DE102007050258A1

DE102007050258A1 - Ringmagnet für eine Drehmoment- oder Drehwinkelsensoranordnung

Info

Publication number: DE102007050258A1
Application number: DE102007050258A
Authority: DE
Inventors: Dirk Rachui; Jens Thom; Ekkehart Fröhlich
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2007-10-20
Filing date: 2007-10-20
Publication date: 2009-04-23

Abstract

Es wird ein Ringmagnet (12) aus kunststoffgebundenen Magnetteilchen vorgeschlagen, der auf einer Hülse als Träger (9) angeordnet ist und eine solche Geometrie aufweist, die mit Ausnahme einer äußeren Wirkungsfläche (15) in eine nahezu formschlüssig anliegende Umhüllung (14; 17; 18, 19) eingebettet ist, die auch teilweise Bereiche in Richtung der Wirkungsfläche (15) einschließt. Der Bereich kann aus einer seitlich umlaufenden Fase (13) oder aus einem seitlich umlaufenden Absatz (16) bestehen. Die Umhüllung (14; 17; 18, 19) kann durch Biegen, Bördeln oder Nieten bzw. durch ein Schweißverfahren, vorzugsweise Ultraschallschweißen oder Laserschweißen um den Ringmagneten (12) geformt werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Ringmagneten für eine Drehmoment- oder Drehwinkelsensoranordnungen auf einer Welle, insbesondere zur Detektion von drehwinkel- oder drehmomentabhängigen Größen an der Welle oder zwischen Teilwellen nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist an sich bekannt, dass mit solchen Ringmagneten, die mit magnetischen Sensormitteln in einem Funktionszusammenhang stehen, absolute oder relative Drehbewegungen einer Welle berührungslos erfasst werden können.
Beispielsweise ist aus der DE 102 40 049 A1 bekannt, dass ein Drehmomentsensor zur Erfassung des an einer Welle anstehenden Drehmoments, insbesondere an Lenkwellen in einem Kraftfahrzeug, jeweils an zwei sich gegenüberliegenden Teilwellen der Welle angebracht ist. Auf der ersten Teilwelle ist hier eine drehfest angebrachte Hülse mit Magneten vorhanden und auf der anderen Teilwelle ist ein Magnetfeldsensor angebracht, der dem Magneten an der ersten Teilwelle über einen Zwischenraum gegenüberliegt.
Bei dieser bekannten Anordnung hängt der im Zwischenraum erzeugte magnetische Fluss von der Drehwinkellage zischen dem Magneten und dem Detektor der Sensoranordnung ab, wobei zwischen den Teilwellen der Welle ein Torsionselement angeordnet ist, so dass hieraus das auf die Welle einwirkende Drehmoment messbar ist.
Ein solcher Drehmomentsensor besteht außerdem in der Regel aus zwei Einheiten, nämlich einer dynamischen Einheit, welche sich mit der Lenkwelle bzw. dem Torsionssystem mitdreht und einer ortsfesten Einheit mit einer Elektronik, welche an dem umgebenden Getriebegehäuse fixiert ist. Die dynamische Einheit ist dabei über die zwei Teilwellen der Lenkwelle, wie zuvor beschrieben, verteilt befestigt und kann deshalb auch in eine Statorbaugruppe und beispielsweise in eine Magnetbaugruppe unterteilt werden. Die Statorbaugruppe besteht mindestens aus dem Statorhalter und zum Beispiel zwei Magnetfeldsensoren, wobei optional weitere Bauteile in die Statorbaugruppe integriert werden können.
Beispielsweise ist ein solcher Ringmagnet in der DE 103 16 124 A1 insbesondere anhand der 2 beschrieben, aus der entnehmbar ist, wie aufgrund der Polwechsel am Umfang des Ringmagneten eine relative Verdrehung zu einem gegenüberliegenden Magnetfeldsensor ausgewertet werden kann.
Für die Ringmagneten werden in der Regel kunststoffgebundene durch Pressen hergestellte Magnete verwendet, die eine hohe magnetische Energie beinhalten. Dabei wird ein Granulat, beispielsweise von einem Duroplast umhüllte Magnetteilchen, unter hohem Druck zu einem festen Körper geformt und anschließend thermisch ausgehärtet. Das übliche Fertigungsverfahren erlaubt dabei nur eine begrenzte Fertigungsgenauigkeit, welche sich in erhöhten Fertigungstoleranzen wiederfindet. Weiterhin weisen solche gepresste Ringmagnete in der Regel nur eine geringe Festigkeit auf und verhalten sich im Belastungsfall außerdem spröde. Oft sind solche Ringmagneten dabei lediglich auf eine Metallring aufgeklebt.
Da solche Ringmagnete in der Regel ein zentraler Bestandteil des eingangs beschriebenen Drehmomentsensors sind, wird im Fall eines strukturellen Versagens, zum Beispiel beim Herausbrechen von Bestandteilen des Ringmagneten durch eine mechanische Beschädigung oder eines Loslösens des Ringmagneten von seinem Träger, der Drehmomentsensors nicht mehr einwandfrei funktionieren. Beim Versagen der Verbindung zwischen dem Ringmagneten und seinem Träger kann es bei dieser Anwendung zu einer Relativbewegung des Ringmagneten zum Träger kommen, was im Drehmomentsensors als eine Magnetfeldänderung detektiert wird, die ihrerseits zu einem fehlerhaften Sensorsignal führt.
Wenn dieses fehlerhaften Sensorsignal bei einer Anwendung des Drehmomentsensors zur Erfassung des an einer Lenkwelle anstehenden Drehmoments in einem Kraftfahrzeug von der Fahrzeugelektronik als gültiges Signal interpretiert werden, kann beispielsweise eine nicht erwünschte Lenkunterstützung hervorgerufen werden, die die Fahrsicherheit negativ beeinflusst.
Um solche Ringmagnete fest an einem Träger zu verankern ist es beispielsweise aus der DE 198 36 451 C2 bekannt, dass der Träger laschenförmige Teile aufweist, die in das Material des Ringmagneten hineinreichen und zu einer Verankerung führen.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung geht von einem Ringmagnet aus kunststoffgebunden Magnetteilchen aus, der auf einem Träger angeordnet ist, wobei der Ringmagnet erfindungsgemäß eine solche Geometrie aufweist, die mit Ausnahme einer äußeren Wirkungsfläche in eine in vorteilhafter Weise nahezu formschlüssig anliegende Umhüllung eingebettet ist, die auch teilweise Bereiche in Richtung der Wirkungsfläche einschließt. Der Ringmagnet kann dabei in vorteilhafter Weise Bestandteil einer Drehmomentsensoranordnung sein, die an der Lenkwelle in einem Kraftfahrzeug angebracht ist und die an zwei axial sich gegenüberliegenden Teilwellen der Lenkwelle befestigt ist und eine Drehwinkeländerung zwischen den Teilwellen erfasst. Die hohen Fertigungstoleranzen des Ringmagneten und seine Sprödigkeit bedingen eine gewisse Auswahl an Möglichkeiten, die für eine teilweise Umhüllung des Ringmagneten in Frage kommen.
Mit der erfindungsgemäßen Umhüllung oder Kapselung kann im Fall eines Magnetbruches im Ringmagneten das Magnetfeld erhalten bleiben, da es nicht so einfach zu einem Lösen und Herausfallen der Magnetteilchen kommen kann. Damit der Ringmagnet aber seine Energie möglichst wirksam an den Sensor weiterführen kann, muss der Ringmagnet sehr dicht an den Magnetflussleitern vorbeigeführt werden ohne diese zu berühren. Deshalb ist diese Wirkungsfläche der Bereich des Ringmagneten, der gegenüber den Magnetflussleitern befindet, auf jeden Fall unbedeckt und liegt in diesem Bereich sichtbar und berührungslos zur gegenüberliegenden Statorbaugruppe frei.
Durch die besondere geometrische Gestaltung des Ringmagneten können somit die beiden konträren Anforderungen, nämlich die Kapselung des Ringmagneten und die Maximierung des Magnetfeldflusses, zusammengeführt werden.
Gemäß vorteilhafter Ausführungsformen kann der erfindungsgemäße Bereich in Richtung der Wirkungsfläche am Ringmagneten aus einer seitlich umlaufenden Fase oder aus einem seitlich umlaufenden Absatz bestehen.
Die Umhüllung kann kraftschlüssig durch Biegen, Bördeln oder Nieten um den Ringmagneten auch nach der Montage des Ringmagneten geformt werden oder auch formschlüssig durch ein Schweißverfahren, vorzugsweise Ultraschallschweißen oder Laserschweißen, um den Ringmagneten geformt werden. Ausgeschlossen sind hier lediglich Verfahren, die eine hohe Maßgenauigkeit des Ringmagneten und/oder eine hohe Festigkeit voraussetzen, wie zum Beispiel Spritzgießen mit Einlegeteilen. Eingesetzt werden können alle Verfahren, die den Ringmagnet nicht direkt mit einer Kraft beaufschlagen.
Es ist möglich, dass die Umhüllung Bestandteil des Trägers ist oder auch als separates Bauteil an den Träger angefügt ist. Die Umhüllung besteht vorzugsweise aus Kunststoff, Metall oder einer Kombination aus beiden.
Somit kann der Ringmagnet über seine geforderte Lebensdauer des Fahrzeuges spielfrei auf der Lenkwelle fixiert werden. Im Prinzip weist der Ringmagnet auf der Lenkwelle eines Fahrzeuges zwei Freiheitsgrade auf, nämlich eine Verschiebung in Richtung der Achse der Lenkwelle und eine Verdrehung um die Achse der Lenkwelle. Alle weiteren Freiheitsgrade werden durch das Fertigungs- und Montagespiel bestimmt. Die axiale Bewegung wird durch die erfindungsgemäße Umhüllung stark eingeschränkt und die Verdrehung kann beispielsweise durch die Einbindung einer Formschlussgeometrie im Ringmagneten, die in der Umhüllung fest eingebettet ist, weitgehend unterbunden werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 ein Anwendungsbeispiel eines Ringmagneten für eine Drehmomentsensoranordnung an der Lenkwelle eines Kraftfahrzeuges,
2 und 3 eine Detaildarstellung eines Ringmagneten mit einer seitlich umlaufenden Fase und entsprechend angepasster Umhüllung,
4 und 5 eine Detaildarstellung eines Ringmagneten mit einem seitliche umlaufenden Absatz und entsprechend angepasster Umhüllung,
6 bis 9 Darstellung eines Ringmagneten mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der Umhüllung,
10 eine perspektivische Darstellung eines Ringmagneten mit einem Absatz und Teilen des Trägers und
11 eine Schnittansicht durch ein Ringmagneten in einer Magnetbaugruppe und einer Statorbaugruppe der Drehmomentsensoranordnung
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt prinzipiell eine Vorrichtung zur Bestimmung eines auf eine Welle ausgeübten Drehmoments an einer Lenkwelle 1 eines Kraftfahrzeuges. Die Lenkwelle 1 weist hier zwei Teilwellen 2 und 3 auf, die mittels eines Torsionsstabes 4 miteinander verbunden sind. Es ist hier eine Drehmomentsensoranordnung 5 vorhanden, die aus einer hier einen nicht näher beschriebenen Magnetbaugruppe 6 an der Teilwelle 2 und einer Statorbaugruppe 7 an der Teilwelle 3 mit einem Magnetfeldsensor 8 zur Erfassung der drehwinkelabhängigen Magnetfeldänderungen besteht.
Umgeben ist die Anordnung von einem ortsfesten Gehäuse 11, dass an den Teilwellen 2 und 3 gelagert ist. Die Magnetbaugruppe 6 und die Statorbaugruppe 7 zur Erfassung eines relativen Drehwinkels zwischen den Teilwellen 2 und 3 sind mittels Hülsen 9 und 10 als Bestandteile einer Sensorhalterung an den Teilwellen 2 und 3 drehfest gehalten. Die Magnetbaugruppe 6 enthält hier einen nur schematisch angedeuteten Ringmagneten 12.
In 2 ist eine Detaildarstellung des Ringmagneten 12 gezeigt, der mit einer seitlich am Umfang umlaufenden Fase 13 versehen ist. 3 zeigt darüber hinaus, wie eine Umhüllung 14 den Ringmagneten 12 weitgehend formschlüssig, zum Beispiel durch Bördeln, umschließt, bis auf eine Wirkungsfläche 15, die einen ungehinderten Austritt der magnetischen Feldlinien zu den Magnetflussleitelementen und zum Magnetfeldsensor 8 in der Statorbaugruppe 7 nach der 1 erlauben soll.
Aus 4 ist eine Detaildarstellung des Ringmagneten 12 nach einem anderen Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem der Ringmagnet 12 mit einem seitlich am Umfang umlaufenden Absatz 16 versehen ist. 5 zeigt darüber hinaus, wie eine Umhüllung 17 den Ringmagneten 12 weitgehend formschlüssig, zum Beispiel durch Bördeln, umschließt, bis auf die Wirkungsfläche 15, die auch hier einen ungehinderten Austritt der magnetischen Feldlinien zu den Magnetflussleitelementen und zum Magnetfeldsensor 8 in der Statorbaugruppe 7 nach der 1 erlauben soll.
6 zeigt eine Detaildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Ringmagneten 12, bei dem der Ringmagnet 12 zunächst an ein Umhüllungsteil 18 am Träger angefügt wird und dann das verbleibende offene Ende der Umhüllung mit einem zweiten Umhüllungsteil 19 verschlossen wird, zum Beispiel durch Schweißen.
In 7 ist eine Detaildarstellung eines Ausführungsbeispiels des Ringmagneten 12 gezeigt, bei dem der Ringmagnet 12 wie beim Ausführungsbeispiel nach der 6, zunächst an ein Umhüllungsteil 18 am Träger angefügt wird und dann das verbleibende offene Ende der Umhüllung mit einem zweiten Umhüllungsteil 19 verschlossen wird, zum Beispiel hier durch Bördeln.
8 und 9 zeigen weitere Ausführungsbeispiele des Ringmagneten 12, bei dem entsprechend den 6 und 7 das offene Ende der Umhüllung des Ringmagneten 12 mit einem zweiten Umhüllungsteil 19 verschlossen wird, zum Beispiel hier durch eine Vernietung (8) oder durch eine andere Art der Bördelung (9). 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem im Ringmagnet 12 axiale Steg 21 vorhanden sind, die in axiale Nuten 22 im Träger 23 eingreifen um ein Verdrehen des Ringmagneten 12 zu verhindern.
Aus 11 ist noch mit Bezug auf die Darstellung nach der 1 ein Querschnitt durch die dort gezeigte Anordnung dargestellt, wobei die Magnetbaugruppe 6 und die außen gegenüberliegende Statorbaugruppe 7 zu sehen ist. Weiterhin ist auch eine ortsfeste Einheit 24 vorhanden, die außen am Gehäuse 11 nach der 1 angebracht ist.
Durch eine entsprechende Gestaltung des Trägers für den Ringmagneten 12 können zur Anbindung an die Lenkwelle 1 unterschiedliche Befestigungskonzepte realisiert werden. Mögliche Variationen sind zum Beispiel ein Wärmeeinbetten der Magnetbaugruppe 6 auf der Lenkwelle 1, wobei der notwendige Formschluss durch eine in der Lenkwelle 1 enthaltene Geometrie erreicht wird. Auch ist ein Aufpressen der Magnetbaugruppe 6 auf die Lenkwelle 1, ein Verschweißen der Magnetbaugruppe 6 mit der Lenkwelle 1 oder ein Kleben der Magnetbaugruppe 6 auf die Lenkwelle 1 möglich.
Zur Zusammenführung der Zusammenführung beider Baugruppen 6 und 7 können beide Baugruppen 6 und 7 zeitlich getrennt auf die Lenkwelle 1 montiert werden. Während der Montage der Magnetbaugruppe 6 muss diese dann zusätzlich zur Statorbbaugruppe 8 auf der Lenkwelle 1 ausgerichtet werden, wobei die eigentliche Fixierung erst nach der Ausrichtung erfolgt. Bei einer teilweiser Umhüllung des Ringmagneten 12 nach den 6 bis 9 kann die Magnetbaugruppe 6 in die Statorbaugruppe 7 mit einer Lagesicherung 25 (11) ab Werk so integriert werden, das diese vorausgerichtet auf die Lenkwelle 1 gemeinsam mit dieser montiert werden kann. Die zeitlich getrennte Montage der Baugruppen 6 und 7 entfällt somit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10240049 A1 [0003]
- DE 10316124 A1 [0006]
- DE 19836451 C2 [0010]

Claims

Ringmagnet (12) aus kunststoffgebunden Magnetteilchen, der auf einem Träger (9) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringmagnet (12) eine solche Geometrie aufweist, die mit Ausnahme einer äußeren Wirkungsfläche (15) in eine nahezu formschlüssig anliegende Umhüllung (14; 17; 18, 19) eingebettet ist, die auch teilweise Bereiche in Richtung der Wirkungsfläche (15) einschließt.
Ringmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich in Richtung der Wirkungsfläche (15) aus einer seitlich umlaufenden Fase (13) besteht.
Ringmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich in Richtung der Wirkungsfläche (15) aus einem seitlich umlaufenden Absatz (16) besteht.
Ringmagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (14; 17; 18, 19) durch Biegen, Bördeln oder Nieten um den Ringmagneten (12) geformt wird.
Ringmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (14; 17; 18, 19) durch ein Schweißverfahren, vorzugsweise Ultraschallschweißen oder Laserschweißen um den Ringmagneten (12) geformt wird.
Ringmagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (14; 17; 18, 19) Bestandteil des Trägers (9, 10) ist.
Ringmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (14; 17; 18, 19) als separates Bauteil an den Träger (9) angefügt ist.
Ringmagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Innendurchmesser des Ringmagneten (12) eine Formschlussgeometrie angeordnet ist, die korespondierend zu einer Formschlussgeometrie auf dem Träger eine Verdrehung verhindert.
Ringmagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (14; 17; 18, 19) aus Kunststoff, Metall oder einer Kombination aus beiden besteht.
Ringmagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringmagnet (12) Bestandteil einer Drehmomentsensoranordnung (5) ist, die vorzugsweise an der Lenkwelle (1) in einem Kraftfahrzeug, angebracht ist, der an zwei axial sich gegenüberliegenden Teilwellen (2, 3) der Lenkwelle (1) befestigt ist und eine Drehwinkeländerung zwischen den Teilwellen (2, 3) erfasst.