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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erfassung eines
rotierenden Magnetfelds nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Bei
dem Einsatz von Elektromotoren für
den Antrieb von Aggregaten oder Nebenaggregaten in Kraftfahrzeugen
spielt in der Regel die Information über die aktuelle Drehlage des
Rotors im Motor eine wichtige Rolle, beispielsweise bei Antriebsmotoren von
Wischeinrichtungen in Kraftfahrzeugen, in Stellantrieben für Getriebe-
oder Hydrauliksysteme oder in elektrisch betätigbaren Lenkantrieben. Zur
Feststellung der Drehlage werden oftmals Einrichtungen zur Erfassung
eines rotierenden Magnetfeldes eingesetzt, die einen Sensor- bzw.
Gebermagneten und einen Magnetfeldsensor zur Detektierung des vom Sensormagneten
erzeugten Magnetfeldes umfassen. Der Sensormagnet ist mit dem Rotor
des Elektromotors drehfest verbunden und weist daher die gleiche
Drehzahl wie der Rotor auf. Das sich periodisch ändernde Magnetfeld des rotierenden
Sensormagneten wird von dem Magnetfeldsensor erfasst, woraus der
aktuelle Drehwinkel des Rotors ermittelt werden kann.
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Für absolut
messende Systeme, beispielsweise für AMR- und GMR-Sensoren, werden
als Sensormagnete üblicherweise
zweipolig magnetisierte Platten oder Scheiben eingesetzt, wobei
der Sensor mit Abstand zur Magnetoberfläche angeordnet ist und das
rotierende Magnetfeld erfasst. Die Relativposition des Sensors bezogen
auf den Sensormagneten hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Stärke des
ermittelten Signales, da die Amplitude des Signales mit zunehmendem
Abstand zur Magnetoberfläche
stark abfällt.
Die Position des Sensors bezogen auf den Sensormagneten hat einen
hohen Einfluss auf die Güte
des Messergebnisses, so dass sich Fertigungs- und Bauteiltoleranzen
insbesondere bei geringem Abstand zum Magneten verhältnismäßig stark
auswirken. Eine Vergrößerung des
Abstandes zur Magnetoberfläche
verringet zwar die Abhängigkeit
von Toleranzen, allerdings nimmt zugleich die magnetische Flussdichte
ab, so dass empfindlichere Sensoren eingesetzt werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen konstruktiven
Maßnahmen
eine Einrichtung zur Erfassung eines rotierenden Magnetfeldes, die
einen Sensormagneten und einen zugeordneten Sensor umfasst, so auszubilden,
dass die Sensorsignale weniger stark von der Lage des Sensors bezogen
auf den Magneten abhängen,
d. h. dass sich einerseits die Winkelfehler des Ausgangssignals verringern
und dass sich andererseits der axiale Einsatzbereich des Sensorsystems
vergrößert.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche
geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung
zur Erfassung eines rotierenden Magnetfeldes wird vorzugsweise in
Elektromotoren, insbesondere als Stellmotor eines Aggregats bzw.
Nebenaggregats in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, beispielsweise
als Wischermotor in Wischereinrichtungen, als Fensterhebermotor
oder ggf. auch als Stellmotor für
Getriebe- oder Hydrauliksysteme, in einem Lenk- oder Bremssystem. Die Einrichtung umfasst
einen Geber- bzw. Sensormagneten und einen zugeordneten Magnetfeldsensor,
wobei der Sensormagnet in der Anwendung bei einem elektrischen Verstellmotor
drehfest mit dem Rotor verbunden wird und damit die gleiche Drehzahl
wie der Rotor aufweist. Das bei der Rotation des Sensormagneten
erzeugte Magnetfeld wird von dem Magnetfeldsensor erfasst und kann
zur Berechnung der Drehwinkellage bzw. einer Änderung der Drehwinkellage
herangezogen werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Einrichtung
ist der Sensormagnet zumindest annähernd ringförmig ausgebildet und schließt eine
innere Ausnehmung zumindest teilweise ein, in der die Magnetfeldlinien zwischen
den Polen des Magneten verlaufen; die innere Ausnehmung bildet einen
von dem umgebenden Ring des Sensormagneten umschlossenen Magnetfeldlinienraum.
Der Magnetfeldsensor ist innerhalb einer von der inneren Ausnehmung
begrenzten Einhüllenden,
jedoch mit axialem Abstand zur inneren Ausnehmung angeordnet. Dies
bedeutet, dass der Sensor zwar mit axialem Abstand zum Magneten, jedoch
unmittelbar oberhalb der inneren Ausnehmung im Magneten angeordnet
ist, wobei die Einhüllende
mit der Innenwand des ringförmigen
Sensormagneten zusammenfällt,
die die innere Ausnehmung bzw. Magnetfeldraum begrenzt, jedoch axial die
Innenwand überragt.
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Die
Magnetfeldlinien verlaufen innerhalb der inneren Ausnehmung zumindest
annähernd
parallel zur Mittelebene des ringförmigen Sensormagneten. Mit
axialem Abstand zur Stirnseite des Sensormagneten nehmen die Feldlinien
des Magnetfeldes einen gekrümmten
Verlauf ein, wobei sich bei der erfindungsgemäßen Einrichtung gezeigt hat,
dass auch mit axialem Abstand zur Oberseite des Magneten ein konstanter
Flussdichteverlauf erreicht werden kann. Auf Grund der Positionierung
des Sensors innerhalb des von der Einhüllenden begrenzten Raumes wird eine
Verringerung der Abhängigkeit
der Sensorsignale von dem Achsabstand erreicht, so dass zum einen Bauteil-
und Montagetoleranzen weniger stark auf das Sensorergebnis durchschlagen
und zum andern die Sensoren auch in einem wesentlich größerem Achsabstandsbereich
zum Magneten eingesetzt werden können.
Dementsprechend können
auch kostengünstigere Magnetmaterialien
verwendet und/oder kleiner dimensionierte Sensormagnete eingesetzt werden.
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Als
Magnetfeldsensor wird vorzugsweise ein GMR-Sensor (Giant Magneto
Resistance) eingesetzt. Hierbei kann eine deutliche Reduzierung
der Baulänge
erreicht werden. Grundsätzlich
kommt aber auch eine Anwendung sonstiger Magnetfeldsensoren in Betracht,
beispielsweise AMR-Sensoren (anisotroper magnetoresistiver Effekt).
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Um
den gewünschten
Effekt eines möglichst konstanten
Flussdichteverlaufes über
einen großen axialen
Abstandsbereich zwischen Sensor und Sensormagnet zu erreichen, können zusätzlich zu
der die Grundvoraussetzung der inneren, zentrischen Ausnehmung im
Magneten weitere Bedingungen erfüllt sein,
insbesondere konstruktive Bedingungen, die zu einer Optimierung
des gewünschten
Effektes beitragen. Beispielsweise wird ein bestimmtes Verhältnis von
Innendurchmesser zu Außendurchmesser
des Sensormagneten vorgegeben, wobei das Verhältnis vorzugweise zwischen
0.1 und 0.5 liegt. Liegt das Verhältnis in der Nähe des Wertes
0.5, so bedeutet dies, dass der Magnet bezogen auf den Außendurchmesser
eine verhältnismäßig große innere
Ausnehmung aufweist, wodurch auch der Bereich, in welchem der Sensor
axial oberhalb des Magneten positioniert werden kann, entsprechend
vergrößert ist.
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Des
Weiteren hat es sich als zweckmäßig erwiesen,
den Sensormagneten mit einer axialen Gesamthöhe bzw. -dicke von 1 mm bis
etwa 8 mm auszustatten. Der Außendurchmesser
des Sensormagneten beträgt
vorzugsweise 5 mm bis 50 mm.
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Des
Weiteren ist es zweckmäßig, dass
die radiale Außenkontur
und die radiale Innenkontur des Sensormagneten zumindest annähernd konzentrisch zueinander
verlaufen. Im Falle einer kreisförmigen Außenkontur
ist somit auch die Innenkontur kreisförmig, dementsprechend weist
die den innen liegenden Magnetfeldlinienraum begrenzende Einhüllende Zylinderform
auf.
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Anstelle
kreisförmiger
Konturen kommen auch nicht-kreisförmige, konzentrische Außen- und Innenkonturen
in Betracht, beispielsweise eckige Konturen wie zum Beispiel quadratische
oder rechteckige. Grundsätzlich
sind auch nicht-konzentrische Ausführungen möglich.
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Als
weitere Optimierungsmaßnahme
kann der Übergang
von der Außenkontur
zu einer axialen Stirnseite des Sensormagneten, insbesondere derjenigen
Seite, an der der Sensor angeordnet ist, symmetrisch gestaltet sein
zum Übergang
von der Innenkontur zu der gleichen axialen Stirnseite. Des Weiteren
ist es möglich,
an der Innenkontur und/oder der Außenkontur einen Fase vorzusehen,
wobei es möglich
ist, sowohl unterschiedliche Fasenwinkel als auch gleiche Fasenwinkel
vorzusehen, beispielsweise einen Fasenwinkel von 45°. Darüber hinaus
kann auch eine abgerundete Fase vorgesehen sein, insbesondere mit
konstantem Radius. Die axiale Höhe
der Fase beträgt,
bezogen auf die Gesamthöhe
des Sensormagneten, zwischen 10% und 90%, beispielsweise 50% oder
60%. Bei symmetrischer Ausführung
ist die radial innen liegende Fase gleich gestaltet wie die radial
außen
liegende Fase.
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Grundsätzlich kommt
als Alternative zu einer symmetrischen Ausführung auch eine nicht-symmetrische
Ausführung
bei der Ausbildung von radialer Außenkontur und radialer Innenkontur
auf der dem Sensor zugewandten Seite in Betracht. Beispielsweise
kann die betreffende axiale Stirnseite des Sensormagneten in Richtung
auf die Innenkontur geradlinig abfallen, ggf. in Kombination mit
einer geraden oder abgerundeten Fase im unmittelbaren Übergang
zur Innenkontur.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführung
ist vorgesehen, dass der Magnetfeldsensor entlang der Längsachse
des Sensormagneten angeordnet ist. Entlang der Achse verlaufen die
Magnetfeldlinien des Sensormagneten zumindest annähernd senkrecht
zur Achse, wohingegen mit seitlichem Abstand zur Achse die Magnetfeldlinien
unter einem Winkel zu der Achse gerichtet sind. Der entlang der Achse
gleich bleibende Winkel von etwa 90° ermöglicht es, den Sensor an unterschiedlichen
Achspositionen entlang der Achse zu positionieren, ohne dass dies
mit einer sich erheblich ändernden
Flussdichte einhergeht. Das Design des Sensormagneten mit innerer
Ausnehmung hat den Vorteil, dass bei einer Abweichung der Sensormagnet-
oder Sensorposition von der Längsachse
das generierte Messsignal aufgrund des homogeneren Magnetfelds im
Vergleich zu Ausführungen
aus dem Stand der Technik eine geringere Winkelabweichung aufweist.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Einrichtung zur Erfassung eines rotierenden
Magnetfeldes, mit einem ringförmigen
Sensormagneten, der eine zentrische Ausnehmung aufweist, und einem Magnetfeldsensor,
der mit axialem Abstand entlang der Längsachse des Sensormagneten
angeordnet ist,
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2 einen
Schnitt durch den ringförmigen Sensormagneten,
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3 bis 10 verschiedene
Ausführungsvarianten
für die
konstruktive Ausgestaltung des Sensormagneten.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
eine Einrichtung 1 zur Erfassung eines rotierenden Magnetfeldes
dargestellt, bestehend aus einem ringförmigen Sensormagneten 2 und einem
Magnetfeldsensor 3, der im Magnetfeld des Magneten 2 angeordnet
und in der Lage ist, die Magnetfeldrichtung zu sensieren. Das Magnetfeld 5,
das vom Sensor- bzw. Gebermagneten 2 ausgeht, erstreckt
sich in einem Magnetfeldlinien- bzw. Innenraum, welcher als innere
Ausnehmung 6 des ringförmigen
Sensormagneten 2 ausgeführt
ist, etwa parallel zur Mittelebene des Sensormagneten 2.
Mit axialem Abstand zur Stirnseite des Sensormagneten 2 treten
die Magnetfeldlinien aus dem Sensormagneten heraus und beschreiben
ausgehend von einem Pol des zweipoligen, mit Nordpol N und Südpol S bezeichneten
Magneten, einen Bogen, bei dem die Magnetfeldlinien beim zweiten
Pol wieder in das Material des Sensormagneten eintreten.
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Mit
axialem Abstand a befindet sich oberhalb des Sensormagneten 2 der
Magnetfeldsensor 3, der insbesondere entlang der Längsachse 4 des
Sensormagneten 2 angeordnet ist. Entlang der Längsachse verlaufen
die Magnetfeldlinien des Magnetfeldes 5 ebenfalls etwa
parallel zur Ebene des Sensormagneten. Der Magnetfeldsensor 3 kann
ggf. auch mit lateraler Abweichung gegenüber der Längsachse 4 angeordnet
sein, er liegt aber bevorzugt innerhalb einer Einhüllenden,
die durch die Innenseite bzw. -kontur 8 der inneren Ausnehmung 6 innerhalb
des Sensormagneten 2 geführt ist und sich in Achsrichtung
parallel zur Längsachse 4 erstreckt.
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Bei
dem Magnetfeldsensor 3 handelt es sich insbesondere um
einen GMR-Sensor. Es kommen darüber
hinaus aber auch andere Sensortypen in Betracht, insbesondere AMR-Sensoren,
TMR-Sensoren, Hall-Sensoren,
P-Hall-Sensoren oder anderweitige Sensortypen.
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Für das Material
des Sensormagneten 2 können
kunststoffgebundene Magnetmaterialien eingesetzt werden, die beispielsweise
Ferrit, SmCo oder NdFeB enthalten. Grundsätzlich kommt aber auch gesinterte
Materialien aus Ferrit, SmCo oder NdFeB in Betracht.
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Die
Einrichtung 1 wird bevorzugt zur Lagedetektierung des Rotors
eines Elektromotors eingesetzt. Hierzu wird der Sensormagnet 2 drehfest
mit dem Rotor des Elektromotors verbunden, wohingegen der Magnetfeldsensor 3 gehäusefest
angeordnet ist. Möglich
ist aber auch eine umgekehrte Anordnung, bei der der Magnetfeldsensor
fest mit dem Rotor und der Sensor- bzw. Gebermagnet gehäusefest angeordnet
ist.
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In 2 ist
der Sensormagnet 2 im Schnitt dargestellt. Die Gesamthöhe bzw.
-Dicke ist mit h bezeichnet, der Innendurchmesser der inneren Ausnehmung 6 mit
d, der Außendurchmesser
an der Außenkontur 7 mit
D. Auf der dem Sensor zugewandten Seite besitzt der Sensormagnet 2 im
Bereich der Außenkontur 7 und
im Bereich der Innenkontur 8 jeweils eine Fase 9 bzw. 10,
die gegenüber
der Längsachse 4 bzw.
einer Parallelen zur Längsache
einen Winkel α bzw. β einnimmt.
Im Ausführungsbeispiel
sind die Winkel α und β gleich groß, sie betragen
etwa 45°. Grundsätzlich kommen
aber auch unterschiedlich große
Winkel α und β für die Fase 9 bzw. 10 an
der Außenkontur 7 bzw.
der Innenkontur 8 in Betracht.
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Die
axiale Höhe
der Fasen 9 und 10 ist mit c bezeichnet. Die axiale
Höhe c
der Fasen 9 und 10 liegt zwischen 10% und 90%
der axialen Gesamthöhe
h des Sensormagneten. Im Ausführungsbeispiel liegt
c bei etwa 60% von h.
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Das
Verhältnis
d zu D von Innendurchmesser d zu Außendurchmesser D liegt vorzugsweise
zwischen 0.1 und 0.7. In absoluten Zahlen beträgt der Außendurchmesser D vorteilhafterweise
5 mm bis 50 mm, die axiale Gesamthöhe h liegt bei 1 mm bis 8 mm.
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In
den 3 bis 10 sind verschiedene Ausführungsvarianten
für den
Sensormagneten 2 dargestellt.
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In 3 ist
der Sensormagnet 2 als zylindrischer Ring mit durchgehend
zylindrischer Außenkontur 7 und
Innenkontur 8 im Bereich der inneren Ausnehmung 6 ausgeführt.
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Gemäß 4 ist
die Außenkontur 7 zylindrisch
ausgebildet, die Innenkontur 8 weist eine Fase 10 auf.
Die Einhüllende
durch die Innenkontur 8 kann entweder im Bereich des zylindrischen
Abschnittes durch die Innenkontur 8 gelegt sein oder, gemäß alternativer
Ausführung,
durch den Übergang
zwischen der Fase 10 und der Stirnfläche des Sensormagneten 2,
die im montierten Zustand dem Magnetfeldsensor zugewandt ist; im
letzteren Fall ist die Fase von der Einhüllenden eingeschlossen.
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In 5 ist
ausschließlich
eine Fase 9 im Bereich der Außenkontur 7 vorgesehen,
wohingegen die Innenkontur 8 zylindrisch und ohne Fase
ausgeführt
ist.
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Im
Ausführungsbeispiel
gemäß 6 ist
sowohl eine Fase 9 im Bereich der Außenkontur 7 als auch
eine Fase 10 im Bereich der Innenkontur 8 vorgesehen;
dieses Ausführungsbeispiel
entspricht demjenigen nach 2.
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In 7 ist
ebenfalls eine Fase an der Innenseite und der Außenseite vorgesehen, wobei
der Übergang
der Fase 10 im Bereich der Innenkontur zum zylindrischen
Abschnitt der Innenkontur abgerundet ausgebildet ist.
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Die 8 und 9 entsprechen
im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel
nach 7, jedoch mit zunehmender Abrundung im Übergang
zwischen der zylindrischen Innenkontur zur Fase 10.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 10 erstreckt sich die Fase 10 radial
nach außen
bis zum Erreichen der äußeren Fase 9,
die der Außenkontur 7 zugeordnet
ist.