DE102007011672A1

DE102007011672A1 - Rotorlagesensor einer elektrischen Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102007011672A1
Application number: DE102007011672A
Authority: DE
Inventors: Walter Hirning
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2008-06-26
Also published as: WO2008077865A1

Abstract

Vorgesehen ist eine Sensoreinrichtung mit - einem elektrischen Antrieb (12), der eine Anzahl n Motorpolpaare aufweist, - wenigstens zwei, zueinander versetzte Hall-Sensoren (5a, 5b) die einem gemeinsamen, bezüglich einer Drehachse radial angeordneten magnetischem Feldgeberring (1) zugeordnet sind wobei der Feldgeberring (1) wenigstens ein Polpaar aufweist, das aus einem magnetischen Nordpol (2) und einem magnetischen Südpol (3) besteht, und - jedes Polpaar (2, 3) eine vollständig sinusförmige Magnetisierung aufweist, - der Feldgeberring (1) aus einem magnetisierbaren Material besteht, dessen Magnetisierung künstlich eingebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Ermittlung einer Winkelstellung einer mit einer Rotorachse eines Elektromotors verbundenen Welle in einer elektrischen Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Sensoranordnungen zur Ermittlung eines Drehwinkels bekannt.
Beispielhaft sei an dieser Stelle auf die DE 198 18 799 C2 , DE 100 60 287 A1 , DE 100 41 090 A1 und die DE 100 36 281 A1 verwiesen.
Die DE 102 21 340 A1 beschreibt eine Sensoranordnung zur Detektion des Drehwinkels einer Welle, mit einem ein Magnetfeld erzeugenden Magnetelement und einem ein Magnetfeld erfassenden Messelement, wobei das Magnetelement als Magnetring ausgebildet ist, der ein Magnetfeld aufweist, welches bezogen auf die Welle, eine axiale Komponente und eine tangentiale Komponente aufweist. Der Drehwinkel der Welle lässt sich somit durch den jeweiligen Magnetisierungswinkel ermitteln.
Die EP 1 092 956 A1 beschreibt einen elektromagnetischen Drehwinkelsensor zur Erfassung eines Drehwinkels an einer Achse, mit einem um die Achse drehbaren magnetischen Rotor und einem feststehenden Stator, der Mittel zur Erfassung eines auf den Rotor gerichteten Magnetfeldes, sowie wenigstens vier erste und wenigsten vier zweite Magnetdetektoren zur Detektion des Magnetfeldes aufweist. Der Rotor und der Stator liegen sich so gegenüber, dass sich zwischen ihnen ein vom Magnetfeld durchsetzter Luftspalt ausbildet. Die Empfindlichkeiten der ersten und zweiten Magnetdetektoren weisen entlang eines Kreises Werte auf, die in der Abwicklung des Kreises auf einer Geraden jeweils von einer Sinuskurve einhüllbar sind. Als Mittel zur Erzeugung des periodischen Magnetfeldes kommen insbesondere Permanentmagneten und magnetische Spulen in Betracht. Als Magnetdetektoren werden Hallsensoren oder Induktionspulen angewandt.
Die DE 101 10 785 C2 beschreibt einen Lenkwinkelsensor mit einer drehbar gelagerten, den Drehwinkel eines Lenkrades wiedergebenden Codescheibe, mit einer den Code der Codescheibe abtastenden Abtasteinheit zur Bestimmung der Winkelstellung des Lenkrades innerhalb einer Umdrehung, mit einem mit der Lenksäule oder der Codescheibe mechanisch gekoppelten Zähleinheit zur Zählung der vollen Umdrehung des Lenkrades gegenüber einer Nulllage, wobei die Zähleinheit ein Zählrad und die Winkelstellung des Zählrades abtastende Sensoren aufweist. Das Übersetzungsverhältnis der Codescheibe zu dem Zählrad ist kleiner eins und das Zählrad weist unterschiedliche Polungen auf. Zwei in Phasenversatz von 90° zueinander angeordnete Magnetfeldsensoren bestimmen die Winkelstellung des Zählrades.
Die DE 102 10 372 A1 beschreibt einen Drehwinkelsensor, mit einem scheibenförmigen Träger einer ersten Spur von magnetischen Nord- und Südpolen und einer zweiten Spur von magnetischen Nord- und Südpolen mit einer von der ersten Spur abweichenden Anzahl von Nord- und Südpolen und mit je einem Sensorelement zur Detektion der ersten und der zweiten Spur. Mit der ersten Spur wird nach Inbetriebnahme des Drehwinkelsensors eine erste grobe Erfassung des Drehwinkels des Spurträgers durchgeführt und mit der zweiten Spur eine hochaufgelöste Erfassung des Drehwinkels bewirkt. Das sinusförmige Signal des Drehwinkelsensors wird mit einer Winkelfunktion linearisiert.
In der DE 198 18 799 C2 wird ein Drehwinkelsensor mit zwei magnetischen Ringen und drei zugeordneten Sensorelementen beschrieben. Zur Bestimmung eines eindeutigen Winkels innerhalb 360° wird das bekannte Nonius-Verfahren mit einer Kombination aus Hall- und MR-Sensoren verwendet, wobei die Signale des Hall-Sensors zur Bereichs-Unterscheidung verwendet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sensoranordnung zur Ermittlung einer Winkelstellung einer mit einer Rotorachse eines Elektromotors verbundenen Welle in einer elektrischen Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Weitere Ausführungsvarianten sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Zur Ermittlung der Rotorlageposition einer Rotorwelle eines elektrischen Antriebs in einer Hilfskraftlenkung wird vorgeschlagen, dass wenigstens zwei zueinander versetzte Hall-Sensoren einem gemeinsamen und bezüglich einer Drehachse radial angeordneten magnetischem Feldgeberring zugeordnet sind.
Der Feldgeberring weist dabei wenigstens ein Polpaar auf, das aus einem magnetischen Nordpol und einem magnetischen Südpol besteht. Jedes Polpaar verfügt über eine vollständig sinusförmige Magnetisierung und besteht aus einem magnetisierbaren Material, dessen Magnetisierung künstlich eingebracht ist.
Ein besonders vorteilhaftes Magnetring-Material stellt ein Verbundwerkstoff dar, in den zusätzlich Seltene Erden-Materialien eingebracht sind. Als Elemente kommen dabei Neodym und Eisen-Bohr in Betracht. Die Zugabe solcher Verbindungen ermöglicht eine erheblich stärkere künstliche Magnetisierbarkeit des Feldgeberrings. Die sinusförmige Magnetisierung kann somit stärker in das Material eingeprägt werden, was sich sehr vorteilhaft auf die Genauigkeit und die Detektierbarkeit durch die Hall-Sensoren auswirkt.
Optimal bezüglich einer späteren Signalauswertung ist es, wenn die Magnetisierung sinusförmig und bezüglich der Hall-Sensoren optimierten, d. h. geringfügig modifizierten Feldstärkenverlaufs aufweist. Auch unter diesem Aspekt erweist sich die Einbringung von Seltenen-Erden Materialien als vorteilhaft: Ein korrigierter, von einer idealen Sinusform geringfügig abweichender Feldstärkenverlauf kann durch die erhöhte Magnetisierung besser abgefühlt werden.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die sinusförmige Magnetisierung bezüglich der Signalerfassung mittels der Hall-Sensoren optimierten Feldstärkeverlaufs in das Material des Feldgeberrings eingeprägt ist. Bevorzugt findet hierbei als magnetisierbares Material des Feldgeberrings ein kunststoffgebundenes Ferritmaterial Verwendung.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Feldgeberring dieselbe Anzahl magnetischer Polpaare wie die Anzahl n der Motorpolpaare des elektrischen Antriebs aufweist, wobei wenigstens zwei Hall-Sensoren um den Winkelwert 360°/2n versetzt zueinander angeordnet sind.
Weitere Ausführungsformen sind in dem Ausführungsbeispiel beschrieben.
1 zeigt schematisch eine bevorzugte Anordnung zur Ermittlung einer absoluten Winkelstellung einer Rotorachse eines Elektromotors in einer elektrischen Hilfskraftlenkung.
Eine elektromotorische Antriebsanordnung 12 beinhaltet einen Stator 7, auf dem die Erregerspulen angeordnet sind und einer Rotorwelle 9, auf der die Permanent-Magnete 8 des Motors angeordnet sind.
Der elektrische Antrieb weist eine Motorpolpaarzahl von typischerweise 2 auf. (n = 2) Die Rotorwelle 9 ist in Fortsetzung mit einer Hohlwelle 6 drehfest verbunden. Die Drehbewegung wird mittels eines Kugelmutterumlauftriebes 10 in eine Schubbewegung der Zahnstange 11 umgesetzt. Der Kugelmuttertrieb 10 ist in der 1 nur schematisch angedeutet. Er beinhaltet ein nicht dargestelltes Lager und Führungsbahnen auf dessen Innenseite umlaufende Kugeln geführt sind, die in korrespondierende Führungsbahnen auf der in der Hohlwelle 9 befindlichen Bereich der Zahnstange 11 eingreifen und so die Rotationsbewegung des Rotors 9 in eine translatorische Bewegung der Zahnstange 11 umwandelt. Auf einem Wellenabschnitt zwischen dem Kugelmuttertrieb 10 und der elektromotorischen Antriebsvorrichtung 12 ist ein Feldgeberring 1 radial angeordnet und drehfest mit der Hohlwelle 9 verbunden. Der Feldgeberring 1 weist ein Polpaar auf, welches aus einem magnetischen Nordpol 2 und einem magnetischen Südpol 3 besteht. Dem Feldgeberring 1 sind wenigstens zwei Hall-Sensoren 5a, 5b zugeordnet, die auf einer flexiblen Folie 4 angeordnet sind.
Die feldempfindlichen Flächen der Hall-Sensoren 5a, 5b können dabei stirnseitig radial als auch axial bezüglich des Feldgeberrings 1 ausgerichtet sein. Der magnetische Nordpol 2 und der magnetische Südpol 3 sind dabei durch eine künstliche Magnetisierung in das magnetisierbare Material eingebracht.
Mittels des aus dem Stand der Technik bekannten sin/cos – Auswerteverfahrens, dem so genannten Quadratur-Verfahren, kann aus den analogen Signalen der Hall-Sensoren ein entsprechend zugehöriger Winkelwert ermittelt werden. Der Winkelwert kann somit eindeutig in einem Winkelbereich einer vollen Umdrehung der Hohlwelle und damit auch des Rotors des elektromechanischen Antriebseinrichtung 12 entsprechend 360° ermittelt werden.
In der 2a ist schematisch der Feldgeberring 1 mit der Polpaarzahl 1 dargestellt. Er weist eine Nord-/Süd-Magnetisierung auf, die künstlich in das Material des Rings eingebracht ist. Der Feldgeberring 1 besteht aus einem magnetischen Nordpol 2 und einem magnetischen Südpol 3. Die Magnetisierung dabei sinusförmig in den Werkstoff des Ringes eingeprägt. Die Periodenlänge der Magnetisierung λ_H entspricht dabei der des Umfangs des Feldgeberrings 1 mit dem Radius r. Der magnetische Nord- und Südpol weist somit exakt jeweils eine halbe sinusförmige künstliche Magnetisierung auf.
Bei einem Feldgeberring mit einer n-fachen Polpaarzahl wiederholt sich eine vollständig sinusförmige und künstliche Magnetisierung über jedes Polpaar hinweg. Die Nord- und Südpole weisen auch hier jeweils ein halbe sinusförmige Magnetisierung auf. Während einer Umdrehung von 360° wiederholt sich eine vollständige Sinuswelle n-mal.

Claims

Sensoranordnung zur Ermittlung einer Rotorlageposition einer Rotorwelle eines elektrischen Antriebs in einer Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass – der elektrische Antrieb (12) eine Anzahl n Motorpolpaare aufweist, – wenigstens zwei, zueinander versetzte Hall-Sensoren (5a, 5b) die einem gemeinsamen, bezüglich einer Drehachse radial angeordneten magnetischem Feldgeberring (1) zugeordnet sind, – der Feldgeberring (1) wenigstens ein Polpaar aufweist, das aus einem magnetischen Nordpol (2) und einem magnetischen Südpol (3) besteht, – jedes Polpaar (2, 3) eine vollständig sinusförmige Magnetisierung aufweist, – der Feldgeberring (1) aus einem magnetisierbaren Material besteht, dessen Magnetisierung künstlich eingebracht ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sinusförmige Magnetisierung bezüglich der Signalerfassung mittels der Hall-Sensoren (5a, 5b) optimierten Feldstärkeverlaufs in das Material des Feldgeberrings (1) eingeprägt ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldgeberring (1) dieselbe Anzahl magnetischer Polpaare wie die Anzahl n der Motorpolpaare des elektrischen Antriebs aufweist, wobei wenigstens zwei Hall-Sensoren um den Winkelwert 360°/2n versetzt zueinander angeordnet sind.
Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldgeberring (1) radial auf einer Hohlwelle (6) angeordnet ist, in deren inneren Bereich eine Zahnstange (11) gelagert ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldgeberring (1) auf einem Wellenabschnitt der Hohlwelle (6), zwischen dem Rotor (9) eines elektrischen Antriebes (12) und einem Kugelgewindetrieb (10), angeordnet ist.
Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus den analogen Signalen der wenigstens zwei Hall-Sensoren (5a, 5b) eine über einen Winkelbereich von 360°/n eindeutige Rotorlagestellung des Rotors (9) des elektrischen Antriebes (12) bestimmbar ist.
Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Hall-Sensoren (5a, 5b) auf einer flexiblen Folie (4) aufgebracht und mittels dieser durch Leiterbahnen elektrisch kontaktiert sind.
Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisierbare Material des Feldgeberrings (1) ein kunststoffgebundenes Ferritmaterial mit Zusatzanteilen von Seltenen Erden-Verbindungen ist.