DE102006020700A1 - Mechanical unit`s angle of rotation detecting device, has sensor e.g. field angle sensor, arranged lateral to rotating unit, where sensor detects magnetic field angle in plane perpendicular to rotational axis - Google Patents

Mechanical unit`s angle of rotation detecting device, has sensor e.g. field angle sensor, arranged lateral to rotating unit, where sensor detects magnetic field angle in plane perpendicular to rotational axis Download PDF

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Abstract

The device has a transducer magnet (1) fastened at a mechanical unit, and a sensor (7) e.g. field angle sensor, arranged lateral to a rotating unit, where the sensor detects a magnetic field angle in a plane perpendicular to a rotational axis. The magnet is magnetized perpendicular to the rotational axis diametrically or laterally. The magnet is formed as a rotation body consisting of two symmetric parts with same magnetization, where the parts are axially separated at a height of the sensor by a tapered magnetic area or a gap. The magnet consists of a plastic-bounded magnetic material.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Drehwinkelerfassung vermittels von Dauermagneten und Feldwinkelsensoren. Die berührungslose magnetische Erfassung des Drehwinkels eines konstruktiven Elementes, z.B. einer Welle, mit einem daran fixierten sich mitdrehendem Gebermagneten geschieht konventionell über die Auswertung einer magnetischen Feldkomponente, gemessen z.B. mit Hallsensoren, oder über die Auswertung des Feldwinkels, der mithilfe zum Beispiel magnetoresistiver Sensoren oder Hall-arrays gemessen wird. Sensoren, die den Feldwinkel erfassen, lassen sich grundsätzlich in zwei Positionen anbringen. Zum einen kann der Sensor auf der Drehachse stirnseitig vor dem konstruktiven Element angeordnet sein. Bei einer durchgehenden Welle oder wenn aus Platzgründen eine stirnseitige Anordnung nicht infrage kommt, kann der Sensor seitlich der Welle angeordnet sein, wobei der Gebermagnet diametral (d.h. zweipolig) oder an der Außenseite mehrpolig lateral magnetisiert ist.The The invention relates to a device for detecting the rotation angle of permanent magnets and field angle sensors. The non-contact magnetic detection of the angle of rotation of a structural element, e.g. a wave, with a rotating encoder magnet fixed to it happens conventionally over the evaluation of a magnetic field component, measured e.g. with Hall sensors, or over the evaluation of the field angle using, for example, magnetoresistive sensors or Hall arrays is measured. Sensors that detect the field angle, can be basically in two positions. For one, the sensor on the Rotary axis be arranged frontally before the structural element. For a continuous wave or if space reasons one Frontal arrangement is out of the question, the sensor can side the shaft, the encoder magnet being diametrically (i.e. bipolar) or on the outside multipolar is laterally magnetized.

Während sich das Feld bei einer stirnseitigen Sensoranordnung auf der Achse synchron mit dem Drehwinkel des Magneten mitdreht, zeigt die Felddrehung bei einem seitlich angeordneten Sensor in Bezug auf die Drehung der Welle einen mehr oder wenig stark nicht linearen Verlauf. Dies erschwert die Auswertung und führt insbesondere in dem Bereich, über den die Felddrehung unterproportional langsam zur mechanischen Rotation verläuft, zu einem erhöhten Meßfehler.While the field in a front-end sensor arrangement on the axis synchronously rotates with the rotation angle of the magnet, shows the field rotation with a laterally arranged sensor with respect to the rotation the wave a more or less strong non-linear course. This complicates the evaluation and leads especially in the field, about the field rotation is less slowly proportional to the mechanical rotation runs, to an increased Measurement error.

In der Patentschrift DE 602 03 366 T2 ist ein Verfahren zur Linearisierung vorgestellt, welches zwei Magnetfeldumformer und eine Auswertung auf der Sensorseite erfordert. Die in dem Anspruch 5 der Patentschrift definierte Magnetisierung beschreibt mathematisch eine außen mehrpolge laterale Magnetisierung und erzeugt keine ausreichende Linearität.In the patent DE 602 03 366 T2 a method for linearization is presented, which requires two magnetic field converters and an evaluation on the sensor side. The magnetization defined in claim 5 of the patent mathematically describes an outer multi-polar lateral magnetization and does not produce sufficient linearity.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, bei welcher die Drehung eines konstruktiven Elementes mit daran befestigten Magneten über einen Feldwinkelsensor außerhalb der Achse erfaßt wird, und bei welcher der vom Sensor erfaßte Winkel möglichst linear über eine gesamte Umdrehung des Drehelementes den mechanischen Winkel widerspiegelt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein diametral oder lateral mehrpolig magnetisierter Magnet aus zwei symmetrischen Hälften gleicher Magnetisierung aufgebaut ist, die in achsialer Richtung eine starke geometrische Verjüngung oder einen unmagnetischen Werkstoff oder unmagnetisierten Bereich aufweisen, oder daß durch einen Spalt in achsialer Richtung auf Höhe des Drehwinkelsensors 2 gleich große rotationssymetrische Magnete paralleler Magnetisierung getrennt angeordnet sind. Hierbei ist das Spaltmaß oder die Verjüngung so auf den radialen Abstand des Sensors angepaßt, daß der gemessene Feldwinkel sich linear zum mechanischen Drehwinkel der Achse verhält, wobei der gemessene Drehwinkel αmag sich bei 2n Polen des Magneten zum mechanischen Drehwinkel αMech in guter Näherung linear verhält gemäß: αmag = –nαMech Object of the present invention is to provide a device in which the rotation of a structural element with magnets attached thereto is detected via a field angle sensor outside the axis, and in which the detected by the sensor angle as linear as possible over an entire revolution of the rotary element mechanical Angle reflects. According to the invention the object is achieved in that a diametrically or laterally multi-pole magnetized magnet of two symmetrical halves of the same magnetization is constructed, which have a strong geometric taper or a non-magnetic material or unmagnetized area in the axial direction, or that by a gap in the axial direction Height of the angle of rotation sensor 2 equally large rotationally symmetric magnets parallel magnetization are arranged separately. Here, the gap or the taper is adapted to the radial distance of the sensor that the measured field angle is linear to the mechanical rotation angle of the axis, wherein the measured angle of rotation α mag at 2n poles of the magnet for mechanical rotation angle α Mech linearly to a good approximation behaves according to: α like = -Nα Mech

Im einfachsten Fall besteht damit der magnetische Geber aus 2 Magnetscheiben oder Magnetringen, die parallel magnetisiert sind und durch einen magnetisch nicht wirksamen Spalt getrennt sind. Anstatt einfacher Ringe können auch in Stufen abgesetzte rotationssymmetrische Körper verwendet werden, wobei der Magnet dann durch den größten Durchmesser charakterisiert wird. Der Spalt kann offen sein, wenn beispielsweise die Ringmagnete auf der Achse in dem entsprechenden Abstand fixiert sind, oder er kann durch ein Distanzstück, z.B. einen unmagnetischen Kunststoffring oder einen stark verjüngten Magnetbereich oder einen nicht magnetisierten Bereich aus dem gleichen Magnetwerkstoff dargestellt sein.in the The simplest case is that the magnetic encoder consists of 2 magnetic disks or magnet rings that are magnetized in parallel and magnetically not effective gap are separated. Instead of simple rings can also used in stages offset rotationally symmetric body, wherein the magnet then by the largest diameter is characterized. The gap may be open, for example the ring magnets are fixed on the axle at the appropriate distance, or he can by a spacer, e.g. a nonmagnetic plastic ring or a highly tapered magnet area or a non-magnetized region of the same magnetic material be shown.

Bei diametraler Magnetisierung (2n = 2) wird das lineare Verhalten dadurch am günstigsten, dass bei einem (größten) Außendurchmesser von 8 mm–60 mm der Spalt oder der magnetisch unwirksame Bereich auf Höhe des Sensors im Bereich 1 mm bis 12 mm, vorzugsweise 2–10 mm liegt, und dass die Meßfläche des Winkelsensors auf einem größeren Durchmesser als dem (größten) Außendurchmesser der beiden Gebermagnethälften aber nicht mehr als radial 6 mm hierzu nach außen verschoben liegt. Für Magnetabmessungen, die deutlich größer oder kleiner als der genannte Außendurchmesser sind, vergrößern/verkleinern sich die gegebenen Abmessungen entsprechend.at diametral magnetization (2n = 2) becomes the linear behavior by the cheapest, that at one (largest) outer diameter from 8mm-60 mm, the gap or the magnetically inactive area at the level of the sensor in the range 1 mm to 12 mm, preferably 2-10 mm, and that the Measuring surface of Angle sensor on a larger diameter as the (largest) outer diameter the two donor magnet halves but not more than radially displaced 6 mm to the outside. For magnet dimensions, the significantly larger or are smaller than said outer diameter, Zoom In / Out the given dimensions correspond.

Für lateral mehrpolig (2n > 2) magnetisierte Magnethälften, bei denen der Feldwinkel sich mit mehrfacher Rotation per Umdrehung des mechanischen Elementes dreht, liegt bei gleichem (größten) Außendurchmesser der Gebermagnethälften der günstigste Meßabstand maximal 4 mm radial außerhalb des (größten) Außendurchmessers und der Spaltbereich beträgt 0,5 mm bis 10 mm vorzugsweise 1 mm bis 6 mm. Hierbei sind vorzugsweise 4 bis 8 Polen lateral zu verwenden, da bei größerer Polzahl das Magnetfeld für heute gängige Sensortypen zu gering wird.For lateral multipolar (2n> 2) magnetized magnet halves, where the field angle with multiple rotation per revolution of the mechanical element rotates, lies with the same (largest) outer diameter the donor magnet halves the cheapest measuring distance maximum 4 mm radially outside of the (largest) outer diameter and the gap range is 0.5 mm to 10 mm, preferably 1 mm to 6 mm. These are preferably 4 to 8 poles to use laterally, as with larger number of poles, the magnetic field for today common Sensor types is too low.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Gebermagnethälften ist es möglich, die Gebermagnethälften als rotationssymmetrische Körper kostengünstig zu gestalten, es ist aber auch möglich, den Teilen des Gebermagneten Anflächungen, Verzahnungen, Kerben oder ähnliche Verdrehsicherungen zur Ausrichtung und Fixierung z.B. auf der Welle zu geben. Zur Formgestaltung des Gebermagneten sind kunststoffgebundene Magnetwerkstoffe besonders vorteilhaft, da diese im Spritzgußverfahren oder formpreßtechnisch auch in komplexer Geometrie hergestellt werden können. Zur Erreichung eines ausreichenden Meßsignales sind je nach Empfindlichkeit und Größe der Sensoren insbesondere Magnetwerkstoffe auf Basis von Seltenerdübergangsmetallen von Vorteil.The inventive arrangement of the Gebermagnethälften it is possible to make the Gebermagnethälften cost as a rotationally symmetrical body, but it is also possible that Parts of the encoder magnet To give surface areas, toothings, notches or similar anti-rotation devices for alignment and fixation, eg on the shaft. For the design of the encoder magnet plastic-bonded magnetic materials are particularly advantageous because they can be produced by injection molding or molding technology in complex geometry. Depending on the sensitivity and size of the sensors, magnetic materials based on rare earth transition metals are particularly advantageous for achieving a sufficient measuring signal.

Die Erfindung wird anhand des folgenden Beispieles für einen diametral magnetisierten (d.h. zweipoligen) Magneten erläutert:The The invention will be described with reference to the following example of a diametrically magnetized (i.e., bipolar) magnets explained:

In der 1 ist ein Magnetring auf einer Achse nach dem Stand der Technik mit einem seitlich angeordneten Winkelsensor in seitlicher Ansicht gezeigt. 2 zeigt die gleiche Anordnung in der Aufsicht. Der Winkelsensor erfaßt den Feldwinkel in der Ebene senkrecht zur Drehachse. In der 3 ist der mechanische Drehwinkel gegen den Feldwinkel am Sensorort beispielhaft auf einem Meßkreis von 42 mm für ein Ringmagnet mit diametraler Magnetisierung, dem Außendurchmesser 35 mm, dem Innendurchmesser 10 mm und der Höhe von 8 mm dargestellt.In the 1 a magnetic ring on a prior art axis is shown with a laterally disposed angle sensor in a side view. 2 shows the same arrangement in the supervision. The angle sensor detects the field angle in the plane perpendicular to the axis of rotation. In the 3 the mechanical angle of rotation against the field angle at the sensor location is exemplified on a measuring circle of 42 mm for a ring magnet with diametral magnetization, the outside diameter 35 mm, the inside diameter 10 mm and the height of 8 mm.

4 und 5 zeigen die beiden Ansichten für die erfindungsgemäße Einrichtung, wobei der magnetische Geber durch die beiden Hälften (1a und 1b) ober- und unterhalb der Sensorebene definiert ist. In diesem Beispiel ist der Abstand der Gebermagnethälften durch einen verjüngten Zwischenbereich aus Magnetmaterial auf der Höhe des Sensors ausgebildet. Dies dient einer einteiligen Magnetgestaltung. Der Gebermagnet kann gleichermaßen aus zwei separaten Magnetringen bestehen. Ebenso können zwei Ringen durch ein unmagnetisches Distanzstück oder durch einen unmagnetisierten oder schwach magnetisierten Teil des Magnetmateriales getrennt sein. In 6 ist der resultierende Winkelverlauf des Magnetfeldes in Bezug zur Magnetdrehung für das Beispiel aus 4 und 5 gezeigt, wobei die Ringhöhe von 2 × 6 mm und die Verjüngung auf den Durchmesser 16 mm über eine Höhe von 11,6 mm den besonders linearen Verlauf bewirken. Die weiteren Abmessungen sind identisch zum Beispiel aus 3. 4 and 5 show the two views of the device according to the invention, wherein the magnetic encoder through the two halves ( 1a and 1b ) is defined above and below the sensor plane. In this example, the distance of the donor magnet halves is formed by a tapered intermediate region of magnetic material at the level of the sensor. This serves a one-piece magnet design. The transmitter magnet can equally consist of two separate magnetic rings. Likewise, two rings may be separated by a non-magnetic spacer or by an unmagnetized or weakly magnetized part of the magnetic material. In 6 For example, the resulting angular variation of the magnetic field with respect to the magnetic rotation is for the example 4 and 5 shown, with the ring height of 2 × 6 mm and the taper to the diameter of 16 mm over a height of 11.6 mm cause the particularly linear course. The other dimensions are identical to for example 3 ,

In 7 ist ein Beispiel dargestellt, in dem der Gebermagnet aus zwei Ringen besteht. Der lineare Winkelverlauf ist für zwei Ringmagnete mit einem Außendurchmesser von 45 mm, einem Innendurchmesser von 28,6 mm und einer Höhe von 10 mm mit einem achsialen Abstand von 9,2 mm gezeigt, wenn die Meßfläche des Winkelsensors beispielsweise auf einem Meßkreis von 55 mm liegt.In 7 an example is shown in which the encoder magnet consists of two rings. The linear angle is shown for two ring magnets having an outer diameter of 45 mm, an inner diameter of 28.6 mm and a height of 10 mm with an axial distance of 9.2 mm, when the measuring surface of the angle sensor, for example, on a measuring circle of 55 mm lies.

11
Gebermagnetsensor magnet
1a1a
Magnethälfte, Teil des GebermagnetenMagnet half, part of the encoder magnet
1b1b
zu 1a symmetrische 2. Magnethälfteto 1a symmetrical 2nd half of the magnet
22
Drehachseaxis of rotation
33
Magnetisierungmagnetization
44
Feldrichtungfield direction
55
Drehrichtung der Drehachse und des Magnetendirection of rotation the axis of rotation and the magnet
66
Drehrichtung des Magnetfeldesdirection of rotation of the magnetic field
77
Sensorsensor
88th
Welle oder Teil eines konstruktiven Elementeswave or part of a constructive element
99
verjüngter Zwischenbereich des Magneten oder unmagnetisches Distanzstück oder nicht magnetisierter Bereich des MagnetenTapered intermediate area of the magnet or non-magnetic spacer or non-magnetized Area of the magnet

Claims (6)

Einrichtung zur Drehwinkelerfassung eines mechanischen Elementes mit einem an dem mechanischen Element befestigtem Gebermagneten und mindestens einem seitlich zum Drehelement angeordneten Sensor, der den Magnetfeldwinkel in der Ebene senkrecht zur Drehachse erfaßt, wobei der Gebermagnet senkrecht zur Drehachse diametral (d.h. zweipolig) oder lateral mehrpolig magnetisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet als Rotationskörper aus zwei symmetrischen Teilen mit gleicher Magnetisierung besteht und die beiden Teile achsial auf Höhe des Sensors durch einen verjüngten Magnetbereich oder einen Spalt oder einen nicht magnetischen Abstandhalter oder einen unmagnetisierten Bereich getrennt sindDevice for detecting the angle of rotation of a mechanical element with a sensor magnet attached to the mechanical element and at least one laterally arranged to the rotary element sensor which detects the magnetic field angle in the plane perpendicular to the axis of rotation, wherein the transmitter magnet is perpendicular to the axis of rotation diametrically (ie bipolar) or laterally multi-pole magnetized , characterized in that the encoder magnet as a body of revolution consists of two symmetrical parts with the same magnetization and the two parts are axially separated at the level of the sensor by a tapered magnetic region or a gap or a non-magnetic spacer or a non-magnetized region Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet aus zwei gleich großen diametral parallel magnetisierten Magnetringen besteht, die auf einer Welle durch einen Spalt und/oder Abstandshalter auf Höhe des Sensors getrennt montiert sind, wobei zur Ausrichtung der Gebermagnetteile die Ringe eine oder mehrere Anflächungen, Kerbungen, Verzahnungen oder vergleichbare Ausformungen habenDevice according to claim 1, characterized that the encoder magnet of two equal diametrically parallel magnetized Magnetic rings are made on a shaft through a gap and / or Spacer at height the sensor are mounted separately, wherein the orientation of the encoder magnet parts the rings one or more flats, Have notches, gears or similar formations Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass der (maximale) Durchmesser der symmetrischen Gebermagnetteile im Bereich zwischen 8 und 60 mm liegt, der Meßbereich des Sensors auf einem Radius liegt, der größer aber maximal 6 mm größer als der (maximale) Halbdurchmesser der Gebermagnetteile ist, die Gebermagnetteile parallel zueinander diametral magnetisiert sind und durch einen verjüngten oder unmagnetischen Bereich oder einen Spalt von 2 bis 10 mm Breite getrennt sindDevice according to one of claims 1-2, characterized that the (maximum) diameter of the symmetrical transmitter magnet parts in Range is between 8 and 60 mm, the measuring range of the sensor on a Radius is the larger but maximum 6 mm larger than the (maximum) half diameter of the encoder magnet parts is the encoder magnet parts are diametrically magnetized parallel to each other and by a tapered or non-magnetic area or a gap of 2 to 10 mm width are separated Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der (maximale) Durchmesser der symmetrischen Gebermagnetteile im Bereich zwischen 8 und 60 mm liegt, der Meßbereich des Sensors auf einem Radius liegt, der größer aber maximal 4 mm größer als der (maximale) Halbdurchmesser der Gebermagnetteile ist, die Gebermagnetteile parallel zueinander lateral 4–8 polig magnetisiert sind und durch einen verjüngten oder unmagnetischen Bereich oder einen Spalt von einem bis 6 mm Breite getrennt sindDevice according to claim 1, characterized in that the (maximum) diameter of the symmetrical transmitter magnet parts in the range zwi is 8 and 60 mm, the measuring range of the sensor is at a radius which is greater than 4 mm larger than the (maximum) half diameter of the encoder magnet parts, the encoder magnet parts parallel to each other laterally 4-8 pole magnetized and by a tapered or non-magnetic Area or a gap of one to 6 mm wide are separated Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet aus einem kunststoffgebundenen Magnetmaterial bestehtDevice according to one of claims 1-4, characterized that the encoder magnet made of a plastic-bonded magnetic material consists Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Gebermagneten eine in einer Kunststoffmatrix eingebettete Legierung von Seltenerd- und Übergangsmetallen istDevice according to claim 5, characterized in that that the material of the transmitter magnet one in a plastic matrix embedded alloy of rare earth and transition metals
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