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Stand
der Technik
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DE 103 03 392 A1 bezieht
sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung von Drehzahl und Drehlage einer
angetriebenen Welle. Zur Erfassung der Drehlage einer elektrischen
Maschine wird ein Geberrad eingesetzt, an dessen Außenumfang
eine Inkrementverzahnung ausgebildet ist. Die Zähne und Zahnlücken der
Inkrementverzahnung sind in einer ersten Zahnteilung ausgeführt. Die
Abtastung erfolgt mittels mindestens eines Sensors. Die Inkrementverzahnung
ist am Außenumfang
in einer eine hohe Drehwinkelauflösung ermöglichenden ersten Zahnteilung
ausgeführt
und am Innenumfang des Geberrades ist eine Indexverzahnung vorgesehen,
mittels derer eine der Zahl von Maschinenpolen der elektrischen
Maschine entsprechende Anzahl von 0-Impulsen generiert werden kann.
Die Inkrementverzahnung ist am Außenumfang des Geberrades kontinuierlich
ausgebildet. Der Inkrementverzahnung sind am Außenumfang zur Drehrichtungserkennung
der elektrischen Maschine ein erster und ein zweiter äußerer Sensor
zugeordnet, während
der Indexverzahnung am Innenumfang des Geberrades ein erster und
ein zweiter innerer Sensor zugeordnet sind.
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Zur
Drehzahl- beziehungsweise Lage- oder Positionserkennung bei elektrischen
Synchronmaschinen zum Beispiel werden heute applikationsspezifische
Sensoren eingesetzt. Je Anwendungsfall ist eine neue Konstruktion
erforderlich sowie die Anschaffung der jeweils spezifischen Werkzeuge.
Dazu zählen
Kunststoffspritz-, Stanz- und Montagewerkzeuge, ferner Werkstückträger sowie
Prüfeinrichtungen
und dergleichen mehr. Bei heutigen Konstruktionen werden die Sensoren
in einem Sensorgehäuse untergebracht,
wobei dieses Sensorgehäuse
in unmittelbarer geometrischer Abhängigkeit vom Durchmesser eines
Geberrades ausgelegt wird. Ändert sich
bei einer elektrischen Maschine der Geberrad-Durchmesser, muss demzufolge das Sensorgehäuse angepasst
werden. Ändert
sich die Leserichtung des Sensorsystems aufgrund anderer Einbauverhältnisse,
ist ebenfalls eine Anpassung des Sensorgehäuses erforderlich. Elektrische
Maschinen erfordern zur Drehzahlbeziehungsweise Lage- oder Positionserkennung
den Einsatz mehrerer Sensoren. Die Sensoren beziehungsweise die
Sensorsysteme, die in elektrischen Maschinen eingesetzt wer den, werden
in Abhängigkeit
von der Jahresstückzahl
der zu erstellenden Sensoren beziehungsweise der zu erstellenden
Sensorsysteme auf Fertigungslinien produziert. Je höher die
Jahresstückzahl
der zu produzierenden Sensorsysteme liegt, desto günstiger
ist ein hoher Automatisierungsgrad der Fertigungslinie.
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Offenbarung
der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorsystem
bereitzustellen, welches variabel einsetzbar ist.
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
folgend, ist ein standardisiertes Sensorelement, welches für alle Varianten
gleich ist, mit einer Flexfolie oder einem Flat Flexible Cable (FFC)
oder ähnlichem
verbunden. An diese Flexfolie oder dieses Flat Flexible Cable sind
mindestens zwei Sensorelemente beispielsweise im Wege des Laserschweißens elektrisch
kontaktiert. Mit dem Sensorsystem kann eine Lagebestimmung eines
Körpers
oder eine Winkel- und/oder Drehzahlerfassung bei beliebigen rotierenden
oder drehbaren Gegenständen
erfolgen. Werden an der Flexfolie oder an dem Flat Flexible Cable
(FFC) zwei Sensorelemente elektrisch kontaktiert, so kann dieses
Sensorsystem z. B. bei elektrischen Maschinen, wie z. B. bei Asynchronmaschinen,
eingesetzt werden. Werden an der Flexfolie beziehungsweise an dem
Flat Flexible Cable (FFC) hingegen drei Sensorelemente elektrisch
kontaktiert, so lässt
sich das erhaltene Sensorsystem an Synchronmaschinen einsetzen.
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Sind
die mindestens zwei standardisierten Sensorelemente an der Flexfolie
oder an dem Flat Flexible Cable (FFC) kontaktiert, können optional
zusätzliche
Bauteile wie zum Beispiel SMD-Kondensatoren und/oder Widerstände mit
der Flexfolie beziehungsweise dem Flat Flexible Cable (FFC) kontaktiert
werden.
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Die
standardisierten Sensorelemente enthalten eine Sensorelektronik,
welche den Einsatz der standardisierten Sensorelemente im Einsatz
an elektrischen Maschinen sowohl für Asynchron- wie auch für Synchronmaschinen
ermöglicht.
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Nach
dem Verbinden zusätzlicher
Bauteile wie SMD (Surface Mounted Device)-Kondensatoren und/oder von Widerständen mit
der Flexfolie beziehungsweise dem Flat Flexible Cable erfolgt das
Ancrimpen einer elektrischen Anschlussleitung. Der durch die elektrische
Anschlussleitung gegebene Kabelabgang kann beliebig entlang der
Flexfolie beziehungsweise des Flat Flexible Cables gewählt werden.
Danach erfolgt das Endumspritzen der elektrischen Kontaktierungsstellen
zwischen einer oberen Stirnseite des Sensor elements, an der die
elektrischen Kontakte des standardisierten Sensorelements ausgebildet
sind, die mit der Flexfolie und den in dieser enthaltenen Leiterbahnen
beziehungsweise dem Flat Flexible Cable (FFC) elektrisch kontaktiert sind.
Nach der Endumspritzung innerhalb einer Kunststoffspritzgussmaschine
können
die erhaltenen Sensorsysteme auf ein und demselben Prüfstand geprüft werden
hinsichtlich ihrer elektrischen Funktionsfähigkeit.
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Die
standardisiert ausgeführten
Sensorelemente können
in Sensorgruppen zu zwei oder drei Sensorelementen zusammengefasst
werden. Die einzelnen standardisiert ausgebildeten Sensorelemente
eines zwei oder mehr standardisierte Sensorelemente umfassenden
Sensorsystems sind durch die flexibel ausgebildete Flexfolie beziehungsweise durch
Flat Flexible Cables (FFC) miteinander verbunden. Jedem der standardisiert
ausgebildeten Sensorelemente kann eine separate Montageöffnung zugeordnet
sein, die z. B. in einem Abstand vom Sensorkopf der standardisierten
Sensorelemente angebracht sein kann. Aufgrund der Verbindung der
einzelnen standardisierten Sensorelemente über die Flexfolie beziehungsweise über die
Flat Flexible Cables (FFC) ist es möglich, z. B. bei einer Winkelmessung
eines rotierenden Bauteils, wie z. B. eines Geberrades einer elektrischen
Maschine oder dergleichen, bei der Signalwinkel von z. B. 10° verlangt
werden, die geforderte Auflösung
unabhängig
vom Durchmesser beziehungsweise des Umfangs des abzutastenden Rotationskörpers durchzuführen. Durch
die über
die Flexfolie beziehungsweise die Flat Flexible Cables (FFC) miteinander
verbundenen standardisierten Sensorelemente kann die Flexfolie beziehungsweise
können
die Flat Flexible Cables (FFC) je nach gefordertem Abstand zusammengeschoben
oder weiter auseinander gezogen werden. Damit lässt sich das erfindungsgemäß vorgeschlagene
Sensorsystem an verschiedene Durchmesser von z. B. hinsichtlich
einer Winkelerfassung oder eine Drehzahlerfassung abzutastenden
Rotationskörpern einsetzen,
ohne dass Änderungen
an einem Sensorgehäuse
erforderlich würden.
Die Variabilität
des vorgeschlagenen Sensorsystems liegt in einer einfachen Anpassung
des Abstandes der einzelnen standardisiert ausgeführten Sensorelemente
relativ zueinander, so dass unterschiedliche Einsatzzwecke leicht
realisiert werden können.
Das vorgeschlagene Sensorsystem lässt sich aufgrund seines einfachen Aufbaus
aus standardisierten Komponenten kostengünstig in großen Stückzahlen
fertigen und eignet sich sowohl zu einer radial erfolgenden Abtastung
eines rotierenden Bauteils wie auch zur axialen Abtastung einer
Einzel- oder von Doppelspuren auf dem Umfang des abzutastenden Rotationskörpers. Bei den
abzutastenden Rotationskörpern
handelt es sich insbesondere um Geberräder, die entweder ferritisch ausgeführt sind
oder magnetisierbar sind.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 drei
standardisierte Sensorelemente, in deren oberer Stirnfläche oder
auch in Seitenflächen
jeweils elektrische Kontakte ausgebildet sind,
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2 das
Anbringen einer Flexfolie beziehungsweise von Flat Flexible Cables
an der oberen Stirnseite der standardisierten Sensorelemente gemäß der Darstellung
in 1,
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3 das
Anbringen beziehungsweise Ancrimpen des elektrischen Kabelabgangs
des Sensorsystems,
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4 die
Endumspritzung der Sensorelemente an ihrer oberen Stirnseite zur
Kapselung der elektrischen Kontaktstelle zwischen Flexfolie beziehungsweise
Flat Flexible Cable (FFC) oder ähnlichem
und den Anschlusskontakten der Sensorelemente,
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5 den
Signalverlauf bei einer Drehung eines Geberrades für einen
elektrischen Winkel und einen mechanischen Winkel,
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5.1 ein erfindungsgemäßes Sensorsystem in radialer
Ausrichtung zur Abtastung des Umfangs eines Rotationskörpers, wie
z. B. eines Ausnehmungen und Erhebungen aufweisenden Geberrades,
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6 das
erfindungsgemäß vorgeschlagene
Sensorsystem mit einer Sensorgruppe, die in diesem Ausführungsbeispiel
drei standardisierte Sensorelemente umfasst und in axialer Richtung
zum abzutastenden Rotationskörper
ausgerichtet ist, und wobei das Geberrad eine Doppelspur auf beiden
Seiten aufweist und
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7 eine
Sensorgruppe, deren Sensorelemente mit einer Flexfolie oder einem
Flat Flexible Cable (FFC) miteinander verbunden und axial angeordnet
sind und wobei das Geberrad an einer Seite eine Doppelspur umfasst.
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Ausführungsbeispiele
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Der
Darstellung gemäß 1 sind
drei standardisierte Sensorelemente zu entnehmen, in deren oberer
Stirnseite hier beispielsweise drei Kontakte eingelassen sind.
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In
der Darstellung gemäß 1 sind
ein erstes standardisiertes Sensorelement 11, ein zweites standardisiertes
Sensorelement 12 sowie ein drittes standardisiertes Sensorelement 13 dargestellt.
Jedes der Sensorelemente 11, 12 und 13 umfasst
eine Stirnseite 19, in der in der Darstellung gemäß 1 beispielsweise
drei elektrische Anschlüsse 17 vorgesehen
sind. Der Durchmesser eines jeden der standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13 ist
durch Bezugszeichen 15 gekennzeichnet. Der Durchmesser 15 sowie
die Höhe
der hier zylindrisch ausgebildeten standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13 sind
jeweils identisch. Eine Sensormantelfläche der standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13 ist
durch Bezugszeichen 21 gekennzeichnet.
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Das
erste standardisierte Sensorelement 11, das zweite standardisierte
Sensorelement 12 und das dritte standardisierte Sensorelement 13 umfassen
zum Beispiel jeweils einen integrierten Schaltkreis (IC). Werden
die erwähnten
standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13 z.
B. an einem aus einem magnetisierbaren Material gefertigten Geberrad eingesetzt,
so umfassen die standardisierten Sensorelemente 11, 12, 13 jeweils
Hintergrundmagneten, denen eine Homogenisierungsscheibe zur Vergleichmäßigung der
Magnetisierungswirkung zugeordnet ist. Handelt es sich bei dem abzutastenden
Rotationskörper
z. B. um ein Geberrad, welches aus magnetisiertem Material gefertigt
ist, so können
die Hintergrundmagneten und die Homogenisierungsscheiben hingegen
entfallen. Die standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13 können den
integrierten Schaltkreis (IC) auf einem Stanzgitter aufgebracht umfassen;
andererseits kann auch das Stanzgitter entfallen, wenn der integrierte
Schaltkreis (IC) unmittelbar auf die Flexfolie aufgebracht und dort
fixiert wird.
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Je
nachdem, ob die standardisierten Sensorelemente 11, 12 beziehungsweise 13 z.
B. zur Winkel- oder Drehzahlerfassung an einer Synchron- oder Asynchronmaschine
eingesetzt werden, können
spezielle Sensorelektroniken in den standardisierten Sensorelementen 11, 12 und 13 aufgenommen
sein.
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In
der Darstellung gemäß 1 sind
drei standardisierte Sensorelemente 11, 12 und 13 dargestellt,
die der Herstellung eines Sensorsystems 69 dienen, welches
z. B. an einer Synchronmaschine eingesetzt wird. Im Falle einer
Asynchronmaschine sind im Gegensatz zur Darstellung gemäß 1 lediglich
zwei standardisierte Sensorelemente, d.h. in diesem Falle das erste
standardisierte Sensorelement 11 und das zweite standardisierte
Sensorelement 12 erforderlich.
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Für das nachfolgend
beschriebene Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems für elektrische
Maschinen wird maximal ein applikationsspezifisches Kunststoffspritzwerkzeug
benötigt.
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2 ist
das Anbringen einer Flexfolie beziehungsweise von Flat Flexible
Cables (FFC) an den standardisierten Sensorelementen zu entnehmen.
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Wie
aus der Darstellung gemäß 2 hervorgeht,
werden die elektrischen Anschlüsse 17 des ersten
standardisierten Sensorelements 11, des zweiten standardisierten
Sensorelements 12 und des dritten standardisierten Sensorelements 13 von
einer hier eben ausgebildeten Flexfolie 23 überdeckt.
In der Flexfolie 23 befinden sich elektrische Anschlussleitungen 25,
die mit den jeweiligen elektrischen Anschlüssen 17 des ersten
standardisierten Sensorelements 11, des zweiten standardisierten
Sensorelements 12 sowie des dritten standardisierten Sensorelements 13 zum
Beispiel im Wege des Laserschweißens kontaktiert werden. Die
elektrischen Anschlüsse 17 der
standardisierten Sensorelements 11, 12 und 13 können auch
in deren Seitenfläche
ausgeführt und
direkt aus Flexfolie 23 oder Flat Flexible Cable (FFC)
hergestellt sein. Anstelle des Laserschweißens wären auch andere elektrische
Kontaktierungsverfahren wie z. B. Crimpen, Durchsetzfügen, Stanzen,
Löten,
Einschneidklemmkontaktierung oder gegebenenfalls das Widerstandsschweißen zu nennen. Nachdem
die drei standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13 mit
der Flexfolie 23 elektrisch verbunden sind, können zusätzliche
Bauteile wie zum Beispiel SMD (Surface Mounted Devices)-Kondensatoren
und/oder Widerstände
mit der Flexfolie 23 verbunden werden. Anstelle der in 2 dargestellten, eine
Ebene bildenden Flexfolie 23 können auch Flat Flexible Cables
(FFC) die einzelnen elektrischen Anschlüsse 17 der standardisierten
Sensorelemente 11, 12 und 13 elektrisch
miteinander verbinden.
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Entsprechend
der herzustellenden Stückzahl von
Sensorsystemen 69, so z. B. zur Verwendung in elektrischen
Maschinen wie Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen, ist eine
Variante einer Flexfolie 23 bzw. eines Flat Flexible Cables
(FFC) möglich,
maximal jedoch zwei. Im Falle des Einsatzes an elektrischen Maschinen
kann je nach Stückzahl
von zu produzierenden elektrischen Maschinen beispielsweise dann
eine Variante einer Flexfolie 23 bzw. eines Flat Flexible
Cables (FFC) ausreichend sein, wenn z. B. drei standardisierte Sensorelemente 11, 12 und 13 zu
kontaktieren sind (Variante Synchronmaschine) und bei der Variante
Asynchronmaschine, bei der hingegen nur zwei standardisierte Sensorelemente 11 und 12 eingesetzt
werden, ein Teil der Flexfolie 23 bzw. ein Teil des Flat
Flexible Cables (FFC) abgetrennt werden kann. Dies ist jedoch nur
bei kleinen bis mittleren Stückzahlen
der jeweils zu produzierenden elektrischen Maschinen sinnvoll. Werden
sowohl Asynchronmaschinen als auch Synchronmaschinen in großen Stückzahlen
produziert, ist es sinnvoller, zwei Varianten einer Flexfolie 23 bzw.
eines Flat Flexible Cables (FFC) einzusetzen.
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Der
Darstellung gemäß 3 ist
das Anbringen eines Kabelabgangs am Sensorsystem gemäß der Darstellung
in 2 zu entnehmen.
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Aus
der Darstellung gemäß 3 geht
hervor, dass ein Kabelabgang 27 hier beispielsweise oberhalb
des zweiten standardisierten Sensorelements 12 liegt. Anstelle
des in 3 am zweiten standardisierten Sensorelement 12 vorgesehenen Kabelabgangs 27 könnte dieser
genauso gut am ersten standardisierten Sensorelement 11 beziehungsweise
am dritten standardisierten Sensorelement 13 vorgesehen
sein. Mit dem Bezugszeichen 31 ist ein erster Abstand zwischen
den einzelnen standardisierten Sensorelementen 11 beziehungsweise 12 und 12 und 13 dargestellt.
Die standardisierten Sensorelemente 11, 12 bzw. 13 werden
mechanisch derart angeordnet, dass bei einer mechanischen Vorwärtsdrehung
eines Rotationskörpers,
z. B. eines Geberrades, zuerst ein erstes standardisiertes Sensorelement 11 passiert
wird und zuletzt das z. B. dritte standardisierte Sensorelement 13 passiert
wird. Der Abstand 31, der vorzugsweise zwischen 40 und 60
mm beträgt,
so z. B. 57 mm, ist so gewählt,
dass das erhaltene Sensorsystem bei 10°-, 20°- und 40°-Anordnungen des Sensorsystems
im Gehäuse der
elektrischen Maschine eingesetzt werden kann und demzufolge auch
unterschiedlichste Rotationskörperdurchmesser
abgedeckt werden können.
Bei der Montage des Sensorsystems 69 werden die sich zwischen
den Sensorelementen 11, 12 und gegebenenfalls 13 erstreckenden
Bereiche der Flexfolie 23 beziehungsweise der Flat Flexible
Cables entsprechend des sich zwischen den Sensorelementen 11, 12 oder 13 einstellenden
Abstandes entweder gestaucht und damit zusammengeschoben oder auseinander
gezogen.
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Mittels
des in 3 dargestellten ersten Abstands 31, vorzugsweise
zwischen 40 mm und 60 mm, so z. B. 57 mm, zwischen den einzelnen
standardisierten Sensorelementen 11 und 12 beziehungsweise 12 und 13 lassen
sich Geberraddurchmesser von 80 mm bis 300 mm abdecken.
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Nachdem
der in 3 dargestellte Kabelabgang 27 – im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
am zweiten standardisierten Sensorelement 12 vorgesehen
ist – hergestellt
ist, werden die standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13 im
Bereich ihrer elektrischen Anschlüsse 17 an der Stirnseite 19 und
der die Stirnseite 19 der standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13 abdeckende
Teil der Flexfolie 23 mit einem Kunststoffmaterial endumspritzt.
Alternativ kann die Flexfolie 23 oder das Flat Flexible
Cable (FFC) direkt mit dem IC des jeweiligen standardisierten Sensorelementes 11, 12 oder 13 durch
Laserschweißen,
Crimpen oder andere geeignete Verfahren kontaktiert werden. Eine
derartige Kontaktierung kann dann ebenfalls mit Kunststoff umspritzt
werden. Vorteile hierbei sind zum einen der Wegfall des Stanzgitters
und der erforderlichen Verbindungstechnik, was die Herstellkosten
reduziert und andererseits ein höherer
Flexibilitätsgrad,
falls Bauteile hinzutreten oder sich die Schnittstellen zum IC ändern, wenn
z. B. von einer Zweidraht- auf eine Dreidrahtschnittstelle umgestellt
wird. Dabei entsteht eine Einfassung 41, die den oberen
Teil der zylinderförmig ausgebildeten
Gehäuse
der standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13 umgibt.
Die elektrische Verbindungsstelle zwischen den einzelnen elektrischen Leiterbahnen 25,
die in der Flexfolie 23 verlaufen, beziehungsweise die
Bereiche der Flat Flexible Cables (FFC), die an der Stirnseite 19 der
einzelnen standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13 verlaufen, werden
somit gekapselt und gegen Beschädigung geschützt. In
jeder der Endumspritzung 29, welche den oberen Bereich
des zylinderförmig
ausgebildeten Gehäuses
der standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13 umgibt,
ist eine Montageöffnung 35 vorgesehen.
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Der
Darstellung gemäß 4 ist
entnehmbar, dass die einzelne elektrische Leiter 25 umfassende
Flexfolie 23 eben ausgebildet ist. Die Längserstreckung
der Flexfolie 23 beziehungsweise von Flat Flexible Cables
(FFC), die anstelle der ebenen Flexfolie 23 eingesetzt
werden können,
ist durch Bezugszeichen 37 identifiziert, während die
Breite der Flexfolie 23 beziehungsweise der Anordnung der
Flat Flexible Cables (FFC) durch Bezugszeichen 39 identifiziert
ist. Die einzelnen Endumspritzungen 29 sind nunmehr durch
die freien Bereiche der Flexfolie 23 beziehungsweise der
Flat Flexible Cables (FFC) flexibel miteinander verbunden, wodurch
die Handhabung beim Einbau erheblich vereinfacht wird, ohne die
elektrischen Kontakte zwischen den einzelnen standardisierten Sensorelementen 11, 12 und 13 miteinander
durch die Flexfolie 23 zu beeinträchtigen. Aus der Darstellung
gemäß 4 geht
hervor, dass die dort dargestellten standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13 allesamt
in einem ersten Abstand 31 in Bezug auf die Mantelfläche 21 der
standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13 angeordnet
sind. Durch die Ausbildung der Endumspritzung 29, welche
den oberen Teil des zylinderförmig
ausgebildeten Gehäuses
der standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13 in
einer Einfassung 41 umgibt, sind die elektrischen Verbindungen
zwischen den elektrischen Anschlüssen 17 und
den elektrischen Leitern 25, die in der Flexfolie 23 verlaufen,
beziehungsweise die entsprechenden Bereiche der Flat Flexible Cables
(FFC) gegen Beschädigung
und Feuchtigkeit gekapselt.
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Aus
den Darstellungen gemäß der 5 und 5.1 ist ein Signalverlauf eines digitalen Signals bei
Drehung eines Rotationskörpers
zur Erfassung eines elektrischen Winkels und/oder eines mechanischen
Winkels zu entnehmen.
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5 ist
entnehmbar, dass drei standardisierte Sensorelemente 11, 12 und 13 hinsichtlich
ihrer mechanischen Winkel um jeweils 10° mechanischer Winkel versetzt
angeordnet sind. Dem in 5 dargestellten Signalverlauf
bei einer Drehung eines Rotationskörpers 50, so z. B.
eines Geberrades, ist entnehmbar, dass zuerst das erste standardisierte Sensorelement 11 passiert
wird und zuletzt das dritte standardisierte Sensorelement 13.
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In
der Darstellung gemäß 5 sind
ein erster Signalverlauf 42 des ersten Sensorelementes 11, ein
zweiter Signalverlauf 43 des zweiten standardisierten Sensorelementes 12 sowie
ein dritter Signalverlauf 44 des dritten standardisierten
Sensorelementes 13 über
den elektrischen Winkel φ und
den mechanischen Winkel aufgetragen. Die Signalverläufe 42, 43, 44 können z.
B. durch ein als ein Geberrad einer elektrischen Maschine ausgestalteten
Rotationskörper 50 erzeugt
werden.
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Die
jeweils den Rotationskörper 50 abtastenden
Sensorelemente 11, 12 beziehungsweise 11, 12 und 13 nehmen
jeweils durch Segmente 88, jeweils eine Ausnehmung und
eine Erhebung umfassend, generierte High-Signale 45 beziehungsweise
Low-Signale 46 auf. Aus der Darstellung der Signalverläufe 42, 43 und 44 gemäß 5 geht
hervor, dass die jeweiligen Anfangsflanken der High-Zustände 45 in mechanischen
Winkeln gesehen um 10° hintereinander
liegen.
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Der
Rotationskörper 50 gemäß 5.1 umfasst eine Anzahl von äquidistant angeordneten Segmenten 88 in
der Anzahl n, wobei im Falle eines Geberrades als Rotationskörper 50,
n = 2p der Polpaarigkeit einer elektrischen Maschine entspricht.
Der Anordnung gemäß 5.1 ist zu entnehmen, dass sich am Außenumfang
des Rotationskörpers 50 eine Einfachspur 52 befindet.
Die Einfachspur 52 umfasst eine erste Ausnehmung 54,
der eine erste Erhebung 62 in Umfangsrichtung nachgeordnet
ist. An die erste Erhebung 62 schließt sich eine zweite Ausnehmung 56 an,
der ihrerseits eine zweite Erhebung 64 nachgeordnet ist.
An die zweite Erhebung 64 schließt sich eine dritte Ausnehmung 58 in
der Einfachspur 52 an, der eine dritte Erhebung 66 nachgeschaltet
ist. Aus der Darstellung gemäß 5.1 geht hervor, dass die Ausnehmungen 54, 56, 58 beziehungsweise
Erhebungen 62, 64, 66 durch ein Sensorsystem 69 abgetastet
werden, das in Bezug auf den Rotationskörper 50 in Radialausrichtung 68 angeordnet
ist. Das in 5.1 dargestellte Sensorsystem 69 umfasst
die drei standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13, die
miteinander durch die Flexfolie 23 beziehungsweise die
Flat Flexible Cables (FFC) verbunden sind. Aufgrund des engen Abstandes
ist die Flexfolie 23 zu Schlaufen zusammengeschoben. Innerhalb
der Einfachspur 52, gesehen in Umfangsrichtung, sind jeweils
eine Ausnehmung und eine Erhebung, welche zusammen ein Segment 88 bilden,
in einer Teilung 60 von z. B. 10° angeordnet. Die Teilung 60 kann
selbstverständlich
auch in anderen Winkelgraden als 10° ausgebildet werden, abhängig vom
Durchmesser des Rotationskörpers 50 sowie
der Genauigkeit, in welcher die Winkellage, die Drehzahl oder die
Rotationslage des Rotationskörpers 50 erfasst
werden soll.
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Werden
ein Segment oder zwei Segmente um 360° mit elektrisch / 2p·n (mit n = 1, 2, 3, 4, 5...12)
(was einer Segmentbreite S entspricht) versetzt angeordnet, was
für 2p
= 12 zu einem me chanischem Winkelversatz von 30° führte, ist das hieraus generierte
Signal gleich dem der vorhergehenden Position. Eine mögliche Anordnung
bei einer beispielsweise zwölfpolpaarig
ausgebildeten elektrischen Maschine mit einer Segmentbreite S (Teilung 60)
von 30° liegt
z. B. bei 2 × 10° bzw. 2 × 40° usw. Des
Weiteren ist es möglich, die
standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13 in einer
20°-Anordnung
zu montieren. Hierbei entspricht das Ausgangssignal der Bitfolge
der Rückwärtsfahrt.
Werden die standardisierten Sensorelemente 11, 12, 13 einer
Sensorbaugruppe 69 in einem anderen mechanischen Winkel
in Bezug auf den abzutastenden Rotationskörper angeordnet, ist es einfacher,
die Steckerkonfiguration zu ändern.
Auch die Steckerbelegung kann sich ändern, der Signalverlauf bleibt
jedoch gleich.
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Mögliche mechanische
Anordnungen der standardisierten Sensorelemente sind demnach durch
die Winkellagen 20°,
50°, 80° und 110° gegeben.
Asymmetrische Anordnungen, wie sie beispielsweise durch die Winkellagen
10° bzw.
40° gegeben sind,
liefern ebenfalls das gleiche Signal.
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Das
erfindungsgemäß vorgeschlagene
Sensorsystem ist in 6 in Axialausrichtung einem
Rotationskörper
zugeordnet, der als doppelspuriges Geberrad ausgeführt ist.
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Das
Sensorsystem 69 gemäß der Darstellung
in 6 umfasst drei standardisierte Sensorelemente 11, 12 bzw. 13,
die über
die Flexfolie 23 beziehungsweise ein Flat Flexible Cable
(FFC) miteinander verbunden sind. Die Flexfolie 23 beziehungsweise
die FFC bilden aufgrund des geringen Abstandes, in welchem die standardisierten
Sensorelemente 11, 12, 13 innerhalb des
Sensorsystems 69 zueinander angeordnet sind, jeweils Schlaufen.
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Jedes
der standardisierten Sensorelemente 11, 12 beziehungsweise 13 umfasst
einen Sensorkopf 70, welcher in der Darstellung gemäß 6 eine
Seite einer Doppelspur 82 (axial) am Außenumfang des Rotationskörpers 50 abtastet.
Das Sensorsystem 69 gemäß der Darstellung
in 6 ist ebenfalls in Axialausrichtung 80 orientiert
und tastet den Umfang des Rotationskörpers 50 von dessen
Vorder- oder Rückseite
her ab. Jedes der drei standardisierten Sensorelemente umfasst ein
Sensorgehäuse, gebildet
durch die Sensormantelfläche 21.
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Die
Doppelspur 82 am Außenumfang
des Rotationskörpers 50 umfasst
die jeweils versetzt zueinander in Einzelaxialspuren 84, 86 der
Doppelspur 82 ausgeführten
Ausnehmungen 54, 56, 58 beziehungsweise
die dazugehörigen
Erhebungen 62, 64, 66. Mit dem durch
Bezugszeichen 78 gekennzeichneten Pfeil sind die beiden
Rotationsrichtungen des Rotationskörpers 50 angedeutet.
Der Durchmesser des jeweiligen Sensorkopfes 70 der drei
standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13 entspricht
im Ausführungsbeispiel
gemäß 6 etwa
der in Umfangsrichtung des Rotationskörpers 50 gesehenen Längserstreckung
der einzelnen Ausnehmungen 54, 56 beziehungsweise 58.
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Die
von den Sensorköpfen 70 jeweils
aufgenommenen High- bzw. Low-Zustände 45, 46 (vergleiche
Darstellung gemäß 5)
werden von Signalleitungen 74 an eine Kontaktbrücke 76 der
jeweiligen standardisierten Sensorelemente 11, 12 und 13 übertragen.
Die Weiterleitung der jeweiligen Signale erfolgt über einen
Kabelabgang 27, der von einem Kabelstecker überstülpt ist,
an ein Steuergerät,
in dem die Signale des Sensorsystems 69 weiterverarbeitet werden.
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Der
Darstellung gemäß der 7 ist
eine weitere Ausführungsvariante
des Sensorsystems zu entnehmen, bei der in Axialausrichtung eine
Einfachaxialspur eines Rotationskörpers abgetastet wird.
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7 zeigt
das Sensorsystem 69, dessen standardisierte Sensorelemente 11, 12, 13 in
Axialausrichtung 80 in Bezug auf den abzutastenden Rotationskörper 50 angeordnet
sind. Die dargestellten standardisierten Sensorelemente 11, 12, 13 sind durch
die Flexfolie 23 bzw. Flat Flexible Cables (FFC) miteinander
verbunden. Die Flexfolie 23 beziehungsweise die Flat Flexible
Cables (FFC) sind zusammengeschoben und bilden Schlaufen, da in
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 7 die
dargestellten drei standardisierten Sensorelemente 11, 12, 13 einem Rotationskörper 50 zugeordnet
sind, dessen Erhebungen 64, 66 und dessen Ausnehmungen 54, 56 nah
beieinander liegen. Aufgrund dieses Applikationszweckes ergibt sich
eine Anordnung, bei der die standardisierten Sensorelemente 11, 12, 13 relativ nah
zueinander liegen, was ein Zusammenschieben der Flexfolie 23 beziehungsweise
der FFC gemäß 7 zur
Folge hat. In der Darstellung gemäß 7 ist das
Sensorsystem 69 in Axialanordnung 80 einer Axialeinzelspur 84 eines
Rotationskörpers 50 zugeordnet.
Aufgrund des größeren Durchmessers
des Rotationskörpers 50 kann
die Erstreckung der einzelnen Segmente 88 jeweils eine
Ausnehmung 54 und eine Erhebung 64 umfassend,
in Umfangsrichtung des Rotationskörpers 50 gesehen,
größer gewählt werden
und in einer größeren Teilung 60 ausgelegt werden,
so z. B. 15° oder
20°.
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Aufgrund
der größeren Teilung 60 ergeben sich
zwischen den einzelnen standardisierten Sensorelementen 11, 12, 13 des
Sensorsystems 69 größere Abstände in Bezug
aufeinander. Der größere Abstand
zwischen den standardisierten Sensorelementen 11, 12 und 13 des
Sensorsystems 69 kann wiederum durch die Flexfolie 23 beziehungsweise
die FFC ausgeglichen werden, indem diese weiter auseinander gezogen
werden.
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Das
Sensorsystem 69 gemäß 7 kann auch
in Radialausrichtung 68 angeordnet werden, die einer Einzelspur 52 des
Rotationskörpers 50 zugeordnet
ist. Die einzelnen Sensor köpfe 70 der
standardisierten Sensorelemente 11, 12 beziehungsweise 13 sind
so ausgebildet, dass der Durchmesser des Sensorkopfes 70 etwa
der Umfangserstreckung einer der Ausnehmungen 54, 56, 58 beziehungsweise einer
der Erhebungen 62 beziehungsweise 64 entspricht.
-
Mit
dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensorsystem 69 lasst
sich eine Abstandsveränderung
zwischen den einzelnen standardisierten Sensorelementen 11, 12 und 13 des
Sensorsystems 69 bei Austausch des abzutastenden Rotationskörpers 50 sehr
einfach bewerkstelligen, da bei der Abtastung eines mit einer größeren Teilung 60 beziehungsweise
einer geringeren Teilung 60 hinsichtlich der Segmente 88 einer
Einfach- oder einer Doppelspur eine sich ergebende Abstandsverringerung
sehr einfach durch eine Stauchung der Flexfolie 23 beziehungsweise
der FFCs kompensiert wird und eine Abstandsvergrößerung durch eine Längung der
Flexfolie 23 ausgeglichen wird.