DE102007004647B4

DE102007004647B4 - Verfahren zur präzisen Erfassung der absoluten Winkelposition eines rotierbaren Bauteils

Info

Publication number: DE102007004647B4
Application number: DE102007004647A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. Velling
Original assignee: Lenord Bauer and Co GmbH
Current assignee: Lenord Bauer and Co GmbH
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: DE102007004647A1

Abstract

Verfahren zur Erfassung der absoluten Winkelposition eines rotierbaren Bauteils, insbesondere einer Welle, bei dem in einer ersten ortsfesten Einheit mindestens zwei unabhängige magneto-resistive Sensorpaare (3) in unmittelbarer Nähe einer Magnetfeldquelle (4) angeordnet sind und durch diese vormagnetisiert werden und in einer zweiten, mit dem Bauteil rotierenden Einheit (5) mindestens ein Modulator (6, 6a, 6b) durch Überdeckungselemente (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) den magnetischen Fluss der Magnetfeldquelle (4) am Ort der Sensorpaare (3) periodisch in Dichte und/oder Richtung mit einem Winkelunterschied von einer viertel Überdeckungsperiode zwischen den Sensoren je eines Sensorpaares (3) verändert, wobei unterschiedliche Sensorpaare (3) mit einer voneinander abweichenden Überdeckungsperiodenlänge bei Rotation des Bauteils durch die Verwendung des rotierenden Bauteils selbst als Träger für die Überdeckungselemente (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) des Modulators (6, 6a, 6b) erregt werden und wobei als erste ortsfeste Einheit die Verwendung eines Gleitschuhs (11, 11a, 11b) mit Sensoren und Magnetfeldquelle...

Description

Verfahren zur Erfassung der absoluten Winkelposition eines rotierbaren Bauteils, insbesondere einer Welle, bei dem in einer ersten ortsfesten Einheit mindestens zwei unabhängige magneto-resistive Sensorpaare in unmittelbarer Nähe einer Magnetfeldquelle angeordnet sind und durch diese vormagnetisiert werden und in einer zweiten, mit dem Bauteil rotierenden Einheit mindestens ein Modulator durch Überdeckungselemente den magnetischen Fluss der Magnetfeldquelle am Ort der Sensorpaare periodisch in Dichte und/oder Richtung mit einem Winkelunterschied von einer viertel Überdeckungsperiode zwischen den Sensoren je eines Sensorpaares verändert, wobei unterschiedliche Sensorpaare mit einer voneinander abweichenden Überdeckungsperiodenlänge bei Rotation des Bauteils, durch die Verwendung des rotierenden Bauteils selbst als Träger für die Überdeckungselemente des Modulators erregt werden sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Antriebe für rotierende Maschinenbauteile, speziell Wellenantriebe, mit hochdynamischem Regelverhalten benötigen zur Drehzahlmessung die Zustandsgrößen „Rotorlage” und „Drehzahl”. Die Anzahl der zur Regelung benötigten Datenpunkte ist um so höher, je höher das dynamische Verhalten oder je langsamer die Umdrehungszahl des rotierenden Bauteils beziehungsweise der Welle ist. Mit dem Aufkommen hochpräziser Technologien, die immer höhere Anforderungen an den Gleichlauf von Wellen stellen, wächst ein Bedarf an immer präziseren Wellenantriebsteuerungen. Die Präzision der Steuerung ist dabei abhängig von der Auflösung der Winkelgeber und der Geschwindigkeitsmesser, die das Eingangssignal für die Antriebsregelung zur Verfügung stellen.
Zur Messung von Bauteilwinkel- beziehungsweise Wellenlage wurden in der Vergangenheit viele verschiedene Technologien entwickelt, diese mit immer höherer Präzision zu bestimmen. Dabei besteht eine strenge Korrelation zwischen Präzision der Winkelaufnahme und der Präzision der daraus zur Messung bestimmten Winkelinformation.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 40 065 A1 wird deshalb ein Verfahren zur Messung der absoluten Winkelposition vorgeschlagen, in der drei unterschiedliche, aber miteinander verbundene Modulatoren unterschiedliche Sensorpaare beeinflussen, wobei die unterschiedlichen Modulatoren wie ein Nonius auf einer Schieblehre angeordnet sind, sodass durch das Noniusprinzip die Präzision der Winkelbestimmung erheblich erhöht werden kann.
Das in der oben genannten Offenlegungsschrift gelehrte Verfahren zur hochpräzisen Winkelmessung benötigt einen verlässlichen Abstand zwischen Modulator und Sensor. Bei geringen Exzentrizitäten oder geringen Taumelbewegungen des Modulators, die durch mechanische Toleranzen bei der Befestigung auftreten, wird die Ablesegenauigkeit im Verfahren beeinträchtigt und somit ist der Präzision der Winkelbestimmung eine natürliche Grenze gesetzt. Zwar werden im Stand der Technik Verfahren gelehrt, mechanisch bedingte Toleranzen wie Exzentrizität und Taumelbewegung durch rechnerische Schritte auszugleichen, jedoch ist es von Vorteil, wenn gerade solche Artefakte, die aufwändig kompensiert werden müssen, von vornherein vermieden werden.
Aus der DE 10 2004 011 125 A1 ist ein Lenkwinkelsensor bekannt, bei dem zur Bestimmung der Drehwinkelstellung eines Lenkrades von einer Endpole aufweisenden Magnetspur und zugehörigen Magnetfeldsensoren ausgegangen wird.
Aus der DE 10 2004 062 284 A1 ist ein Magnetdetektor bekannt, welcher ebenfalls mit Magnetsensoren arbeitet und eine Codierscheibe zur Erzeugung eines Sinus- und Cosinussignales abtastet.
Aus dem US-Patent 5,115,239 ist eine magnetische Vorrichtung zur Feststellung der absoluten Position sowie ein Encoder zur Ermittlung der Ausgangssignale bekannt.
Der vorgenannte Stand der Technik geht immer wieder von dem gleichen Prinzip aus, und zwar Verwendung von Codespuren und Sensoren, um Sinus- und Cosinussignale zu erhalten. Es werden jedoch keine speziellen Lösungsprobleme aufgezeigt, wie eine Präzisionserhöhung der vorgenommenen Messung erfolgen kann und eine gleichbleibende Signalqualität gewährleistet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Präzision der Winkelmessung zu erhöhen, wobei gleichzeitig die Kosten für die erhöhte Präzision möglichst gering gehalten werden sollen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung einer ersten ortsfesten Einheit in Form eines Gleitschuhs mit Sensoren und Magnetfeldquelle, welcher gegenüber den Überdeckungselementen angeordnet wird und sich in mechanischen Kontakt mit den Überdeckungselementen befindet, wobei eine Füllung aus einem nicht magnetischen oder unmagnetischen Material jeweils zwischen den Überdeckungselementen angeordnet wird. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen zu diesem Verfahrensanspruch.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Winkelgeber vorgeschlagen, bei dem ein Gleitschuh mit Sensoren und Magnetfeldquelle als erste ortsfeste Einheit gegenüber den Überdeckungselementen angeordnet ist und sich in mechanischen Kontakt mit den Überdeckungselementen befindet, wobei eine Füllung aus einem nicht magnetischen oder unmagnetischen Material jeweils zwischen den Überdeckungselementen angeordnet ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Winkelgebers ergeben sich aus den zum Vorrichtungsanspruch gehörenden Unteransprüchen.
Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es, die Überdeckungselemente der Maßverkörperung direkt mit dem rotierenden Bauteil zu verbinden, wobei die Überdeckungselemente der Maßverkörperung in vorteilhafter Weise schon bei der Herstellung des rotierenden Bauteils auf das rotierende Bauteil aufgebracht werden. Hierzu ist es möglich, die Überdeckungselemente der Maßverkörperung direkt an dem rotierbaren Bauteil oder in die Welle einzubringen, da auf diese Weise die geringsten Fehler bei der Präzision der Maßverkörperung auftreten.
Vorteilhaft ist es, die Überdeckungselemente des Modulators an einem Ort des rotierenden Bauteils anzubringen, der durch die Nähe zum Lager sehr geringe exzentrische Bewegungen oder geringe Taumelbewegungen ausführt. Denn überraschender Weise hat sich gezeigt, dass selbst starre Wellen mit der Entfernung vom Lager in der Amplitude wachsende Schwingungsbewegungen durchführen, die zwar minimal sind und eine mit der Welle gekoppelte Mechanik nicht stören, jedoch sind diese Schwingungsbewegungen inakzeptabel für das gewünschte Maß der Präzision zur Winkelbestimmung. Lager zur Aufnahme von Wellen können mit geringen Toleranzen entweder im axialen oder im radialen Bereich gefertigt werden. Das Lager braucht zum Ausgleich der Rollbewegung der verwendeten Kugeln, Walzen oder Gleitringe geringfügige Toleranzen, die jedoch nur in einigen von allen möglichen Richtungskomponenten gering gehalten werden können. So ist es möglich, ein Lager mit sehr geringem radialen Spiel zu fertigen, wobei dieses Lager das geringe radiale Spiel durch ein etwas erhöhtes axiales Spiel ausgleichen kann. Wird ein Präzisionslager verwendet, das ein sehr geringes radiales Spiel aufweist, so ist es möglich, beispielweise auf der Stirnseite eines am Lager montierten Modulators Überdeckungselemente für Sensoren anzuordnen, sodass die einzelnen Überdeckungselemente durch das sehr geringe radiale Spiel des Lagers in gleichmäßigem Abstand an den Sensoren vorbeiziehen und hierdurch eine besonders präzise Messung ermöglichen. Das axiale Spiel kann durch eine entsprechende Auslegung der Überdeckungselemente ausgeglichen werden, sodass das axiale Spiel invariant in Bezug auf die Überstreichung der Sensoren durch die Überdeckungselemente wird.
Um zu verhindern, dass eingetragener Schmutz die Präzision bei der Messung des Winkels beeinträchtigt, ist vorgesehen, dass eine Füllung zwischen den Überdeckungselementen vorhanden ist. Dabei führt die Füllung zwischen den Überdeckungselementen zu einer rotationssymmetrischen Oberfläche aus einerseits den Deckungselementen und andererseits der Füllung. Die Füllung ist dabei aus Kunststoff gebildet, einem anderem Polymer oder einem Harz, aus Kupfer oder einem anderen nicht magnetischen Metall oder aus einem unmagnetisiertem gleichen Metall. Durch die Füllung wird ein gleichmäßiges und ebenes Modulatorrad geschaffen, das keine Vertiefungen aufweist, in die sich Schmutz setzen kann. Auf diese Weise wird verhindert, dass eintretender Schmutz die Präzision der Messung beeinflusst.
In besonders vorteilhafter Weise wird eine mit dem Bauteil rotierende Einheit verwendet, die auf der Stirnseite der rotierenden Einheit den Modulator mit den Überdeckungselementen und auf der Planinnenfläche, die zu einem Lager zeigt, ein Dichtungselement für das Lager aufweist. Auf diese Weise sind die Überdeckungselemente des Modulators in höchster Nähe zum Lager angeordnet und weisen daher die geringsten Schwingungsbewegungen innerhalb einer Wellenanordnung auf. Vorteilhaft an der Verbindung der Überdeckungselemente mit der mit dem rotierenden Bauteil rotierenden Einheit ist, dass durch plötzliche und unerwartete, nicht lineare Veränderungen des gemessenen Winkels über eine Rotationsperiode der Welle ein Lagerschaden festgestellt werden kann. Ebenso ist es möglich, einen Lagerverschleiß frühzeitig zu detektieren, da die Anordnung bei einem intakten und nicht verschlissenen Lager bei einer freilaufenden Welle zu einer linearen Winkelveränderung über die Zeit führt, jedoch bei Lagerverschleiß sofort einen nicht linearen Winkelverlauf über die zeit detektiert, sodass aus dem nicht linearen Verlauf des Winkels ein Lagerverschleiß oder ein Lagerschaden geschlossen werden kann.
Insofern bedeutet die Verbindung des Modulators mit den Überdeckungselementen mit einem Dichtelement für ein für die Welle verwendetes Lager nicht nur eine Kostenersparnis, sondern darüber hinaus erlaubt sie auch direkte Rückschlüsse auf die Lagerqualität und gleichzeitig wird durch diese Verbindung die Präzision der Winkelmessung erhöht.
Der in diesem Verfahren eingesetzte Modulator kann Überdeckungselemente auf verschiedenen Flächen eines im Wesentlichen ringförmigen Modulators aufweisen. Es bieten sich an: die äußere Stirnfläche, die Innenfläche und die Planfläche eines ringförmigen Modulators der beispielweise direkt auf einer Dichtscheibe für ein Lager angeordnet sein kann. Bei der Verwendung der Überdeckungselemente auf der Planfläche ergeben sich dann Probleme, wenn ein Lager mit geringen radialen aber etwas höheren axialen Spiel verwendet wird. Hier ist es möglich, dass sich der Abstand von Modulator zu Sensor in nicht vorhersehbarer Weise ändert, sodass hierdurch die Präzision bei der Messung der Winkelposition beeinträchtigt wird. Jedoch ist es von Vorteil, die Überdeckungselemente auf der Planfläche zu verwenden, wenn ein Lager verwendet wird, das ein sehr geringes axiales Spiel dafür aber ein etwas größeres radiales Spiel aufweist. Die durch das radiale Spiel auftretenden Artefakte, wie Exzentrizität, können dann durch Maßnahmen, die im Stand der Technik beschrieben sind, kompensiert werden.
Am vorteilhaftesten ist es aber, wenn die Überdeckungselemente auf der Stirnseite oder auf der Innenseite des ringförmigen Modulators angeordnet sind. Hierdurch kann ein Modulator verwendet werden, dessen Überdeckungselemente in axialer Richtung ausgezogen ausgeformt sind, sodass ein axiales Spiel des Modulators beziehungsweise der gesamten Anordnung aus Modulator und Dichtungsanordnung für das Lager invariant auf die Präzision der Messung wirkt, weil bei einem axialen Spiel die Überdeckung der einzelnen Sensorelemente durch diese Anordnung nicht verändert wird. Insofern ist die Verwendung von Überdeckungselementen auf der Stirnseite oder auf der Innenseite vorteilhafter als die Verwendung von Überdeckungselementen auf der Planfläche eines Modulators, der sowohl durch ein axiales Spiel wie auch durch ein radiales Spiel Artefakte bei der Winkelmessung erzeugen würde.
Die Überdeckungselemente können als Zähne eines Zahnrades oder als Vertiefungen in einer Fläche ausgebildet sein. Bei der Verwendung von Überdeckungselementen, die als Zähne eines Zahnrades ausgebildet sind, kann auf eine Technik zur Herstellung des Modulators zurückgegriffen werden, die aus der Zahnradherstellung bekannt ist. Bei der Verwendung von Überdeckungselementen, die als Vertiefungen in einer Fläche ausgebildet sind, wobei als die eigentlichen Überdeckungselemente die zwischen den Vertiefungen nicht ausgenommenen Flächenbestandteile dienen, kann auf eine Ätztechnik, eine Prägetechnik oder auf eine Laserablationstechnik zurückgegriffen werden, um die Modulatoren herzustellen. Sofern die Überdeckungselemente auf der Stirnseite des Modulators angeordnet werden, ist es möglich, die Überdeckungselemente als Stirnradverzahnung oder als Kronradverzahnung auszubilden. Bei der Kronradverzahnung ist es möglich, die Anordnung, welche die Sensoren aufweist, sowohl auf der Stirnseite wie auch auf der Planseite anzuordnen, da die Überdeckungselemente zu beiden Seiten Lücken aufweisen, wodurch eine Modulation der Sensoren möglich ist.
In besonders vorteilhafter Weise wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Gleitsensor verwendet. Bei der Verwendung eines Gleitsensors wird durch die Füllung ein abrasiver Effekt durch die Überdeckungselemente verhindert, weil keine Kanten am Gleitsensor vorbeiziehen, die wie ein Hobel Späne von der Gleitschicht oder Gleitoberfläche des Sensors abheben können. Der Gleitsensor ist dabei in direktem mechanischen Kontakt mit dem Modulator. Es ist möglich, die Anordnung, welche die Sensoren aufweist, mit einem Luftspalt zum Modulator zu betreiben, wobei der Luftspalt zum Modulator durch die Präzision der Lagerung toleranzarm gehalten werden muss. Bei einer gleitenden Anordnung ist es auch möglich, geringe Toleranzen im radialen Spiel auszugleichen, da der Abstand zum Modulator durch die gleitende Anordnung stets der gleiche ist. Zwar wird durch eine geringfügige radiale Toleranz die Winkelgeschwindigkeit am Sensor geringfügig verändert, jedoch ist die Toleranz der Präzision der Winkelmessung durch die unterschiedliche Radialgeschwindigkeit geringer ausgebildet als die Toleranz bei der Bestimmung eines sauberen Nulldurchganges, der mit zunehmenden Abstand des Modulators vom Sensor schwieriger und weniger eindeutig bestimmbar ist.
Bei der Verwendung eines Gleitsensors hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen Gleitschuh zwischen den Sensoren und dem Modulator zu verwenden. Der Gleitschuh kann aus einem Material bestehen, welches einen besonders geringen Reibungskoeffi zienten aufweist. Hierzu eignet sich eine Anordnung aus Graphit, eine Anordnung aus einem Polymer, bevorzugt aus einem perfluorierten Polymer oder aus einem sehr weichen Metall.
Die Verwendung eines Gleitschuhs erfordert ein Andruckelement, dass die Anordnung, welche die Sensoren aufweist, stets an die Oberfläche des Modulators presst. Hierdurch ist der Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle eine Grenze gesetzt, da das Andruckelement bei sehr hohen Umdrehungsfrequenzen und gegebenenfalls geringen exzentrischen Bewegungen selber in Resonanz geraten kann, sodass die Andruckelemente die Sensoranordnung ins Schwingen bringen könnten, wodurch die Messung der Winkelposition nachteilig beeinflusst würde. Daher ist die Verwendung eines Gleitschuhs für Wellen bis cirka 20.000 Umdrehungen/min einsetzbar. Etwa bei einer Geschwindigkeit von 20.000 Umdrehungen/min beginnt der Geschwindigkeitsbereich, in der ein Luftspalt zur Bestimmung der Winkelposition vorteilhafter ist. Zwar ist durch den Luftspalt eine etwas geringere Präzision durch den etwas weiter entfernten Modulator in Kauf zu nehmen, jedoch sind die hierdurch in Kauf genommenen Toleranzen geringfügiger ausgeprägt als Toleranzen, die durch ein Schwingen der Sensoranordnung entstehen würden.
Um den Modulator beispielweise als Dichtscheibe für ein Lager verwenden zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn am Fuße des Modulators ein Flansch angeordnet ist. Dieser Flansch hat auf der vom Modulator wegweisenden Planseite einen Aufbau, der dem einer Dichtscheibe für ein Lager gleicht. Dabei ist es möglich, dass diese Seite Nuten oder gegebenenfalls O-Ringe trägt, um das Präzisionslager vor Schmutz und eindringendem Staub zu schützen. Ebenso ist es möglich, dass dieser Flansch zusätzlich Bohrungen aufweist, die mit Bohrungen in dem Lager korrespondieren, sodass dieser Flansch als Dichtscheibe auf dem inneren Teil des Lagers aufgebracht werden kann, womit gleichzeitig eine Zentrierung des Modulators möglich ist. Durch die mit dem Bauteil mit rotierende Einheit und der Verwendung dieser Einheit als Dichtelement neben der Funktion als Modulator wird das Lager, die Dichtscheibe und der Modulator eine monolitische Einheit, wobei diese Teile voneinander trennbar oder als untrennbar ausgebildet sein können. Vorteilhaft an dieser kompakten Gestaltung ist, dass eine geringere Präzision bei der Winkelmessung in Kauf genommen werden muss. Für die unterschiedlichen Überdeckungselemente, die auf verschiedenen Spuren des Modulators liegen, ist es möglich, dass diese alle mit gleichem Radius angeordnet werden, wobei die Überdeckungselemente unterschiedliche Größen aufweisen und daher in einer unterschiedlichen Anzahl auf dem gleichen Durchmesser vorhanden sind, um eine volle Rotationsperiode abzudecken oder es ist auch möglich, bei Verwendung von Überdeckungselementen auf der Stirnseite oder der Innenseite des ringförmigen Modulators diese auf verschiedenen Durchmessern anzuordnen. So ist es möglich, eine äußere Spur, eine mittlere Spur und eine inneren Spur zu verwenden, die alle unterschiedliche Durchmesser, aber beispielweise gleiche oder auch unterschiedliche Längen in tangentialer Richtung der einzelnen Überdeckungselemente aufweisen. Durch die unterschiedlichen Radien ist es möglich, die Sensoren bei sehr ähnlichen Frequenzen arbeiten zu lassen, sodass die Sensoren nicht, wie bei der Verwendung von unterschiedlichen Modulatorspuren auf der Planseite, entweder mit unterschiedlichen Frequenzen laufen zu lassen oder mit unterschiedlichen Überdeckungsperiodenlängen zu arbeiten, wodurch die einzelnen Sensoren unterschiedlich dimensioniert ausgelegt werden müssen, damit durch die unterschiedlichen Verhältnisse der Überdeckungsperiodenlängen zu den Abständen der Sensoren eines Sensorpaares der einzelnen Sensoren keine zusätzlichen Artefakte in die Winkelbestimmung einfließen. Die Verwendung von verschiedenen Durchmessern für die verschiedenen Spuren der Überdeckungselemente des Modulators, deren Verhältnis zu dem Verhältnis der Anzahl der Überdeckungselemente für die verschiedenen Sensorpaare korrespondiert, erlaubt eine gleiche Dimensionierung der verschiedenen Überdeckungselemente auf den verschiedenen Spuren des Modulators, wobei dennoch die einzelnen Sensorpaare eine unterschiedliche Anzahl von Überdeckungsperioden pro Umlauf des rotierenden Bauteils erfahren. Dies führt dazu, dass für die unterschiedlichen Spuren baugleiche Sensorpaare verwendet werden können, deren interne Dimensionierung des Abstandes zweier einzelner Sensoren in der Sensorpaaranordnung zur Dimensionierung des Abstandes der Überdeckungselemente korrespondieren. Hierdurch werden Artefakte bei der Messung vermieden, wodurch die Präzision der Messung abermals erhöht wird. Durch die Verwendung von unterschiedli chen Radien ist es somit möglich, dass sich die Artefakte bei der Messung sogar gegenseitig aufheben und so kommt es zu einer noch weiter erhöhten Messpräzision.
Die mit dem Bauteil rotierende Einheit kann an ein Lager angeflanscht, aufgeschrumpft oder aufgeschraubt werden oder es ist auch möglich, ein äquivalentes Verfahren zur konzentrischen Befestigung der mit dem Bauteil rotierenden Einheit auf das rotierende Bauteil zu verwenden. Der Fachmann ist hier frei, das Verfahren zu verwenden, welches für den bevorzugten Einsatz von Nöten ist und welche baulichen Zwängen der Modulator ausgesetzt ist.
Bei der Beschreibung des Verfahrens wurde auf die Vorzüge des Verfahrens und auch auf die baulichen Eigenschaften eines dazu korrespondierenden Winkelgebers eingegangen. Das Verfahren und der dazu korrespondierende Winkelgeber sind durch die Erfindung eng miteinander verbunden.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigt
1 einen erfindungsgemäßen Winkelgeber in einer ersten Ausführungsform,
2 eine mit dem Bauteil rotierbare Einheit bestehend aus Modulator und Flansch,
3 einen Modulator mit gefüllten Tälern zwischen den Überdeckungselementen,
4 einen Winkelgeber mit Gleitsensoren,
5 einen Winkelgeber mit Gleitsensoren und unterschiedlichen Durchmessern für verschiedene Modulatorspuren von Überdeckungselementen,
6 einen Ausschnitt eines Winkelgebers mit hochpräziser Winkelmessung und
7 zwei Wellen mit einer direkt angebrachten Maßverkörperung.
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Winkelgeber dargestellt, bestehend aus einer Sensoranordnung 1, welche eine Auswerteelektronik 2 und Sensoren 3 aufweist, die in unmittelbarer Nähe zu einer Magnetfeldquelle 4 angeordnet sind. Die Magnetfeldquelle 4, im vorliegenden Beispiel ein Permanentmagnet, ist dabei auf die Rückseite der Halteanordnung für die Sensoren 3 aufgeklebt, sodass die Sensoren 3, die in dieser Abbildung verdeckt dargestellt sind, durch die Magnetfeldquelle 4 stets erregt werden. Die mit dem Bauteil rotierbare Einheit 5 besteht aus dem Modulator 6 und dem Flansch 12, wobei diese mit dem Bauteil rotierbare Einheit 5 mit der Dichtscheibe für das Lager des rotierbaren Bauteils kombiniert ist und somit das rotierbare Bauteil als Träger für die Überdeckungselemente 7a, 7b und 7c des Modulators (6, 6a) dient. Der Modulator 6 weist Spuren von Überdeckungselementen 7a, 7b und 7c auf, die konzentrisch und mit gleichem Radius auf der Stirnseite des Modulators 6 angeordnet sind, sodass in dieser Draufsicht die einzelnen Spuren der Überdeckungselemente 7a, 7b, 7c nicht voneinander zu unterscheiden sind. Die mit dem Bauteil rotierbare Einheit 5 wird durch Bohrungen 13a, 13b, 13c und 13d auf ein korrespondierendes Gegenelement der zu bemessenen Wellenanordnung aufgeschraubt. Hierdurch ist die Position der mit der Welle mit rotierbaren Einheit 5 fest vorgegeben und die Präzision der Befestigung hängt von der Präzision der Bohrungen 13a, 13b, 13c, 13d und dem korrespondierenden Gegenelement auf der Wellenanordnung ab.
Der in 1 dargestellte Winkelgeber weist einen Luftspalt 30 auf, sodass diese Winkelgeberanordnung auch für hohe Drehzahlen geeignet ist, beispielweise Drehzahlen von über 20.000 Umdrehungen/min.
In 2 ist eine alternative Ausführungsform 5a der in 1 dargestellten rotierbaren Einheit 5 dargestellt, die ebenfalls als Kombination von Dichtscheibe für ein Lager des rotierbaren Bauteils und Träger der Überdeckungselemente 7d, 7e, 7f ausgeführt ist. Die mit der Welle rotierbare Einheit 5a weist einen Flansch 12a und einen Modulator 6a auf. Wie die in 1 dargestellte, mit der Welle rotierbare Einheit 5 wird auch diese rotierbare Einheit 5a mit Hilfe von vier Bohrungen 13a, 13b, 13c, 13d auf einem korrespondierenden Gegenelement auf der Lageranordnung befestigt. Besonders an dieser rotierbaren Einheit 5a ist, dass die Spuren der Überdeckungselemente 7d, 7e, 7f verschiedene Durchmesser aufweisen, sodass die Breite der Überdeckungselemente 7d, 7e, 7f auf dem Umfang der jeweiligen Spur gleich groß ist und die durch die Überdeckungselemente 7d, 7e, 7f modulierten Sensoren 3 bei unterschiedlicher Frequenz, aber gleicher Überdeckungsperiodenlänge laufen und somit können sich gegebenenfalls einstellende Artefakte gegenseitig bei der Messung ausgleichen. Ebenso ist es hierdurch möglich, auf gleich dimensionierte und gleich aufgebaute Sensoranordnungen für die Sensorpaare 3 zurückzugreifen, sodass die Kosten für den erfindungsgemäßen Winkelgeber gering gehalten werden können.
Der Flansch 12a kann als Laufrad für eine Gleitsensoranordnung verwendet werden, wobei die Gleitsensoranordnung auf der Stirnseite des rotierenden Modulators 6a angeordnet ist und dabei einen Luftspalt zwischen den Überdeckungselementen 7d, 7e, 7f und dem Gleitsensor bildet. Hierdurch können auch Gleitsensoren verwendet werden, die ohne die notwendige Füllung in den Tälern zweier Überdeckungselemente 7d, 7c, und 7f mit konstanten Abstand über die Überdeckungselemente 7d, 7e, 7f gleiten.
In 3 ist eine weitere alternative Ausführungsform einer rotierbaren Einheit 5 aus 1 dargestellt. Diese rotierbare Einheit 5b weist ebenfalls einen Modulator 6b und einen Flansch 12b auf, wobei der Modulator 6b zwischen den hier nicht eingezeichneten Überdeckungselementen eine Füllung 8 aufweist, die in der rechten Schnittzeichnung, die den Schnitt A-A darstellt, gezeigt ist. Die Füllung 8 füllt die Täler zwischen den Überdeckungselementen aus, sodass der Modulator 6b der rotierbaren Einheit 5b eine gleichmäßige und zylinderförmige Oberfläche aufweist. Die Füllung 8 führt dazu, dass sich kein Schmutz oder Staub zwischen die Überdeckungselemente ablagern kann, sodass dieser Schmutz oder Staub gegebenenfalls durch magnetische Wirkung die Präzision der Messung beieinflüssen würde. Daneben führt die Füllung 8 auch zu einer gleichmäßigen Oberfläche, die es erlaubt, einen Gleitsensor zu verwenden, sodass die Kanten der Überdeckungselemente den Gleitsensor nicht allmählich abtragen.
In 4 ist ein alternativer Winkelgeber dargestellt, der zwei ortsfeste Sensoranordnungen 10 und 10a aufweist, die auf einem Modulator 6 in mechanischem Kontakt gleiten. Dabei ist zwischen den Sensoranordnungen 10 und 10a ein Gleitschuh 11 vorgesehen, der zur Verminderung der Reibung kraftschlüssig mit den Sensoranordnungen 10 und 10a verbunden ist und auf der anderen Seite sich gegen den Modulator 6 stützt. Dabei werden die Sensoranordnungen 10 und 10a durch Andruckelemente 31 und 31a auf die Stirnseite des Modulators 6 gedrückt. Im rechten Teil der Zeichnung von 4 ist das Detail X aus der linken Zeichnung dargestellt, wobei deutlich zu sehen ist, wie die Sensoranordnung 10 über den Gleitschuh 11 mit den drei Spuren der Überdeckungselemente 7a, 7b und 7c verbunden ist.
In 5 ist dargestellt, wie ein Modulator auf der rotierbaren Einheit 5a gemäß 2 mit zwei Sensoranordnungen 10b und 10c verwendet wird, wobei die unterschiedlichen (Radien des Modulators 6a in den beiden Sensoranordnungen 10b und 10c jeweils einen Gleitschuh 11b und 11c notwendig machen, der das Profil des Modulators 6a widerspiegelt.
In 6 ist ein alternativer Winkelgeber dargestellt, dessen Besonderheit es ist, eine besonders große rotierbare Einheit mit dazu korrespondierend großem Innendurchmesser aufzuweisen, die bei ansonsten gleicher Größe der Sensoranordnung eine sehr hohe Anzahl von Überdeckungselementen auf seinem Außendurchmesser 20 aufweist.
In 7 sind zwei Wellen 100 und 110 dargestellt, die beide Überdeckungselemente in Form einer Maßverkörperung 112 und 113 tragen. Das besondere ist, dass die Maßverkörperungen 112 und 113 direkt auf die Wellen 100 und 110 aufgebracht sind.
In besonders vorteilhafter Weise wird die Maßverkörperung 112 und 113 bei der Herstellung der Welle 100 oder 110 auf der Drehbank aufgebracht, sodass ein erneutes Einspannen der Wellen 100 und 110 entfällt, wodurch die Überdeckungselemente der Maßverkörperungen 112 und 113 besonders genau aufgebracht werden können.

1: Sensoranordnung
2: Auswerteelektronik
3: Sensoren
4: Magnetfeldquelle
5: rotierbare Einheit
5a: rotierbare Einheit
5b: rotierbare Einheit
6: Modulator
6a: Modulator
6b: Modulator
7: Überdeckungselement
7a: Überdeckungselement
7b: Überdeckungselement
7c: Überdeckungselement
7d: Überdeckungselement
7e: Überdeckungselement
7f: Überdeckungselement
8: Füllung
10: Sensoranordnung
10a: Sensoranordnung
10b: Sensoranordnung
10c: Sensoranordnung
11: Gleitschuh
11a: Gleitschuh
11b: Gleitschuh
11c: Gleitschuh
12: Flansch
12a: Flansch
12b: Flansch
13a: Bohrung
13b: Bohrung
13c: Bohrung
13d: Bohrung
20: Außendurchmesser
21: Innendurchmesser
30: Luftspalt
31: Andruckelement
31a: Andruckelement
100: Welle
110: Welle
111: Flansch
112: Maßverkörperung
113: Flansch
114: Maßverkörperung

Claims

Verfahren zur Erfassung der absoluten Winkelposition eines rotierbaren Bauteils, insbesondere einer Welle, bei dem in einer ersten ortsfesten Einheit mindestens zwei unabhängige magneto-resistive Sensorpaare (3) in unmittelbarer Nähe einer Magnetfeldquelle (4) angeordnet sind und durch diese vormagnetisiert werden und in einer zweiten, mit dem Bauteil rotierenden Einheit (5) mindestens ein Modulator (6, 6a, 6b) durch Überdeckungselemente (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) den magnetischen Fluss der Magnetfeldquelle (4) am Ort der Sensorpaare (3) periodisch in Dichte und/oder Richtung mit einem Winkelunterschied von einer viertel Überdeckungsperiode zwischen den Sensoren je eines Sensorpaares (3) verändert, wobei unterschiedliche Sensorpaare (3) mit einer voneinander abweichenden Überdeckungsperiodenlänge bei Rotation des Bauteils durch die Verwendung des rotierenden Bauteils selbst als Träger für die Überdeckungselemente (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) des Modulators (6, 6a, 6b) erregt werden und wobei als erste ortsfeste Einheit die Verwendung eines Gleitschuhs (11, 11a, 11b) mit Sensoren und Magnetfeldquelle (4) erfolgt, welcher gegenüber den Überdeckungselementen (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) angeordnet wird und sich in mechanischen Kontakt mit den Überdeckungselementen (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) befindet, wobei eine Füllung (8) aus einem nicht magnetischen oder unmagnetischen Material jeweils zwischen den Überdeckungselementen (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Modulators (6) in Ringform, wobei die Überdeckungselemente auf der Stirnseite des Ringes, auf der Innenseite des Ringes und/oder der Planseite des Ringes angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Überdeckungselementen (7, 7a, 7b, 7, 7d, 7e, 7f), die als Zähne eines Zahnrades oder Vertiefungen in einer Fläche ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Überdeckungselemente (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) am Modulator (6) als Stirnradverzahnung und/oder als Kronradverzahnung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Dichtscheibe für ein Lager des rotierbaren Bauteils als Träger für die Überdeckungselemente (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) des Modulators (6, 6a).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Flansches (12, 12a) und/oder konzentrischen Bohrungen (13a, 13b, 13c, 13d) am Fuß der mit dem Bauteil rotierbaren Einheit (5) zur konzentrischen Anordnung des Modulators (6) zur Welle.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung unterschiedlicher Durchmesser für die Anordnung der Überdeckungselemente (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f), wobei die Überdeckungsperiodenlängen auf den verschiedenen Durchmessern im Wesentlichen die gleichen Abmessungen aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Anflanschen, Aufschrumpfen, Aufschrauben oder ein äquivalentes Verfahren zur konzentrischen Befestigung der mit dem Bauteil rotierenden Einheit (5) auf das rotierende Bauteil.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Verwendung eines im Verhältnis zum Außendurchmesser (20) großen Innendurchmessers (21) des Modulators (6).
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Sensoranordnung auf der Innenseite des Modulators (6).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllung (8) ein Material aus Kunststoff, einem Polymer, einem Harz oder aus Kupfer verwendet wird.
Winkelgeber zur Erfassung der absoluten Winkelposition eines rotierbaren Bauteils, insbesondere einer Welle, aufweisend eine erste ortsfeste Einheit, in der mindestens zwei unabhängige magneto-resistive Sensorpaare (3) in unmittelbarer Nähe der Magnetfeldquelle (4) angeordnet sind und die mindestens eine Magnetfeldquelle (4) die Sensoren der Sensorpaare (3) vormagnetisiert und eine zweite, mit dem Bauteil rotierende Einheit (5), in weicher mindestens ein Modulator (6, 6a, 6b) durch Überdeckungselemente (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) den magnetischen Fluss der Magnetfeldquelle (4) am Ort der Sensorpaare (3) periodisch in Dichte und/oder Richtung mit einem Winkelunterschied von einer viertel Überdeckungsperiode zwischen den Sensoren eines Sensorpaares (3) verändert, wobei unterschiedliche Sensorpaare (3) mit einer voneinander abweichenden Überdeckungsperiodenlänge bei Rotation des Bauteils erregbar sind, wobei das rotierende Bauteil selbst die Überdeckungselemente (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) des Modulators (6, 6a, 6b) trägt und wobei als erste ortsfeste Einheit ein Gleitschuh (11, 11a, 11b) mit Sensoren und Magnetfeldquelle (4) gegenüber den Überdeckungselementen (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) angeordnet ist und sich in mechanischem Kontakt mit den Überdeckungselementen (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) befindet, wobei eine Füllung (8) aus einem nicht magnetischen oder unmagnetischen Material jeweils zwischen den Überdeckungselementen (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) angeordnet ist.
Winkelgeber nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (6, 6a) in Ringform ausgebildet ist, wobei die Überdeckungselemente (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) auf der Stirnseite des Ringes, der Planseite des Ringes und/oder der Innenseite des Ringes angeordnet sind.
Winkelgeber nach Anspruch 12 oder 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überdeckungselemente (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) als Zähne eines Zahnrades oder Vertiefungen in einer Fläche ausgebildet sind.
Winkelgeber nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Überdeckungselemente (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) am Modulator (6, 6a) als Stirnradverzahnung, als Innenverzahnung und/oder als Kronradverzahnung ausgebildet sind.
Winkelgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichtscheibe für ein Lager des rotierenden Bauteils die Überdeckungselemente des Modulators trägt.
Winkelgeber nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flansch (12, 12a) am Fuß der mit dem Bauteil rotierbaren Einheit (5) zur konzentrischen Anordnung des Modulators (6) zur Welle angeordnet ist.
Winkelgeber nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Durchmesser für die Anordnung der Überdeckungselemente (7, 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f) vorgesehen sind, wobei die Überdeckungsperiodenlängen auf den verschiedenen Durchmessern im Wesentlichen die gleichen Abmessungen aufweisen.
Winkelgeber nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (6, 6a) auf das rotierende Bauteil angeflanscht, aufgeschrumpft, aufgeschraubt oder durch äquivalente Mittel zur konzentrischen Befestigung befestigt ist.
Winkelgeber nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Verhältnis zum Außendurchmesser (20) großer Innendurchmesser (21) des Modulators (6, 6a) vorgesehen ist.
Winkelgeber nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren auf der Innenseite des Modulators (6) angeordnet sind.
Winkelgeber nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (8) aus Kunststoff, einem Polymer, einem Harz oder aus Kupfer besteht.