41 und dem Gehäuseboden keine magnetisch leitende Verbindung besteht.The Statorteilelement 42 is connected directly to the housing bottom 48, while a plastic body 46 is disposed between the Statorteilelement 41 and the housing bottom, so that the housing bottom and there is no magnetically conductive connection between the Statorteilelement 41st
Zwischen dem Gehäuseboden und dem Gehäuseringelement ist ein umlaufendes Kunststoff-Ringelement angeordnet. Der Gehäusebo den hat eine Dicke = D und das umlaufende Kunststoff-Ring element eine Dicke D'.There is a between the housing base and the housing ring element circumferential plastic ring element arranged. The housing bo it has a thickness = D and the surrounding plastic ring element a thickness D '.
Aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung der Statoreinheit und der Zuordnung der Rotoreinheit ist es möglich, die Ma gnetlinien der beiden Magnetsegmente 31, 33 aufzuspalten und somit eine Verschiebung des linearen Bereiches der Signalkur ve zu erreichen.Due to the structural design of the stator unit and the assignment of the rotor unit, it is possible to split the magnetic lines of the two magnet segments 31 , 33 and thus to achieve a shift in the linear range of the signal curve.
In Fig. 5 ist die Winkelposition der Rotoreinheit 30 gegen über der Statoreinheit 40 dargestellt, die in der Hall- Einheit 44 ein maximales Ausgangssignal erzeugt. Hierbei pas sieren die aus dem Magnetsegment 11 austretenden Feldlinien den Luftspalt 43 und durchströmen das Statorelement 41. Nach dem die Feldlinien die Hall-Einheit 44 passiert haben, teilt sich der magnetische Fluß in die Teilflüsse F1 und F2 auf. Der magnetische Teilfluß F2 biegt im Statorelement 42 ab und wird über den Gehäuseboden 48, das Kunststoff-Ringelement 51 und das Gehäuseringelement 50 zum Statorteilelement zurückge führt. Die Feldlinien des magnetischen Teilflusses F2 verlau fen in einer Ebene parallel zum Gehäuseboden 48, durchfließen das Statorteilelement 42, passieren den Luftspalt und gelan gen über das Gehäuseringelement und den Luftspalt zurück zum Ringmagnetelement. Auf der gegenüberliegenden Seite ergibt sich die in Fig. 6 dargestellte Position des minimalen Ma gnetflusses durch die Hall-Einheit 44 und somit das minimale Ausgangssignal. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, entspricht der Verlauf des magnetischen Flusses F1 dem in Fig. 5, wobei die Richtung entgegengesetzt verläuft. Der magnetische Teilfluß F2 durchströmt nicht mehr die Hall-Einheit 44. Vielmehr wird der Teilfluß F2 bei Austritt aus dem Magnetsegment und Passieren des Luftspalts im Statorteilelement 42 axial abgelenkt, und der magnetische Teilfluß verläuft über den Gehäuseboden, das Kunststoff-Ringelement 51 und das Gehäuseringelement 50 zum Gegenpol des Ringmagnetsegments. Aus dieser Unsymmetrie des gesamten magnetischen Flusses der beiden sich gegenüberlie genden Ringmagnetsegmente 11, 13, d. h. aufgrund der Auftei lung des magnetischen Flusses in die magnetischen Teilflüsse F1 und F2 ergibt sich eine vertikale Verschiebung der Kennli nien des Meßsignals des Winkelsensors. Der Grad, d. h. die Größe der vertikalen Verschiebung, ergibt sich aus dem Ver hältnis der Teilflüsse F1 und F2. Die Größe des Teilflusses F2 läßt sich durch die Dicke des Gehäusebodenelements 48 und/oder über die Dicke des nicht magnetischen Spalts 51 zwi schen dem Gehäusebodenelement und dem Gehäuseringelement 50 steuern. Eine maximale, vertikale Verschiebung der Kennlinie ergibt sich, wenn das Kunststoff-Ringelement 51 entfällt. In allen zwischen den in den Fig. 5 und 6 dargestellten Extrem- Positionen teilen sich die magnetischen Flüsse, so daß sich eine mög lichst große lineare Kennlinie des Kleinwinkelsensors er gibt.In Fig. 5 the angular position of rotor assembly 30 relative to the stator assembly 40 is shown produced in the Hall device 44, a maximum output signal. Here, the field lines emerging from the magnet segment 11 pass through the air gap 43 and flow through the stator element 41 . After the field lines have passed the Hall unit 44 , the magnetic flux is divided into the partial flows F 1 and F 2 . The partial magnetic flux F 2 bends in the stator element 42 and is led back to the stator element via the housing base 48 , the plastic ring element 51 and the housing ring element 50 . The field lines of the partial magnetic flux F 2 pass in a plane parallel to the housing base 48 , flow through the stator element 42 , pass through the air gap and reach the ring magnetic element via the housing ring element and the air gap. On the opposite side, the position of the minimum magnetic flux through the Hall unit 44 shown in FIG. 6 results and thus the minimum output signal. As can be seen from FIG. 6, the course of the magnetic flux F 1 corresponds to that in FIG. 5, the direction being opposite. The partial magnetic flux F 2 no longer flows through the Hall unit 44 . Rather, the partial flow F 2 is deflected axially when it emerges from the magnet segment and passes through the air gap in the stator sub-element 42 , and the magnetic partial flow runs over the housing base, the plastic ring element 51 and the housing ring element 50 to the opposite pole of the ring magnet segment. From this asymmetry of the total magnetic flux of the two ring magnetic segments 11 , 13 lying opposite one another, ie due to the division of the magnetic flux into the partial magnetic fluxes F 1 and F 2 , there is a vertical shift in the characteristics of the measuring signal of the angle sensor. The degree, ie the size of the vertical shift, results from the ratio of the partial flows F 1 and F 2 . The size of the partial flow F 2 can be controlled by the thickness of the housing base element 48 and / or by the thickness of the non-magnetic gap 51 between the housing base element and the housing ring element 50 . A maximum, vertical shift of the characteristic curve results when the plastic ring element 51 is omitted. In all between the extreme positions shown in FIGS . 5 and 6, the magnetic fluxes share, so that there is as large a linear characteristic curve of the small-angle sensor as possible.
Die beiden sich gegenüberliegenden Ringmagnetsegmente sorgen auch hier dafür, daß die Induktion BL in der Abstandsausneh mung 49 bei kleinen Drehwinkeln so groß ist, daß sich exakte und vor allem reproduzierbare Meßwerte ergeben.The two opposing ring magnet segments also ensure that the induction BL in the distance 49 Ausungsausneh at small angles of rotation is so large that exact and above all reproducible measured values.
In Fig. 7 und 8 ist eine dritte Ausführungsform eines Klein winkelsensors gezeigt.In Figs. 7 and 8 is shown a third embodiment of a small angle sensor.
Der Drehwinkelsensor weist:
The rotation angle sensor has:
- - eine Statoreinheit 80, bestehend aus vier Statorteilelemen ten 81, 82, 83 und 84 auf, die untereinander eine Abstands ausnehmung 89.1, 89.2, 89.3 und 89.4 in einem Winkel ϕ von 90° frei lassen,a stator unit 80 , consisting of four stator part elements 81 , 82 , 83 and 84 , which leave a spacing recess 89.1 , 89.2 , 89.3 and 89.4 at an angle ϕ of 90 °,
- - eine Rotoreinheit 70 mit zwei auf einer Geraden gegenüber liegenden Ringmagnetsegmenten 71, 73 und- A rotor unit 70 with two ring magnet segments 71 , 73 and
- - zwei Hall-Einheiten 84, 85, die in zwei gegenüberliegenden Abstandsausnehmungen 89.2 und 89.4 eingebracht sind.- Two Hall units 84 , 85 , which are introduced in two opposite spacing recesses 89.2 and 89.4 .
Das Ringmagnetsegment 71 weist eine Nord-Süd-Polung N-S und das Ringmagnetsegment 73 eine Süd-Nord-Polung S-N auf. Beide Ringmagnetsegmente 71, 73 sind hinsichtlich ihrer Halterung und ihrer Ausbildung ähnlich aufgebaut, wie in Fig. 3 darge stellt und beschrieben.The ring magnet segment 71 has a north-south polarity NS and the ring magnet segment 73 has a south-north polarity SN. Both ring magnet segments 71 , 73 are constructed similarly in terms of their holder and their training, as shown in Fig. 3 Darge and described.
Der eigentliche funktionelle Unterschied gegenüber den beiden vorbeschriebenen Kleinwinkelsensoren besteht darin, daß sich die Rotoreinheit 70 unter Belassung eines Luftspalts 83' in nerhalb der durch die Statorelemente gebildeten Statoreinheit 80 bewegt. Hierbei ist die Rotoreinheit 70 an eine Welle 100 gekoppelt.The actual functional difference compared to the two small angle sensors described above is that the rotor unit 70 moves within the stator unit 80 formed by the stator elements while leaving an air gap 83 '. Here, the rotor unit 70 is coupled to a shaft 100 .
Die Rotor- und Statoreinheit sind wenigstens teilweise von einem Gehäusekörper 87 umschlossen. Der Gehäusekörper 87 ist mit einem Deckel 90 verschlossen, dem gegenüberliegend eine Leiterplatte angeordnet ist, mit der die Hall-Einheiten 84, 85 verbunden sind.The rotor and stator unit are at least partially enclosed by a housing body 87 . The housing body 87 is closed with a cover 90 , which is arranged opposite a circuit board to which the Hall units 84 , 85 are connected.
Durch die sich gegenüberliegenden Ringmagnetsegmente 71, 72 ist die gesamte Rotoreinheit 70 zweigeteilt. Durch diese Zweiteilung verhalten sich beide wie ein Stabmagnet. Der Ma gnetfluß in den mit N und S bezeichneten Bereichen radial. Durch die Ausbildung beider Ringmagnetsegmente 71, 73 in ei ner Winkellänge α von 30° und einer Dicke d in Richtung ihrer Durchmessergeraden DM von 2,5 mm wird auch hier eine derart hohe Induktion BL in den Abstandsausnehmungen 89.2, 89.4 rea lisiert, daß sich kleinste Winkelveränderungen bis 15° durch entsprechend starke Ausgangssignale feststellen lassen.The entire rotor unit 70 is divided into two by the opposing ring magnet segments 71 , 72 . Due to this division, both behave like a bar magnet. The Ma gnetfluss in the areas designated N and S radially. Due to the formation of both ring magnet segments 71 , 73 in an angular length α of 30 ° and a thickness d in the direction of their diameter line DM of 2.5 mm, such a high induction BL in the spacing recesses 89.2 , 89.4 is also realized that the smallest Let the angle changes up to 15 ° be determined by correspondingly strong output signals.
Das beschriebene Prinzip der Teilung des Ringmagneten in zwei dickere, sich gegenüberliegende Ringmagnetsegmente läßt sich auch auf alle anderen Winkelsensoren übertragen, die dann ge nau einen Drehwinkel bis zu 15° aufnehmen.The described principle of dividing the ring magnet into two thicker, opposing ring magnet segments can be also transferred to all other angle sensors, which then ge precisely record an angle of rotation of up to 15 °.
Analog lassen sich mit dem gleichen Lösungsprinzip auch klei ne lineare Wegveränderungen messen. Hierbei werden die be schriebenen Teile Stator und Rotor für die Erfassung der li nearen Kleinstwege so angepaßt, daß der Rotor linear verlän gert wird, wobei am Anfang und am Ende jeweils kurze, aber Magnete mit einem sehr hohen magnetischen Fluß sich gegen überliegend angeordnet werden. Der sich so ergebende beidsei tige Stabmagnet wird in dem Stator hin und her geführt und in der am Ende eines U-förmig ausgebildeten Statorelements in deren Luftspalt angeordneten Hall-Einheit zu- bzw. wegbewegt.Similarly, the same solution principle can also be used for small Measure a linear path change. Here, the be written parts stator and rotor for the detection of the li Short distances are adjusted so that the rotor is linear is, whereby at the beginning and at the end short, but Magnets with a very high magnetic flux against each other be arranged above. The resulting two bar magnet is guided back and forth in the stator and in that at the end of a U-shaped stator element in whose air gap arranged Hall unit moves towards or away.
Claims (10)
eine Statoreinheit (2; 40; 80) mit wenigstens zwei Statorteilelementen (21, 22, 23, 24; 41, 42; 81, 82, 83, 84), die unter Belassung wenigstens einer Abstandsausneh mung (9.1, 9.2; 49; 89.1, 89.2, 89.3, 89.4) zueinander an geordnet sind,
wenigstens ein magnetempfindliches Element (4, 5, 4', 5'; 44; 84, 85), das in einer der Abstandsausnehmungen (9.1, 9.2; 49; 89.1, 89.2, 89.3, 89.4) angeordnet ist, und
eine Rotoreinheit (1; 30; 70) mit wenigstens einem Ring magnetsegment (11, 13; 31, 32; 71, 73), das unter Belassung eines Luftspalts (3; 43; 83') gegenüber den Statorteilele menten zu bewegen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwei einen Winkel (α) lange, teilkreisförmige Ringmagnet segmente (11, 13; 31, 33; 71, 73) auf einer Durchmesserge raden (DM) sich gegenüberliegend angeordnet sind und unter Belassung des Luftspalts (3; 43; 83) an den Statorteilele menten (21, 22, 23, 24; 41, 42; 81, 82, 83, 84) vorbei zu bewegen sind.1. Device for the contactless detection of a rotation angle, which has at least:
a stator unit ( 2 ; 40 ; 80 ) with at least two partial stator elements ( 21 , 22 , 23 , 24 ; 41 , 42 ; 81 , 82 , 83 , 84 ), which leave at least one spacing exception ( 9.1 , 9.2 ; 49 ; 89.1 , 89.2 , 89.3 , 89.4 ) are arranged to each other,
at least one magnetically sensitive element ( 4 , 5 , 4 ', 5 ';44; 84 , 85 ) which is arranged in one of the spacing recesses ( 9.1 , 9.2 ; 49 ; 89.1 , 89.2 , 89.3 , 89.4 ), and
a rotor unit ( 1 ; 30 ; 70 ) with at least one ring magnet segment ( 11 , 13 ; 31 , 32 ; 71 , 73 ) which can be moved with respect to the stator part elements while leaving an air gap ( 3 ; 43 ; 83 '),
characterized in that
two an angle (α) long, partially circular ring magnet segments ( 11 , 13 ; 31 , 33 ; 71 , 73 ) on a diamterge (DM) are arranged opposite each other and leaving the air gap ( 3 ; 43 ; 83 ) on the stator parts elements ( 21 , 22 , 23 , 24 ; 41 , 42 ; 81 , 82 , 83 , 84 ) must be moved past.
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| DE2000158732 DE10058732A1 (en) | 2000-09-22 | 2000-09-22 | Contactless determination arrangement for rotary angle has ring magnet segments, which can be moved past stator elements by keeping air gap |
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| DE2000158732 Withdrawn DE10058732A1 (en) | 2000-09-22 | 2000-09-22 | Contactless determination arrangement for rotary angle has ring magnet segments, which can be moved past stator elements by keeping air gap |
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|---|---|
| DE (1) | DE10058732A1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102005061708A1 (en) * | 2005-12-21 | 2007-06-28 | Ab Elektronik Gmbh | Rotor and stator unit`s angle determination device, has magnet units with flat standard size, and rotor unit exhibiting multi-wall body that is made of magnetic flux-conductive material, where magnet units are arranged at body wall units |
| DE10131455B4 (en) * | 2001-06-29 | 2010-09-16 | Robert Bosch Gmbh | Sensor arrangement for detecting an element made of a ferromagnetic material |
| DE102004008527B4 (en) * | 2003-02-21 | 2013-09-26 | Aisan Kogyo K.K. | Detection devices for the rotation angle |
-
2000
- 2000-09-22 DE DE2000158732 patent/DE10058732A1/en not_active Withdrawn
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