DE102009019719A1

DE102009019719A1 - Energieautarke magnetische Erfassungsanordnung

Info

Publication number: DE102009019719A1
Application number: DE200910019719
Authority: DE
Original assignee: ATTOSENSOR GmbH
Current assignee: MEHNERT, WALTER, DR., DE; THEIL, THOMAS, DR., DE; THOMAS THEIL, DE; WALTER MEHNERT, DE
Priority date: 2009-05-05
Filing date: 2009-05-05
Publication date: 2010-11-11

Abstract

Es wird eine energieautarke magnetische Erfassungsanordnung zum Erfassen von Absolutpositionen und Umdrehungen von zumindest einer rotierenden Welle mit zumindest einem mit der Welle gekoppelten Trägerelement (3) zum Halten von zumindest zwei Erregermagneten zum Erzeugen von Magnetfeldern mit wechselnder Polarität und mit einem von der Welle unabhängigen Gehäuse (9) vorgeschlagen, an dem zumindest ein Drehrichtungs-Erkennungssensor (10) und zumindest ein Umdrehungsanzahl-Erfassungssensor angeordnet sind, welche bei jeder Umdrehung die Magnetfelder mit wechselnder Polarität nacheinander zumindest abschnittsweise durchlaufen, wobei das Trägerelement (3) koaxial zur Welle angeordnet ist, wobei die Magnetisierungsrichtung zumindest eines Erregermagneten an dem Trägerelement (3) etwa senkrecht zur Drehachse (14) der Welle ausgerichtet ist und wobei die Erregermagnete auf einem gemeinsamen Radius des Trägerelements (3) derart angeordnet sind, dass jede Umdrehung der Welle in zumindest zwei durch die Magnetfelder der Erregermagnete begrenzte Winkelabschnitte unterteilt ist, welche durch den Umdrehungsanzahl-Erfassungssensor erfassbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine energieautarke magnetische Erfassungsanordnung zum Erfassen von Absolutpositionen und Umdrehungen zumindest einer rotierenden Welle gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2007 039 050 A1 ist ein Umdrehungszähler mit einem Wiegandsensor bekannt. Mit dem Umdrehungszähler werden die Umdrehungen einer Welle erfasst, die mit einem Magnetträger verbunden ist. Dazu ist der Wiegandsensor mit der Achse seiner Spule in Richtung des Magnetfeldes zwischen zwei gegenüberliegenden Erregermagneten des Magnetträgers angeordnet. Der Wiegandsensor ist an einem Gehäuse ortsfest angeordnet. Das Magnetfeld wird durch einen innen angeordneten Erregermagnet und durch einen außen angeordneten Erregermagnet gebildet. Bei dem bekannten Umdrehungszähler werden somit für zwei Zählsegmente mindestens vier Erregermagnete zur Umpolung des Wiegandsensors benötigt, wodurch ein erheblicher Bauraum erforderlich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine energieautarke magnetische Erfassungsanordnung zum Erfassen von Absolutpositionen und Umdrehungen an zumindest einer rotierenden Welle der eingangs beschriebenen Gattung vorzuschlagen, wobei die Erfassungsanordnung eine in axialer Richtung möglichst flache Bauform aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Zeichnungen.
Demnach wird eine energieautarke magnetische Erfassungsanordnung zum Erfassen von Absolutpositionen und Umdrehungen zumindest einer rotierenden Welle oder dergleichen vorgeschlagen, bei der zumindest ein mit der Welle gekoppeltes Trägerelement zum Halten von zumindest zwei Erregermagneten zum Erzeugen von Magnetfeldern mit wechselnder Polarität und mit einem von der Welle unabhängigen bzw. entkoppelten Gehäuse, an dem direkt oder indirekt zumindest ein Drehrichtungs-Erkennungssensor und zumindest ein Umdrehungsanzahl-Erfassungssensor angeordnet sind, so dass bei jeder Umdrehung die Magnetfelder mit wechselnder Polarität nacheinander zumindest abschnittsweise von den Sensoren durchlaufen werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Trägerelement koaxial zur Welle angeordnet ist, dass die Magnetisierungsrichtung zumindest eines Erregermagnetes, vorzugsweise jedes z. B. für die Umdrehungszählung und/oder die Positionserfassung verwendeten Erregermagneten an dem Trägerelement etwa senkrecht zur Drehachse der Welle ausgerichtet ist und dass die Erregermagnete auf einem gemeinsamen Radius des Trägerelements derart angeordnet sind, dass jede Umdrehung der Welle in zumindest zwei durch die Magnetfelder der Erregermagnete begrenzte Winkelabschnitte unterteilt ist, welche durch den Erfassungssensor erfasst werden.
Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Erfassungsanordnung können die erforderlichen Zähl- und Speichervorgänge ohne externe Energieversorgung vorgenommen werden, da die verwendeten Sensoren beim Durchlaufen der Magnetfelder selbst die erforderliche Energie erzeugen. Somit sind keine Akkumulatoren oder dergleichen Energieversorgungen bei der erfindungsgemäßen Erfassungsanordnung notwendig. Darüber hinaus kann aufgrund des einfachen mechanischen Aufbaus der Erfassungsanordnung ohne Getriebe der Verschleiß reduziert und die Betriebssicherheit erhöht werden. Zudem kann aufgrund der koaxialen Anordnung des Trägerelements eine besonders bauraumsparende bzw. flache Anordnung in axialer Richtung realisiert werden, ohne dass der sonst übliche axiale zusätzliche Bauraum an der zu messenden Welle erforderlich ist. Insgesamt wird der erforderliche Außendurchmesser beziehungsweise die Bauhöhe der Erfassungsanordnung im Wesentlichen nur durch die Abmessungen des Sensors und der Länge der Erregermagnete bestimmt. Darüber hinaus ergibt sich aufgrund der vorteilhaften Anordnung der Erregermagnete an der Scheibe bei der erfindungsgemäßen Erfassungsanordnung die Möglichkeit, ohne zusätzlichen Sensor sowohl ein Umdrehungszähler-Messsystem als auch ein die Absolutpositionen innerhalb einer Umdrehung der Welle grob auflösendes Messsystem zu realisieren.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als Welle eine Hohlwelle und/oder eine Vollwelle oder dergleichen vorgesehen sind. Beispielsweise kann das Trägerelement direkt oder auch indirekt an der Vollwelle oder auch an der Hohlwelle befestigt sein. Wenn beispielsweise die Vollwelle als zu messendes Bauteil radial innerhalb der Hohlwelle drehfest aufgenommen ist, kann das Trägerelement bevorzugt radial außen an der Hohlwelle befestigt sein. Bei der letztgenannten Ausführung wird ein so genannter Hohlwellenpositionsdetektor zum Erfassen von Absolutpositionen und Umdrehungen an der rotierenden Vollwelle gebildet. Als bewegtes Bauteil der Erfassungsanordnung ist die Welle mit den an ihr fest verbundenen Bauteilen vorgesehen. Es sind jedoch auch andere konstruktive Ausgestaltungen bei der erfindungsgemäßen Erfassungsanordnung möglich
Es ist auch bei der erfindungsgemäßen Erfassungsanordnung möglich, dass z. B. zumindest ein Trägerelement ohne Hohlwelle direkt oder indirekt an der Vollwelle angeordnet ist.
Vorzugsweise kann als Trägerelement ein nicht magnetisches, zum Beispiel aus Kunststoff hergestelltes etwa scheibenförmig ausgebildetes Bauteil verwendet werden. Bei der Wahl der konstruktiven Form des Trägerelementes ist zu beachten, dass die vorgesehenen Erregermagnete auf einer gemeinsamen Kreisbahn mit einem vorbestimmten Radius anbringbar sind, so dass die Sensoren zum Erfassen einer Umdrehung und der Drehrichtung sowie von Absolutpositionen die von den Erregermagneten erzeugten Magnetfelder durchlaufen können. Insbesondere die außere Form beziehungsweise der Umfangsbereich des Trägerelementes kann daher beliebig gestaltet sein.
Bei der erfindungsgemäßen Erfassungsanordnung kann als Umdrehungsanzahl-Erfassungssensor zumindest ein Wiegandsensor bzw. eine Wiegandsonde vorgesehen sein, welcher mit Hilfe der Erregermagnete auch zur grob auflösenden Absolutpositionserfassung verwendbar ist. Der Wiegandsensor umfasst üblicherweise einen so genannten Wieganddraht, der von einer Spule umgeben ist, wobei der Wieganddraht derart gehäuseseitig angeordnet, dass dieser etwa parallel zur Magneti sierungsrichtung jedes während einer Drehung des Trägerelements zugeordneten Erregermagnetes ausgerichtet ist.
Unabhängig von der jeweiligen konstruktiven Ausführung der Welle kann im Rahmen einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass zur fein auflösenden Absolutpositionserfassung innerhalb einer Umdrehung beziehungsweise innerhalb eines Winkelabschnittes zumindest ein zusätzlicher Messwertaufnehmer oder dergleichen vorgesehen wird. Demzufolge kann nur mit dem zusätzlichen Messwertaufnehmer ohne weitere erforderliche Bauteile und ohne Änderung des Magnetsystems auch ein fein auflösendes Messsystem mit der erfindungsgemäßen Erfassungsanordnung realisiert werden.
Als zusätzlicher Messwertaufnehmer können vorzugsweise ein Hallsensor bzw. eine Hallsonde und/oder ein magnetoresistiver Sensor oder dergleichen vorgesehen sein. Beispielsweise kann zum Erfassen der Umdrehungen als Erfassungssensor ein Wiegandsensor oder dergleichen eingesetzt werden. Zum Erfassen der Drehrichtung der Welle bzw. Hohlwelle und/oder der Vollwelle kann beispielsweise je ein Hallsensor oder dergleichen verwendet werden. Es sind jedoch auch andere Sensorelemente einsetzbar, die die geforderten Funktionen übernehmen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass der Messwertaufnehmer beziehungsweise der Hallsensor derart an dem Gehäuse direkt oder auch indirekt z. B. über eine Leiterplatte oder dergleichen befestigt sind, dass dieser auf dem Trägerelement an einem radial außerhalb oder radial innerhalb zu den Erregermagneten liegenden Radius angeordnet ist, um einen zwischen einem Nordpol und einem Südpol benachbarter Erregermagnete gebildeten Winkelabschnitt zur Feinauflösung zu erfassen. Auf diese Weise werden die bereits für die Erfassung der Umdrehungszahl der Welle, das heißt der Hohlwelle beziehungsweise der Vollwelle, verwendeten Erregermagnete zusätzlich auch zur Feinauflösung innerhalb einer Umdrehung der Welle verwendet. Demzufolge werden sonst erforderliche Bauteile, wie zum Beispiel ein Ringmagnet oder dergleichen eingespart und der notwendige Bauraum für die Erfassungsanordnung weiter reduziert.
Vorzugsweise können als Erregermagnete z. B. acht Dauermagnete, jedoch auch mehr oder weniger je nach Bedarf, etwa auf einem gemeinsamen Radius verteilt auf dem Trägerelement angeordnet sein, wobei die Magnetfelder benachbarter Dauermagnete jeweils wechselnde Polaritäten aufweisen. Die jeweilige Magnetisierungsrichtung der Dauermagnete ist senkrecht, d. h. in einem Winkel von 90° zu der gemeinsamen Drehachse von Hohlwelle und Vollwelle ausgerichtet. Es sind jedoch auch andere Anordnungsmöglichkeiten denkbar, die eine Koppelung zwischen Dauermagneten und Sensor bei jeder Umdrehung ermöglichen.
Eine andere mögliche Ausführungsvariante der Erfindung kann vorsehen, dass ein Ringmagnet oder dergleichen mit in Umfangsrichtung wechselnder Polungen koaxial zu der Welle angeordnet ist, wobei dem Umfangsbereich des Ringmagnetes ein gehäusefester Messwertaufnehmer zur feinauflösenden Positionsbestimmung innerhalb einer Umdrehung der Welle zugeordnet ist. Als Messwertaufnehmer kann zum Beispiel wieder ein Hallsensor oder dergleichen vorgesehen sein.
Eine weitere mögliche Ausführung der Erfindung kann vorsehen, dass zusätzlich zumindest eine ferromagnetische Zahnscheibe oder dergleichen zur Feinauflösung von Absolutpositionen vorgesehen ist, wobei dem Umfangsbereich der Zahnscheibe ein gehäusefester Messaufnehmer zugeordnet ist. Der Umfangsbereich weist mehrere Zähne auf, wobei zwischen benachbarten Zähnen jeweils eine Ausnehmungen vorgesehen ist. Dadurch wird bei dem zugeordneten Messaufnehmer während des Drehens der Zahnscheibe eine magnetische Flussänderung erzeugt. Als Messwertaufnehmer kann eine Hallsonde beziehungsweise ein Hallsensor oder ein magnetoresistiver Sensor verwendet werden, um eine fein auflösenden Absolutpositionserfassung zu realisieren.
Bei den vorgenannten Ausführungsvarianten kann beispielsweise axial zwischen dem Ringmagnet beziehungsweise der Zahnscheibe und dem Trägerelement eine ferromagnetische Trennwand oder dergleichen vorgesehen sein.
Die vorgeschlagene Erfassungsanordnung kann beispielsweise eine Auswerteelektronik aufweisen, welche die Signale jedes verwendeten Sensors erfasst und verarbeitet. Somit können die Signale zum Beispiel des Wiegandsensors und auch des Hallsensors auf einfachste Weise erfasst und weiterverarbeitet werden. Vorzugsweise kann die Auswerteelektronik einen Mikrocontroller oder dergleichen zur Verarbeitung aufweisen, der dann eine ermittelte Position der zu erfassenden Welle über ein Interface oder dergleichen ausgibt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer ersten möglichen Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Erfassungsanordnung;
2 eine schematische Seitenansicht einer zweiten möglichen Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Erfassungsanordnung zur grob auflösender Absolutpositionserfassung;
3 eine schematische, geschnittene Ansicht einer dritten möglichen Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Erfassungsanordnung mit einem Messwertaufnehmer zur feinauflösenden Positonserfassung;
4 eine schematische, geschnittene Ansicht einer vierten möglichen Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Erfassungsanordnung mit einem Messwertaufnehmer und einem Ringmagnet zur feinauflösenden Positonserfassung;
5 eine Ansicht einer Zahnscheibe mit einem Messwertaufnehmer zur feinauflösenden Positionserfassung;
6 eine schematische, geschnittene Ansicht der dritten Ausführungsvariante der Erfassungsanordnung gemäß 3; und
7 eine schematische Darstellung einer möglichen Auswerteelektronik für die erfassten Signale der Erfassungsanordnung.
In den Figuren sind verschiedene Ausführungsvarianten einer erfindungsgemäßen Erfassungsanordnung zum Erfassen von Absolutpositionen und Umdrehungen von zumindest einer rotierenden Welle exemplarisch dargestellt.
Unabhängig von den jeweiligen Ausführungsvarianten der Erfassungsanordnung ist eine rotierende Vollwelle 1 als zu messendes Bauteil beispielhaft vorgesehen, die radial innen von einer Hohlwelle 2 aufgenommen und mit dieser drehfest verbunden ist. An der Hohlwelle 2 ist koaxial zu der gemeinsamen Drehachse 14 ein Trägerelement 3 aus nicht magnetischem Material vorgesehen, wobei das Trägerelement 3 etwa scheibenförmig ausgebildet ist.
Das Trägerelement 3 nimmt mehrere als Dauermagnete 4, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G ausgebildete Erregermagnete auf, wobei jeweils benachbarte Dauermagnete 4, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G eine wechselnde Polarität ihres Magnetfeldes aufweisen. Die Dauermagnete 4, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G können beispielsweise auf das Trägerelement aufgeklebt oder dergleichen befestigt sein. Ein Gehäuse 9 dient bei der dargestellten Erfassungsanordnung zum direkten oder indirekten Halten von zumindest einem der Sensoren.
In 1 sind auf dem Trägerelement 3 nur zwei Dauermagnete 4 und 4A vorgesehen, welche denselben Radius zum Mittelpunkt des Trägerelementes 3 aufweisen, so dass die Dauermagnete 4 und 4A bei einer Umdrehung des Trägerelementes 3 eine gemeinsame Kreisbahn beschreiben. Zudem sind die beiden Dauermagnete 4 und 4A in etwa gegenüberliegend angeordnet, so dass die gemeinsame Kreisbahn in zwei Winkelabschnitte von 180° unterteilt wird. Die Dauermagnete 4 und 4A sind derart an dem Trägerelement 3 angeordnet, dass die durch den Nordpol N und durch den Südpol S verlaufende Längsachse der jeweiligen Dauermagnete 4, 4A jeweils senkrecht zur Drehachse 14 der Hohlwelle 2 ausgerichtet ist, wobei die jeweilige Längsachse mittels strichpunktierter Linie in den Figuren angedeutet ist. Auf diese Weise ist auch die Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Drehachse 14 ausgerichtet.
Der Umdrehungsanzahl-Erkennungssensor ist als Wiegandsensor 5 ausgebildet und an dem Gehäuse 9 ortsfest gehalten, so dass bei jeder Umdrehung der Scheibe 3 die Dauermagnete 4 und 4A den Wiegandsensor 5 passieren. Darüber hinaus ist ein zum Beispiel digitaler Hallsensor beziehungsweise ein Drehrichtungs-Erkennungssensor 10 ebenfalls gehäuseseitig vorgesehen.
Aufgrund der unterschiedlichen Polarität bei den Dauermagneten 4 und 4A wird beim Passieren eines der Dauermagneten 4 und 4A an dem Wiegandsensor 5 ein Spannungsimpuls erzeugt, der einen Zählvorgang auslöst und die am Zählvorgangvorgang beteiligte Auswerteelektronik mit Energie versorgt. Dies bedeutet, dass ein Zählschritt durch den Wechsel des aktuellen Winkelabschnitte ausgelöst wird. Somit kann zum einen die Umdrehungsanzahl der Scheibe 3 mit der erfindungsgemäßen Erfassungsanordnung gezählt beziehungsweise bestimmt werden. Zum anderen kann auch eine Position der Scheibe 3 mit der Erfassungsanordnung erfasst werden, wenn nämlich einer der Dauermagneten 4 und 4A den Wiegandsensor 5 passiert.
In 2 ist eine zweite besonders vorteilhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Umdrehungszählermesssystems gezeigt, bei der im Unterschied zur ersten Ausführungsvariante weitere sechs Dauermagnete 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G als Erregermagnete vorgesehen sind. Die Dauermagnete 4 und 4A, 4B und 4E, 4C und 4F sowie 4D und 4G liegen jeweils gegenüber auf dem Trägerelement 3. Auch in 2 sind die jeweiligen Längsachsen der Dauermagnete 4, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G und somit auch die jeweilige Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Drehachse 14 ausgerichtet, wobei die Längsachsen durch eine strichpunktierte Linie angedeutet sind. Es werden im Unterschied zu der ersten Ausführungsvariante sechs weitere Winkelabschnitte gebildet, so dass bei einer Umdrehung der Scheibe 3 insgesamt acht Winkelabschnitte vorgesehen sind. Dadurch werden weitere Positionen innerhalb einer Umdrehung festgelegt, die durch den Wiegandsensor 5 erfasst werden können. Bei dieser Ausführungsvariante wird neben der Umdrehungsanzahlerfassung auch ein grob auflösendes Absolutpositionserfassungssystem realisiert, da die an dem Trägerelement 3 vorgesehenen Dauermagnete 4, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G nicht nur zur Umdrehungszählung, sondern auch zur Grobauflösung von Absolutpositionen der Welle innerhalb der Winkelabschnitte verwendet werden. Auch bei der zweiten Ausführungsvariante ist der gehäuseseitige Drehrichtungs-Erkennungssensor 10 vorgesehen.
Gemäß 3 ist eine dritte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Erfassungsanordnung mit einem Messwertaufnehmer 7 zur feinauflösenden Positionserfassung neben der Umdrehungsanzahlerfassung dargestellt. Im Unterschied zu der zweiten Ausführungsvariante gemäß 2 ist bei der dritten Ausführungsvariante der gehäusefeste Messwertaufnehmer 7 derart dem Trägerelement 3 zugeordnet, dass dieser bei einer Umdrehung des Trägerelementes 3 eine bezogen auf die Dauermagnete 4, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G radial innenliegende Kreisbahn beschreibt. Auf diese Weise werden die wechselnden Pole N, S der Dauermagnete 4, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G bei einer Drehung des Trägerelementes 3 abwechselnd an dem Messwertaufnehmer 7 vorbeigeführt, um eine feinauflösenden Absolutpositionserfassung zu realisieren. Somit werden die Pole der Dauermagnete 4, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G neben der Erfassung der Umdrehungsanzahl auch zur feinauflösenden Absolutpositionserfassung verwendet. Zudem ist aus 3 ersichtlich, dass der am Gehäuse 9 direkt oder indirekt befestigte Messwertaufnehmer 7 so angeordnet sein kann, dass dieser bei einer Drehung des Trägerelementes 3 eine bezogen auf die Dauermagnete 4, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G radial außen liegende Kreisbahn beschreibt, wobei diese mögliche Anordnung des Messwertaufnehmers mit gestrichelter Linie in 3 angedeutet ist. Ferner ist der Drehrichtungs-Erkennungssensor 10 vorgesehen.
6 zeigt eine schematische, geschnittene Ansicht der dritten bevorzugten Ausführungsvariante.
Entsprechend 4 ist eine geschnittene Ansicht einer vierten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Erfassungsanordnung dargestellt. Bei der vierten Ausführungsvariante ist neben dem Trägerelement 3 parallel zu diesem versetzt ein Ringmagnet 6 mit in Umfangsrichtung wechselnder Polarität an der Hohlwelle 2 koaxial zu der Vollwelle 1 angeordnet. Dem Umfangsbereich des Ringmagnetes 6 ist ein gehäusefester beziehungsweise leiterplattenfester Messwertaufnehmer 7 zur fein auflösenden Positionserfassung innerhalb jedes Winkelabschnittes zugeordnet. Der Messwertaufnehmer 7 kann beispielsweise als Hallsensor oder als magnetoresistiver Sensor ausgeführt sein. Mithilfe des Messwertaufnehmers 7 wird die Richtung der magnetischen Felder des Ringmagnetes 6 während der Drehbewegung erfasst. Da zu wird von dem Messwertaufnehmer 7 ein Sinussignal und ein Cosinussignal ausgegeben und zum Beispiel durch die Auswerteelektronik gemäß 5 mit einem Analog-Digital-Umsetzer weiterverarbeitet, um dann aus den beiden Werten mithilfe einer Arcustangensfunktion (arctan (SIN'/COS') siehe 7) eine absolute Position der Welle 1 innerhalb des aktuellen Winkelabschnittes zu berechnen. Auch bei der vierten Ausführungsvariante ist der Drehrichtungs-Erkennungssensor 10 vorgesehen.
Um einen möglichst geringen Abstand zwischen dem Trägerelement 3, also dem Umdrehungszählersystem, und dem Ringmagneten 6, also dem fein auflösenden Messsystem, zu realisieren, kann zur Abschirmung beider Magnetsysteme eine ferromagnetische Trennwand 8 vorgesehen sein.
5 zeigt eine Einzelteilansicht einer Zahnscheibe 11, welche bei der erfindungsgemäßen Erfassungsanordnung zur feinauflösenden Positionserfassung alternativ anstelle des Ringmagneten 6 verwendet werden kann. Die Zahnscheibe 11 kann radial außen an der Hohlwelle 2 koaxial zur Vollwelle 1 angeordnet sein und an ihrem Umfang mehrere Zähne 12 aufweisen, wobei jeweils benachbarte Zähne 12 durch eine Ausnehmung 13 voneinander beanstandet sind. Die Zähne 12 und die Ausnehmungen 13 sind während einer Drehung der Zahnscheibe 11 jeweils einem gehäusefesten Messwertaufnehmer 7 zuordenbar. Wenn die Zahnscheibe 11 mit der zu messenden Vollwelle 1 rotiert, wird die magnetische Flussänderung von dem Messwertaufnehmer 7 erfasst, welche sich bei der Drehbewegung aufgrund der wechselnden Zuordnung von Zahn 12 und Ausnehmung 13 ergibt. Zur Erfassung eines Sinus- und Cosinussignals kann zum Beispiel ein zweiter Messwertaufnehmer 7 notwendig sein, der zum ersten Messwertaufnehmer 7 derart verschoben ist, dass sich ein Sinus- und ein Cosinussignal ergibt. Auf diese Weise kann eine feinauflösende Absolutpositionserfassung realisiert werden.
Die Anzahl der verwendeten Dauermagnete 4, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G ist geradzahlig, damit sich innerhalb einer Umdrehung der Vollwelle 1 auch bei mehreren Umdrehungen aus Sicht des Wiegandsensors 5 immer ein Polwechsel ergibt. Bei der Verwendung eines Ringmagnetes 6 sollte vorzugsweise die Anzahl der Pole mit der Anzahl der Dauermagnete 4, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G an dem Trägerelement identisch sein.
In 7 ist eine mögliche Auswerteelektronik schematisch dargestellt. Die Signalverarbeitung umfasst ein Umdrehungszähler-Messsystem, das einen Umdrehungszähler-Wert liefert. Die führenden Bits enthalten die Umdrehungen UD (UD-Bits). Die unteren Bits werden zum Zählen der Winkelabschnitte WA (Seg.-Bits) benutzt, so können diese als Segmentzähler betrachtet werden. Das fein auflösende Messsystem liefert je ein analoges Sinussignal SIN und ein Cosinussignal COS oder ähnliche Signale, welche durch den Analog-Digital-Umsetzer digitalisiert werden. Aus den digitalen Sinus-Signalen SIN' und Cosinus-Signalen COS' wird der absolute Winkel PHI im aktuellen Singleturnwinkelabschnitt mithilfe einer Arcustangensfunktion (arctan (SIN'/COS') berechnet. Anschließend wird aus den führenden Umdrehungszählerbits (UD-Bits), den Segmentzählerbits (Seg.-Bits) und dem Winkel PHI die komplette absolute Position des Hohlwellenmultiturns gebildet. Soll die Erfassungsanordnung als Singleturn arbeiten, werden nur die Segmentzählerbits und der Winkel PHI zur Bildung der kompletten absoluten Position benutzt. Abschließend werden die berechneten Positionen POS' als absolute Positionen POS der Welle 1 über ein Drehgeber-Interface ausgegeben. Diese Auswerteelektronik ist nur exemplarisch dargestellt, da weitere und auch andere elektronische Bauteile bei der Auswertungselektronik einsetzbar sind.

1: Vollwelle
2: Hohlwelle
3: Trägerelement
4: Dauermagnet
4A: Dauermagnet
4B: Dauermagnet
4C: Dauermagnet
4D: Dauermagnet
4E: Dauermagnet
4F: Dauermagnet
4G: Dauermagnet
4F: Dauermagnet
5: Wiegandsensor
6: Ringmagnet
7: Messwertaufnehmer
8: Trennwand
9: Gehäuse
10: Drehrichtungs-Erkennungssensor
11: Zahnscheibe
12: Zahn
13: Ausnehmung
14: Drehachse
N: Nordpol eines Dauermagneten
S: Südpol eines Dauermagneten
SIN: Sinussignal
COS: Cosinussignal
SIN': digitalisiertes Sinussignal
COS': digitalisiertes Cosinussignal
UD: Umdrehung
WA: Winkelabschnitt
PHI: absoluter Winkel im Winkelabschnitt
POS': berechnete Position
POS: ausgegebene Absolutposition

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007039050 A1 [0002]

Claims

Energieautarke magnetische Erfassungsanordnung zum Erfassen von Absolutpositionen und Umdrehungen von zumindest einer rotierenden Welle, mit zumindest einem mit der Welle gekoppelten Trägerelement (3) zum Halten von zumindest zwei Erregermagneten zum Erzeugen von Magnetfeldern mit wechselnder Polarität und mit einem von der Welle unabhängigen Gehäuse (9), an dem zumindest ein Drehrichtungs-Erkennungssensor (10) und zumindest ein Umdrehungsanzahl-Erfassungssensor angeordnet sind, welche bei jeder Umdrehung die Magnetfelder mit wechselnder Polarität nacheinander zumindest abschnittsweise durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (3) koaxial zur Welle angeordnet ist, dass die jeweilige Magnetisierungsrichtung zumindest eines Erregermagneten an dem Trägerelement (3) etwa senkrecht zur Drehachse (14) der Welle ausgerichtet ist und dass die Erregermagnete auf einem gemeinsamen Radius des Trägerelements (3) derart angeordnet sind, dass jede Umdrehung der Welle in zumindest zwei durch die Magnetfelder der Erregermagnete begrenzte Winkelabschnitte unterteilt ist, welche durch den Umdrehungsanzahl-Erfassungssensor erfassbar sind.
Erfassungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Welle eine Hohlwelle (2) und/oder eine Vollwelle (1) vorgesehen sind.
Erfassungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (3) an der Vollwelle (1) befestigt ist.
Erfassungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (3) an der Hohlwelle (2) befestigt ist.
Erfassungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (2) die Vollwelle (1) als zu messendes Bauteil radial innen drehfest aufnimmt.
Erfassungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägerelement (3) ein nicht magnetisches, etwa scheibenförmiges Bauteil vorgesehen ist.
Erfassungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Umdrehungsanzahl-Erfassungssensor und/oder zur grob auflösenden Positionserfassung zumindest ein Wiegandsensor (5) vorgesehen ist.
Erfassungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Messwertaufnehmer (7) zur fein auflösenden Positionserfassung vorgesehen ist.
Erfassungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Messwertaufnehmer (7) ein Hallsensor und/oder ein magnetoresistiver Sensor vorgesehen ist.
Erfassungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertaufnehmer (7) derart mit dem ortsfesten Gehäuse (9) gekoppelt ist, dass der Messwertaufnehmer (7) bei jeder Umdrehung des Trägerelements (3) eine radial außerhalb oder radial innerhalb zu den Erregermagnete liegende Kreisbahn beschreibt, um einen zwischen einem Nordpol und einem Südpol benachbarter Erregermagnete gebildeten Winkelabschnitt zu erfassen.
Erfassungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Erregermagnete acht Dauermagnete (4, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G) auf einem gemeinsamen Radius gleichmäßig über den Umfang verteilt auf dem Trägerelement (3) angeordnet sind, wobei die Magnetfelder benachbarter Dauermagnete (4, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G) jeweils wechselnde Polaritäten aufweisen und wobei die jeweilige Magnetisierungsrichtung der Dauermagnete (4, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G) senkrecht zur Drehachse (14) der Holwelle (2) ausgerichtet ist.
Erfassungsanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zumindest ein Ringmagnet (6) mit in Umfangsrichtung wechselnder Polarität koaxial zu der Welle angeordnet ist, dessen Umfangsbereich dem gehäusefesten Messwertaufnehmer (7) zugeordnet ist.
Erfassungsanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zumindest eine ferromagnetische Zahnscheibe (11) vorgesehen ist, dessen Umfangsbereich dem gehäusefesten Messwertaufnehmer (7) zugeordnet ist.
Erfassungsanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass axial zwischen dem Ringmagnet (6) oder der Zahnscheibe (11) und dem Trägerelement (3) eine ferromagnetische Trennwand (8) vorgesehen ist.
Erfassungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteelektronik vorgesehen ist, welche die Signale des Umdrehungsanzahl-Erfassungssensors und des Drehrichtungs-Erkennungssensors sowie des Messwertaufnehmer zur fein auflösenden Positionserfassung erfasst und verarbeitet.
Erfassungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik einen Mikrocontroller und/oder ein CPLD oder FPGA zur Signalverarbeitung umfasst, welche eine ermittelte Position über ein Interface ausgeben.