DE102008042912A1

DE102008042912A1 - Sensoreinrichtung zum Erfassen der Drehlage eines rotierenden Bauteils

Info

Publication number: DE102008042912A1
Application number: DE102008042912A
Authority: DE
Inventors: Martin Heyder; Torsten Wilharm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-10-16
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2010-04-22
Also published as: EP2338031A2; CN102187181A; CN102187181B; WO2010043478A3; WO2010043478A2; JP2012506034A

Abstract

Eine Sensoreinrichtung zum Erfassen der Drehlage eines rotierenden Bauteils weist einen ringförmigen Gebermagneten auf, wobei zwei den Gebermagneten einfassende Flussleitelemente vorgesehen sind, von denen mindestens ein erstes Flussleitelement mindestens eine sich axial am Außenumfang des Gebermagneten erstreckende Flussleitklaue aufweist, deren freie Stirnseite auf Abstand zum zweiten Flussleitelement liegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinrichtung zum Erfassen der Drehlage eines rotierenden Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
In der DE 10 2005 004 322 A1 wird ein Elektromotor beschrieben, der einen Statur und einen drehbar gelagerten Rotor aufweist, wobei die Drehlage des Rotors mithilfe einer Sensoreinrichtung erfasst wird. Die Sensoreinrichtung wird von einem mit dem Rotor umlaufenden Gebermagneten sowie einem am Statur angeordneten Hall-Sensor gebildet, der Änderungen der magnetischen Flussdichte detektiert, welche beim Umlaufen des Rotors auftreten. Um die Lageerkennung zu verbessern, ist ein Flussleitelement aus ferromagnetischem Material am Rotor benachbart zum Gebermagneten in der Weise angeordnet, dass der magnetische Fluss des Gebermagneten in Richtung des Hallsensors geleitet wird, welcher in unmittelbarer Nähe zum Flussleitelement am Statur angeordnet ist. Auf diese Weise kann die magnetische Flussdichte unmittelbar am Ort das Hallsensors erhöht werden, so dass der Hallsensor ein besseres Messsignal liefert.
Hierbei ist allerdings zu beachten, dass das Flussleitelement sich in Richtung beider Pole des Gebermagneten erstrecken muss, um einen magnetischen Rückfluss herzustellen. Daraus ergeben sich konstruktive Einschränkungen bei der Gestaltung der Sensoreinrichtung.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Sensoreinrichtung zum Erfassen der Drehlage eines rotierenden Bauteils mit einfachen konstruktiven Maßnahmen so auszubilden, dass ein Messsignal hoher Güte bei zugleich kompakten Abmessungen der Einrichtung erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung eignet sich insbesondere für Anwendungen in Elektromotoren, vorzugsweise in Elektromotoren für Hilfsaggregate in Kraftfahrzeugen wie beispielsweise eine Wasserpumpe im Fahrzeug-Kühlkreislauf, ein Antriebsmotor in Scheibenwischeinrichtungen, Stellmotoren für elektrisch betätigbare Fahrzeugbauteile oder Servomotoren in Lenkeinrichtungen mit elektrischer Lenkunterstützung. Darüber hinaus kommt auch eine Anwendung in Elektromotoren von Werkzeugmaschinen, insbesondere in Handwerkzeugmaschinen in Betracht. Möglich ist aber auch eine Anwendung der Sensoreinrichtung in Kraftfahrzeugen oder in Werkzeugmaschinen außerhalb von Elektromotoren, beispielsweise an Wellen wie z. B. einer Lenkwelle oder einer Werkzeugspindel, um die Drehwinkellage der Welle feststellen zu können.
Die Sensoreinrichtung umfasst einen ringförmigen Gebermagneten, der axial zweipolig magnetisiert ist, sowie zwei den ringförmigen Gebermagneten einfassende Flussleitelemente, von denen ein Flussleitelement mindestens eine sich axial am Außenumfang des Gebermagneten erstreckende Flussleitklaue aufweist, deren freie Stirnseite auf Abstand zum zweiten Flussleitelement liegt. Auf Grund des ferromagnetischen oder ggf. weichmagnetischen Materials der Flussleitelemente sind diese in der Lage, das vom Gebermagneten ausgehende Magnetfeld in Richtung auf den Hallsensor zu leiten, so dass am Ort des Hall-Sensors eine höhere Flussdichte des Magnetfeldes als ohne derartige Flussleitelemente erzielt werden kann. Zugleich stellt die erfindungsgemäße geometrische Ausführung der Flussleitelemente mit mindestens einer am Außenumfang angeordneten Flussleitklaue sicher, dass trotz der einfach ausgeführten axialen Magnetisierung des Gebermagneten beim Umlaufen des Magneten eine sich ändernde Magnetflussdichte am Ort des registrierenden Hallsensors auftritt.
Diese Ausführung ermöglicht es, auf verhältnismäßig aufwändige, mehrpolig magnetisierte Gebermagnete zu verzichten und stattdessen einen einfachen, ringförmig ausgebildeten Gebermagneten einzusetzen, der lediglich mit einer axialen Magnetisierung versehen ist, die sich über den gesamten Umfang des Gebermagneten erstreckt. Änderungen im Magnetfeld werden über die mindestens eine Flussleitklaue am Außenumfang des Gebermagneten erreicht. Diese Änderung wird bei dem Umlaufen des Gebermagneten von dem Hallsensor registriert.
Zweckmäßigerweise befindet sich im Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Flusselement im Bereich der Flussleitklaue ein Luftspalt, über dessen Breite Einfluss auf die Magnetfeldänderung im Übertritt vom ersten zum zweiten Flussleitelement genommen werden kann.
Gemäß zweckmäßiger Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Flussleitklaue sich zumindest im Wesentlichen über die axiale Breite des Gebermagneten an dessen Außenumfang erstreckt. Insbesondere in Kombination mit einem scheibenförmigen Grundkörper, der axial an einer Stirnseite des Gebermagneten anliegt, ergibt sich eine den Gebermagneten axial sowie teilweise den Außenumfang einfassende geometrische Konfiguration des Flussleitelementes. Da die Magnetfeldlinien des axial magnetisierten Gebermagneten in Achsrichtung über den Außenumfang verlaufen, wird durch die Anordnung der Flussleitklaue in Achsrichtung am Außenumfang eine Bündelung der Magnetfeldlinien erreicht. Zugleich ist der Gebermagnet zumindest an einer axialen Stirnseite von dem Flussleitelement eingefasst und damit auch geschützt, was zudem in Platz sparender Weise erreicht wird, da sich der Grundkörper des Flussleitelements parallel zur axialen Stirnseite des Gebermagneten und die Flussleitklaue parallel zur Außenseite in Achsrichtung erstreckt, so dass die äußeren Dimensionen des Gebermagneten durch die Flussleitelemente nur geringfügig vergrößert werden. Über den Luftspalt zwischen den aneinandergrenzenden Abschnitten der Flussleitelemente wird der Verlauf der Magnetflussdichte beeinflusst.
Gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung erstreckt sich der Abschnitt des zweiten Flussleitelements in dem der Flussleitklaue des ersten Flussleitelements benachbarten Abschnitt nur in einer Ebene, die mit der Stirnseite des Gebermagneten zusammenfällt bzw. geringfügig parallel versetzt zu dieser angeordnet ist. Diese Ausführung lässt sich konstruktiv einfach realisieren, da das zweite Flussleitelement in diesem angrenzenden Abschnitt ohne Flussleitklaue ausgebildet ist, so dass die Flussleitklaue des ersten Flussleitelements unmittelbar an den scheiben- oder ringförmigen, ebenen bzw. plattenförmigen Grundkörper des zweitem Flussleitelements angrenzt, der an der zweiten axialen Stirnseite des Ringmagneten anliegt. Es kann zweckmäßig sein, dass das zweite Flussleitelement in diesem Bereich den Außenumfang des Gebermagneten radial überragt, so dass der Luftspalt zwischen erstem Flussleitelement im Bereich der Flussleitklaue und dem zweiten Flussleitelement sich mit radialem Abstand zum Außenumfang des Gebermagneten befindet.
Gemäß einer bevorzugten weiteren Ausführung weist auch das zweite Flussleitelement mindestens eine Flussleitklaue auf, die sich in Achsrichtung am Außenumfang des Gebermagneten erstreckt und deren freie Stirnseite auf Abstand zum ersten Flussleitelement liegt. Außerdem befindet sich zwischen erster und zweiter Flussleitklaue an den verschiedenen Flussleitelementen in Umfangsrichtung des Gebermagneten gesehen ebenfalls ein Luftspalt, so dass die Magnetfeldlinien sich nicht nur in Achsrichtung zwischen erster Flussleitklaue und dem benachbarten Abschnitt des zweiten Flussleitelementes erstrecken, sondern zusätzlich auch in Umfangsrichtung des Gebermagneten zwischen erster und zweiter Flussleitklaue. Da jedes Flussleitelement mit jeweils einem Pol des Gebermagneten verbunden ist, nehmen auch die Flussleitklauen eine entsprechende Magnetisierung an, so dass bei einer Anordnung der Flussleitklauen benachbart zueinander in Umfangsrichtung des Gebermagneten gesehen auch entsprechende Feldlinien in dieser Richtung verlaufen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung sind über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von Flussleitklauen am ersten Flussleitelement und zweckmäßigerweise auch am zweiten Flussleitelement angeordnet. Konstruktiv lassen sich die Flussleitklauen in einfacher Weise dadurch herstellen, dass eine sternförmige Grundplatte aus ferromagnetischem oder weichmagnetischem Material, die das Ausgangsmaterial für das Flussleitelement bildet, durch Umformen so gestaltet wird, dass die radial überstehenden Flussleitklauen gegenüber dem Grundkörper um 90° umgebogen werden. Hierbei erweist es sich als zweckmäßig, zwei zueinander identische Flussleitelemente auszubilden, die jeweils mit einer Mehrzahl von über den Umfang verteilten Flussleitklauen versehen sind, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Flussleitklauen eine Lücke herrscht, die im montierten Zustand zur Aufnahme einer Flussleitklaue des jeweils anderen Flussleitelementes dient. Auf diese Weise können komplementär ineinandergreifende Flussleitelemente hergestellt werden, die in montierter Position den Gebermagneten zumindest an den axialen Stirnseiten und am Außenumfang annähernd vollständig umschließen, wobei jeweils zwei Flussleitklauen unterschiedlicher Flussleitelemente unmittelbar benachbart zueinander sich entlang des Umfangs des Gebermagneten erstrecken.
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, dass der Gebermagnet sowie die beiden Flussleitelemente an dem rotierenden Bauteil drehfest angeordnet sind, dessen Drehlage mithilfe der Sensoreinrichtung ermittelt werden soll. Der Hallsensor ist dagegen ortsfest angeordnet. Bei der Rotation des Bauteiles bewegen sich die Flussleitelemente an dem feststehenden Hallsensor vorbei; während der Relativbewegung zwischen dem rotierenden Bauteil und dem feststehenden Hallsensor werden die Magnetfeldänderungen vom Hallsensor registriert. In Betracht kommt aber auch eine Ausführung, bei der der Hallsensor fest mit dem rotierenden Bauteil verbunden ist und der Gebermagnet einschließlich der Flussleitelemente ortsfest gehalten ist, so dass der Hallsensor an dem ortsfest positionierten Gebermagneten vorbei bewegt wird.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines von zwei komplementär zueinander ausgebildeten Flussleitelementen eingefassten Gebermagneten als Teil einer Sensoreinrichtung zum Erfassen der Drehlage eines rotierenden Bauteils,
2 einen Schnitt durch den Gebermagneten.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, umfasst die Sensoreinrichtung 1 einen ringförmigen Gebermagneten 2, der axial magnetisiert ist, was in 2 mit ”N” für Nordpol und ”S” für Südpol dargestellt ist. Der Gebermagnet 2 ist auf einem nicht-magnetischen Zentrierring 3 gehalten, über den der Gebermagnet 2 drehfest auf einem rotierenden Bauteil aufsitzt, beispielsweise auf der Ankerwelle eines Rotors in einem Elektromotor. Im Betrieb läuft das Bauteil um die Drehachse 6 um, die zugleich die Drehachse des Gebermagneten 2 bildet.
Der Gebermagnet 2 ist von zwei identisch aufgebauten Flussleitelementen 4 und 5 eingefasst, die aus einem ferromagnetischen oder einem weichmagnetischen Material bestehen und die Funktion haben, das vom Gebermagneten erzeugte Magnetfeld in eine gewünschten Richtung zu lenken bzw. zu leiten. Über die beiden Flussleitelemente 4 und 5 wird, über den Umfang des Gebermagneten 2 gesehen, ein ungleichmäßiges Magnetfeld erzeugt, wobei Magnetflussdichteunterschiede von einem Hallsensor 7 (2), der Bestandteil der Sensoreinrichtung 1 ist, detektiert werden. Die mithilfe der Flussleitelemente 4 und 5 über den Umfang ungleichmäßig verteilte Magnetflussdichte wird von dem Hallsensor 7 registriert, wobei jede Flussdichteänderung ein entsprechendes Signal im Hallsensor 7 generiert. Auf diese Weise kann die aktuelle Drehlage des Gebermagneten 2 und damit auch des rotierenden Bauteiles detektiert werden.
Jedes Flussleitelement 4 bzw. 5 besteht aus einem scheibenförmigen Grundkörper 4a bzw. 5a und Flussleitklauen 4b bzw. 5b, die gegenüber dem Grundkörper um 90° abgewinkelt sind. Der Grundkörper 4a, 5a ist scheiben- bzw. ringförmig ausgebildet und liegt an der axialen Stirnseite des Gebermagneten 2 an. Der Grundkörper 4a des ersten Flussleitelementes 4 befindet sich am Nordpol, der Grundkörper 5a des zweiten Flussleitelementes 5 am Südpol des Gebermagneten 2. Da die Flussleitklauen 4b und 5b der beiden Flussleitelemente 4 bzw. 5 gegenüber dem jeweiligen Grundkörper 4a bzw. 5a um 90° umgebogen sind, befinden sich die Flussleitklauen am Außenumfang des Gebermagneten 2 und erstrecken sich in Achsrichtung. Die Flussleitklauen 4b und 5b sind so ausgeführt, dass sie sich am Außenumfang des Gebermagneten 2 zumindest annähernd über die axiale Ausdehnung des Gebermagneten erstrecken.
Über den Umfang sind eine Mehrzahl gleichmäßig verteilter Flussleitklauen 4b und 5b an dem Flussleitelement vorgesehen, wobei der Abstand zwischen benachbarten Flussleitklauen 4b bzw. 5b in der Weise bemessen ist, dass eine Flussleitklaue des jeweils anderen Flussleitelementes in die entstehende Lücke hineinpasst. Zwischen unmittelbar benachbarten Flussleitklauen 4b und 5b verschiedener Flussleitelemente liegt jeweils ein schmaler Luftspalt, ebenso in Achsrichtung zwischen der Stirnseite einer Flussleitklaue 4b bzw. 5b zum Grundkörper 5a bzw. 4a des jeweils anderen Flussleitelementes. Wie 2 zu entnehmen, steht der Grundkörper eines Flussleitelementes radial über den Außenumfang des Gebermagneten über. Über den Umfang verteilt weist jedes Flussleitelement 4 bzw. 5 insgesamt neun Flussleitklauen 4b bzw. 5b auf.
Wie 2 zu entnehmen, ist der Hallsensor 7 vorzugsweise mit radialem Abstand zum Außenumfang des Gebermagneten bzw. der Flussleitklauen angeordnet. Grundsätzlich möglich ist aber auch, wie ebenfalls in 2 dargestellt, eine Positionierung des Hallsensors 7 benachbart zu einer der Stirnseiten des Gebermagneten, uns zwar entweder wie gezeigt innerhalb des radialen Außenumfangs des Gebermagneten oder außerhalb des Außenumfangs.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005004322 A1 [0002]

Claims

Sensoreinrichtung zum Erfassen der Drehlage eines rotierenden Bauteils, mit einem ringförmigen Gebermagneten (2), mindestens einem Flussleitelement (4, 5) und einem Hallsensor (7) zur Erfassung des vom Gebermagneten (2) ausgehenden und über das Flussleitelement (4, 5) geleiteten Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass zwei den Gebermagneten (2) einfassende Flussleitelemente (4, 5) vorgesehen sind, wobei mindestens ein erstes Flussleitelement (4) mindestens eine sich axial am Außenumfang des Gebermagneten (2) erstreckende Flussleitklaue (4b) aufweist, deren freie Stirnseite auf Abstand zum zweiten Flussleitelement (5) liegt.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet (2) axial magnetisiert ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitklaue (4b) sich zumindest im Wesentlichen über die axiale Breite des Gebermagneten (2) erstreckt.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Flussleitelement (5) in dem der Flussleitklaue (4b) des ersten Flussleitelements (4) benachbarten Abschnitt sich in einer Ebene erstreckt, die parallel zur Stirnseite des Gebermagneten (2) liegt.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Flussleitelement (5) in dem der Flussleitklaue (4b) benachbarten Abschnitt den Außenumfang des Gebermagneten (2) radial überragt.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Flussleitelement (4, 5) einen scheibenförmigen Grundkörper (4a, 5a) aufweist, der an einer Stirnseite des Gebermagneten (2) anliegt.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Flussleitelement (5) ebenfalls mindestens eine sich axial am Außenumfang des Gebermagneten (2) erstreckende Flussleitklaue (5b) aufweist, deren freie Stirnseite auf Abstand zum ersten Flussleitelement (4) liegt.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitklauen (4b, 5b) des ersten und des zweiten Flussleitelements (4, 5) in Umfangsrichtung benachbart, jedoch mit zwischenliegendem Luftspalt zueinander angeordnet sind.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von Flussleitklauen (4b, 5b) am ersten und zweiten Flussleitelement (4, 5) angeordnet sind.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Flussleitelement (4, 5) neun über den Umfang verteilte Flussleitklauen (4, 5b) aufweist.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flussleitelemente (4, 5) identisch aufgebaut und in Einbaulage ineinander greifend angeordnet sind.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet (2) und die beiden Flussleitelemente (4, 5) an dem rotierenden Bauteil angeordnet sind.
Elektromotor, insbesondere für ein Hilfsaggregat in einem Kraftfahrzeug, mit einer Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.