DE10140750B4

DE10140750B4 - Kleinwinkelsensor

Info

Publication number: DE10140750B4
Application number: DE2001140750
Authority: DE
Inventors: Peter Apel; Klaus Wilczek; Friedhelm Schmidtke
Original assignee: AB Elektronik GmbH
Current assignee: AB Elektronik GmbH
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2021-08-21
Also published as: DE10140750A1

Abstract

Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels, die wenigstens aufweist
– eine Statoreinheit (2) mit wenigstens zwei Statorteilelementen (21, 22), die unter Belassung wenigstens einer Abstandsausnehmung (24, 25) zueinander angeordnet sind,
– wenigstens ein magnetempfindliches Element (26), das in einer der Abstandsausnehmungen (24, 25) angeordnet ist, und
– eine Rotoreinheit(1) mit zwei einen Öffnungswinkel (α1, α2) breiten Magneteinheiten, die auf einer Durchmessergeraden (D1) sich gegenüberliegend in einem Haltekörper (16) angeordnet sind und unter Belassung eines Luftspalts (3) an den radial von den Magneteinheiten beabstandeten Statorteilelementen (21, 22) vorbei zu bewegen sind, dadurch gekennzeichnet,
– daß beide Magneteinheiten jeweils aus einem teilringförmigen Flußleitkörpersegment (11, 12) und einem blockförmigen Magnetkörper (13, 14) bestehen,
– daß das erste und das zweite Flußleitkörpersegment (11, 12) zu den Statorteilelementen (21, 22) hin zeigend und mit diesen den Luftspalt (3) ausbildend im Haltekörper (16) gehalten sind und
– daß der erste...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels, die wenigstens aufweist

– eine Statoreinheit mit wenigstens zwei Statorteilelementen, die unter Belassung wenigstens einer Abstandsausnehmung zueinander angeordnet sind,
– wenigstens ein magnetempfindliches Element, das in einer der Abstandsausnehmungen angeordnet ist, und
– eine Rotoreinheit mit zwei einen Öffnungswinkel breiten Magneteinheiten, die auf einer Durchmessergeraden sich gegenüberliegend in einem Haltekörper angeordnet sind und unter Belassung eines Luftspalts an den radial von den Magneteinheiten beabstandeten Statorteilelementen vorbei zu bewegen sind.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 100 55 288 A1 bekannt. Sie weist auf eine Statoreinheit mit wenigstens zwei Statorteilelementen, die unter Belassung wenigstens einer Abstandsausnehmung zueinander angeordnet sind, wenigstens ein magnetempfindliches Element, das in einer der Abstandsausnehmungen angeordnet ist, und eine Rotoreinheit mit zwei halbkreisförmigen oder kegligen Rotorblöcken aus weichmagnetischem Material, zwischen denen sich ein Spalt befindet. In den Spalt ist ein quaderförmiger Magnet aus hartmagnetischem Material eingefügt. Letzterer ist quer über den Spalt magnetisiert, um die Rotorblöcke zu verbinden. Die bekannte Anordnung erfordert eine große Menge an hartmagnetischem und weichmagnetischem Material, so dass bei Massenteilen, um die es sich bei den genannten Vorrichtungen handelt, relativ hohe Gesamtkosten zu erwarten sind.

Aus der EP 10 54 237 A2 ist ein Drehwinkelsensor bekannt, der eine Statoreinheit mit zwei Statorteilelementen aufweist, die unter Belassung einer Abstandsausnehmung zueinander angeordnet sind, wobei in der Abstandsausnehmung wenigstens ein Hallsensor angeordnet ist. Gegenüber dieser Statoreinheit ist eine Rotoreinheit mit einem Ringmagnetteilelement zu bewegen. Das Ringmagnetteilelement ist hier als wenigstens ein Magnetsegment mit wenigstens einem daran angeordneten Flußleitblech ausgebildet, die wenigstens teilweise in der Rotoreinheit angeordnet sind.

Hinzuweisen ist auch auf einen Stand der Technik gemäß DE 41 23 131 A1 , der allerdings nicht gattungsgemäß ist. Der magnetische Fluß wird über Umlenkelemente mit langen L-Schenkeln in die dritte Dimension umgeleitet. Hierdurch ergibt sich ein komplizierter dreidimensionaler Verlauf der Feldlinien in den magnetisch leitenden Bauteilen und im Luftraum um diese herum. Die langen Schenkel müssen eine beträchtliche Länge haben, damit die durch das magnetische Feld in der tieferliegenden Ebene hervorgerufenen Störungen zu vernachlässigen sind.

Es stellt sich gegenüber dem Stand der Technik die Aufgabe, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art die Ausbildung der Magneteinheiten unter Beibehaltung ihrer meßtechni schen Vorteile mit weniger Magnetmaterial vorzunehmen, wobei durch die Konstruktion der Stator- und Rotorelemente ein Magnetfluß erzeugt wird, der einen störungsfreien Messbetrieb ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder 2 gelöst.

Anstelle von Permanentmagnetsegmenten können Flußleitkörpersegemente eingesetzt werden, an denen Magnetkörper angeordnet sind. Hierdurch wird in den Abstandsausnehmungen eine so hohe Magnetfeldstärke erzeugt, daß bereits kleinste Winkel sicher gemessen und genau erfaßt werden können. Der besondere Vorteil der Ausbildung besteht darin, daß die Permanentmagnetsegmente um etwa 50 bis 70 % volumenmäßig kleiner sind, als die bislang eingesetzten Ringmagnetsegmente. Hierdurch verringern sich der Material- und der Kostenaufwand für Permanentmagnete. Die Flußleitkörpersegmente lassen sich sehr einfach und genau herstellen. Sie können beispielsweise durch spanabhebende Verformung oder Sintern geformt werden.

Die Magneteinheiten können aufgrund der Ausbildung der Flußleitkörpersegmente und der Anzahl der blockförmigen Magnetkörper unterschiedliche Statoreinheiten ausbilden.

So können beide Magneteinheiten mit ihren teilringförmigen Flußleitkörpersegmenten und ihren im wesentlichen blockförmigen Magnetkörpern als erste Statoreinheit unter Belassung eines ersten Luftspalts in ersten Statorteilelementen einer ersten Statoreinheit bewegt werden.

Beide Magneteinheiten können aber auch mit ihren teilringförmigen Flußleitkörpersegmenten, ihrem im wesentlichen ringförmigen Zentralflußkörper und ihren im wesentlichen blockförmigen Magnetkörpern als zweite Rotoreinheit ausgebildet sein, die unter Belassung des ersten Luftspalts in den ersten Statorteilelementen der ersten Statoreinheit zu bewegen sind.

Ebenso wie die Statorteilelemente können die Teile der Magneteinheiten lagegerecht in einem Haltekörper aus magnetisch nicht leitendem Material eingeformt werden. Auch hierdurch ist eine genaue Positionierung der Teile der Magneteinheiten gewährleistet. Dadurch, daß sowohl die Teile der Statoreinheit und die Teile der Rotoreinheit lagegerecht in magnetisch nicht leitendes Material eingeformt werden, ist eine genaue Erfassung kleinster Winkel gewährleistet.

Das magnetisch nicht leitende Material, das zum Einsatz kommt, kann ein Kunststoff sein. Kunststoff läßt sich sehr gut formen, ermöglicht eine genaue Halterung und Befestigung der einzelnen Teil der Stator- und der Rotoreinheit. Die Materialeigenschaften erlauben den Einsatz eines Kleinwinkelsensors bei sehr extremen Temperatur- und sonstigen Einflüssen.

Die Flußleitkörperelemente, der Zentralflußleitkörper und die ersten und zweiten Statorteilelemente können aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt werden. Das magnetisch leitende Material kann Weicheisen sein. Der Winkel, den das erste und das zweite Flußleitkörpersegment überspannt, kann 5 bis 90° betragen.

Die ersten Statorteilelemente können jeweils ein Segmentbefestigungselement aufweisen. Hierdurch ist es möglich, die Statorteilelemente sicher zu verankern.

Die Segmentbefestigungselemente können vollständig und die ersten Statorteilelemente wenigstens teilweise beim Formen eines Statorgehäuses aus magnetisch nichtleitendem Material lagegerecht mit eingeformt werden. Hierdurch ist eine meßtechnisch genaue Positionierung der einzelnen Elemente gesichert. Ein Nachjustieren ist nicht mehr erforderlich.

Die Segmentbefestigungselemente können T-förmig ausgebildet sein. Ihre Form sichert eine gute Verankerung in dem magnetisch nicht leitendem Material. Es ist aber auch möglich, die Statorsegmentelemente V-, W-, L-förmig oder dgl. auszubilden.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 einen Kleinwinkelsensor mit einer ersten Ausführungsform einer Rotoreinheit in einer schematischen Schnittdarstellung,
2 einen Schnitt durch einen Kleinwinkelsensor gemäß 1 entlang der Linie II – II,
3 eine zweite Ausführungsform einer Rotoreinheit für einen Kleinwinkelsensor in einer schematischen Schnittdarstellung,
4 einen Schnitt durch eine Rotoreinheit gemäß 3 entlang der Linie II – II.
Beschreibung
Besteht die Aufgabe, kleine Winkel zwischen 0 und 15° mit Kleinwinkelsensoren zu messen, ist der Einsatz einer Vollkreis-Magneteinheit nicht erforderlich. Es können segmentförmige Magneteinheiten eingesetzt werden. Dabei können Flußleitstücke aus einem magnetisch leitenden Material, insbesondere Weicheisen, und ein dahinter angeordneter blockförmiger Dauermagnet verwendet werden. Mit derartigen Magneteinheiten wurden Meßergebnisse erzielt, die zu den Meßergebnissen mit eingesetzten Segmenten aus. Dauermagneten gleichwertig sind.
In den 1 und 2 ist ein Kleinwinkelsensor gezeigt, der eine Rotoreinheit 1 und eine Statoreinheit 2 umfasst.
Die Statoreinheit 2 weist zwei im wesentlichen teilringförmige Statorteilelemente 21, 22 auf. Entlang einer Durchmessergeraden D1 enden beide teilringförmigen Statorteilelemente 21, 22 in geraden Endstücken, die sich parallel gegenüber liegen und zwischen sich zwei Abstandsausnehmungen 24, 25 freilassen. In der Abstandsausnehmung 24 ist ein Hallelement 26 angeordnet. Dieses kann auch als Hall-IC-Schaltkreis ausgebildet sein.
Wie insbesondere 2 zeigt, ist an beiden Statorteilelementen 21, 22 jeweils ein T-förmiges Segmentbefestigungselement 23 angeordnet. Beim Formen eines Statorgehäusekörpers 27 aus einem magnetisch nicht leitenden Material, insbesondere Kunststoff, werden die Segmentbefestigungselemente 23 der beiden Statorteilelemente vollständig und die Statorsegmentelemente 21, 22 wenigstens teilweise in den Statorgehäusekörper 27 eingeformt. 2 zeigt, daß die Statorteil elemente 21, 22 teilweise aus dem Gehäusekörper 27 herausragen.
Die Rotoreinheit 1 besteht aus zwei sich gegenüberliegenden Flußleitkörpersegmenten 11, 12, die aus einem magnetisch leitenden Material, insbesondere aus Weicheisen, bestehen.
Das Flußleitkörpersegment 11 überspannt einen Winkel α1 und das Flußleitkörpersegment 12 einen Winkel α2. Die Winkel α1 und α2 sind, wie 1 zeigt, gleich. Die Winkel können zwischen 5° und 60°, vorzugsweise 30°, betragen. Die Winkel können auch ungleich sein, so daß beide Statorsegmentelemente 21, 22 unterschiedlich lang sind.
Am Flußleitkörpersegment 11 ist ein Magnetkörper 13 und am Flußleitkörpersegment 12 ein Magnetkörper 14 angeordnet. Die beiden Magnetkörper liegen dabei etwa in der Winkelhalbierenden der Winkel α1 bzw. α2 und auf einer Durchmessergeraden D1, die bei dieser Stellung der Statoreinheit 2 auch durch die beiden Abstandsausnehmungen 24, 25 der Statoreinheit 2 läuft.
Die beiden Flußleitkörpersegmente 11, 12 weisen an ihren Enden Überstände auf. Die Flußleitkörpersegmente und die Magnetkörper sind etwa 3 bis 8 mm, vorzugsweise 5 mm, dick.
Die Rotoreinheit weist darüber hinaus einen Haltekörper 16 auf, der eine im wesentlichen X-förmige Konfiguration in der Draufsicht hat. Der Haltekörper 16 besteht aus einem magnetisch nicht leitendem Material, insbesondere Kunststoff oder Alumninium. Beim Formen des Haltekörpers 16 werden die beiden Flußleitkörpersegmente 11, 12 und die hinter ihnen angeordneten Magnetkörper 13, 14 mit umspritzt, wie insbesondere 2 zeigt. Hierdurch wird gesichert, daß die beiden Fluß leitkörpersegmente 11, 12' sicher und lagegerecht im Haltekörper 16 gehalten werden. Darüber hinaus ist die genaue Anordnung beider Magnetkörper 13, 14 hinter den beiden vor ihnen liegenden Flußleitkörpersegmenten 11, 12 gewährleistet.
Wie die 2 zeigt, schließen die Außenflächen der Flußleitkörpersegmente 11, 12 und die Außenfläche des Haltekörpers in einer Ebene ab.
In der Mitte des Haltekörpers 16 ist eine Körperausnehmung 17 eingebracht, die sich nach oben hin verbreitert, so daß mit Hilfe einer Verbindungseinheit 19 ein Wellenelement 18 am Haltekörper 16 befestigt werden kann. Die Verbindungseinheit besteht aus einer umlaufenden geriffelten Oberfläche am Ende des. Wellenelements 18. Beim Formen des Haltekörpers 16 wird hierdurch gesichert, daß das Wellenelement im Haltekörper 16 gehalten wird.
Beim Einführen der Rotoreinheit 1. in die Statoreinheit 2 wird zwischen den Außenflächen der Flußleitkörpersegmente 11, 12 und den Außenflächen der Statorteilelemente 21, 22 ein Luftspalt 3 freigelassen. Durch das Einspritzen der Flußleitkörpersegmente 11, 12 und der Statorsegmentelemente 21, 22 werden diese so in der Rotoreinheit 1 bzw. in der Statoreinheit 2 positioniert, daß sie lagegerecht ohne Nachjustieren den gewünschten Luftspalt 3 ausbilden, so daß eine genaue Messung kleiner Winkel beim Drehen des Wellenelements zu gewährleisten ist.
In den 3 und 4 ist eine Rotoreinheit 101 in einer anderen Ausführungsform dargestellt. Sie besteht aus zwei gegenüberliegenden Flußleitkörpersegmenten 111, 112. Die Länge des Flußleitkörpersegments 111 wird durch einen Winkel α1 und die Länge des Flußleitkörpersegments 112 durch einen Winkel α2 bestimmt. Beide Winkel sind gleich groß. Die Flußleitkörpersegmente 111, 112 sind als schmale Sicheln ausgebildet, die eine Breite von 1 bis 4 mm, vorzugsweise 2 mm haben.
Die beiden Öffnungswinkel α1, α2 werden bei dieser Stellung der Rotoreinheit 101 durch eine Durchmessergerade D2 halbiert, die auch durch einen Magnetkörper 113, der hinter dem Flußleitkörpersegment 112, und durch einen Magnetkörper 114, der hinter dem Flußleitkörpersegment 112 angeordnet ist, verläuft. Die Magnetkörper 113, 114 sind etwa 5 mm breit.
Zwischen den beiden Magnetkörpern 113, 114 ist ein Zentralflußleitkörper 115 angeordnet, der eine im wesentlichen ringförmige Konfiguration hat. Als Körperausnehmung 117 ist eine runde Öffnung in der Mitte des Zentralflußleitkörper 115 angeordnet, die ein Wellenelement 118 verdrehungssicher aufnimmt.
Die Flußleitkörpersegmente 111, 112, die Magnetkörper 113, 114 und der Zentralflußleitkörper 115, wie in 4 dargestellt, sind 3 bis 7 mm, vorzugsweise 5 mm hoch.
Die Rotoreinheit 101 weist einen Haltekörper 116 auf, der im wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist. Er besteht aus einem magnetisch nicht leitendem Material, insbesondere aus Kunststoff oder Aluminium.
Beim Formen des Haltekörpers 116 werden die Flußleitkörpersegmente 111, 112 mit den hinter ihnen angeordneten Magnetkörpern 113, 114 und den an den Magnetkörpern 113, 114 angeordneten Zentralflußleitkörpern 115 mit eingeformt. Hierdurch wird gesichert, daß die meßtechnisch wichtigen Elemente der Rotoreinheit 101 lagegerecht positioniert sind und daß beim Einsetzen in die Statoreinheit 2 der Luftspalt 3 ohne Nachjustieren ausgebildet werden kann.
Die Dicke des ersten und zweiten teilringförmigen Flußleitkörpersegments kann in Richtung der Durchmessergeraden zwischen 1,8 und 3,2 mm sein. Welche Dicke gewählt wird, hängt im wesentlichen von dem zu übertragenen magnetischen Fluß ab. Deshalb ist es möglich, daß sie auch dicker als 3,2 mm sein können. Die beiden kreisausschnittförmigen Flußleitkörpersegmente können in Richtung der Durchmessergeraden zusammen so lang wie der Durchmesser sein. Hierdurch wird eine genaue lagegerechte Anpassung des zugeordneten Magnetkörpers gewährleistet.

Claims

Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels, die wenigstens aufweist – eine Statoreinheit (2) mit wenigstens zwei Statorteilelementen (21, 22), die unter Belassung wenigstens einer Abstandsausnehmung (24, 25) zueinander angeordnet sind, – wenigstens ein magnetempfindliches Element (26), das in einer der Abstandsausnehmungen (24, 25) angeordnet ist, und – eine Rotoreinheit(1) mit zwei einen Öffnungswinkel (α1, α2) breiten Magneteinheiten, die auf einer Durchmessergeraden (D1) sich gegenüberliegend in einem Haltekörper (16) angeordnet sind und unter Belassung eines Luftspalts (3) an den radial von den Magneteinheiten beabstandeten Statorteilelementen (21, 22) vorbei zu bewegen sind, dadurch gekennzeichnet, – daß beide Magneteinheiten jeweils aus einem teilringförmigen Flußleitkörpersegment (11, 12) und einem blockförmigen Magnetkörper (13, 14) bestehen, – daß das erste und das zweite Flußleitkörpersegment (11, 12) zu den Statorteilelementen (21, 22) hin zeigend und mit diesen den Luftspalt (3) ausbildend im Haltekörper (16) gehalten sind und – daß der erste Magnetkörper (13) am ersten und der zweite Magnetkörper (14) am zweiten Flußleitkörpersegment (11, 12) – dem Luftspalt (3) gegenüberlie gend – im Haltekörper (16) gehalten sind, wobei zwischen den Magnetkörpern (13, 14) Bereiche des aus einem magnetisch nicht-leitenden Material bestehenden Haltekörpers (16) angeordnet sind.
Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels, die wenigstens aufweist – eine Statoreinheit (2) mit wenigstens zwei Statorteilelementen (21, 22), die unter Belassung wenigstens einer Abstandsausnehmung (24, 25) zueinander angeordnet sind, – wenigstens ein magnetempfindliches Element (26), das in einer der Abstandsausnehmungen (24, 25) angeordnet ist, und – eine Rotoreinheit( 101) mit zwei einen Öffnungswinkel (α1, α2) breiten Magneteinheiten (111, 112, 113, 114, 116), die auf einer Durchmessergeraden (D2) sich gegenüberliegend in einem Haltekörper (116) angeordnet sind und unter Belassung eines Luftspalts (3) an den radial von den Magneteinheiten beabstandeten Statorteilelementen (21, 22) vorbei zu bewegen sind, dadurch gekennzeichnet, – daß beide Magneteinheiten aus zwei teilringförmigen Flußleitkörpersegmenten (111, 112), einem ringförmigen Zentralflußkörper (115) und zwei blockförmigen Magnetkörpern (113, 114) bestehen, – daß das erste und das zweite Flußleitkörpersegment (111, 112) zu den Statorteilelementen (21, 22) hin zeigend und mit diesen den Luftspalt (3) ausbildend im Haltekörper (116) gehalten sind, – daß der erste Magnetkörper (113) am ersten und der zweite Magnetkörper (114) am zweiten Flußleitkörpersegment (111, 112), dem Luftspalt (3) gegenüberliegend, im Haltekörper (116) angeordnet sind und – daß der erste Magnetkörper (113) und der zweite Magnetkörper (114) am ringförmigen Zentralflußkörper (115) anliegen, der im Zentrum (Z2) des Haltekörpers angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Magneteinheiten mit ihren teilringförmigen Flußleitkörpersegmenten (11, 12) und ihren blockförmigen Magnetkörpern (13, 14) als erste Rotoreinheit (1) in ersten Statorteilelementen (21, 22) zu bewegen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Magneteinheiten mit ihren teilringförmigen Flußleitkörpersegmenten (11, 12) und ihren blockförmigen Magnetkörpern (13, 14) als zweite Rotoreinheit um zweite Statorteilelemente zu bewegen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magneteinheiten mit ihren teilringförmigen Flußleitkörpersegmenten (11, 12) und ihren blockförmigen Magnetkörpern (13, 14) lagegerecht beim Formen des Haltekörpers (16) aus einem magnetisch nicht leitenden Material mit eingeformt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magneteinheiten mit ihren teilringförmigen Flußleitkörpersegmenten (111, 112), ihrem ring förmigen Zentralflußkörper (115) und ihren Magnetkörpern (113, 114) lagegerecht beim Formen des Haltekörpers (116) aus einem magnetisch nicht leitenden Material mit eingeformt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite teilringförmige Flußleitkörpersegment (11, 12; 111, 112) in Richtung der Durchmessergeraden (D1; D2) eine Dicke zwischen 1,8 und 3,2 mm hat.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α1, α2), den das erste und das zweite Flußleitkörpersegment (11, 12; 111, 112) breit sind, 5° bis 90° beträgt.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Statorteilelemente (21, 22) ein Statorsegmentbefestigungselement (23) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorsegmentbefestigungselemente (23) vollständig und die ersten Statorteilelemente (21, 22) wenigstens teilweise beim Formen eines Statorgehäuses (27) aus magnetisch nicht leitenden Material lagegerecht mit eingeformt sind..
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorsegmentbefestigungselemente (23) T-förmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetisch nicht leitende Material ein Kunststoff ist.