DE102009021444A1

DE102009021444A1 - Magnetoelektronischer Winkelsensor, insbesondere Reluktanzresolver

Info

Publication number: DE102009021444A1
Application number: DE102009021444A
Authority: DE
Inventors: Tom Ocket; Jurgen Verstraete; Jan Van Cauwenberge
Original assignee: Tyco Electronics Belgium EC BVBA
Current assignee: TE Connectivity Belgium BVBA
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2010-11-25
Also published as: EP2843373A1; EP2843373B1; EP2430402B1; WO2010130550A1; DE102009061032A1; KR101688202B1; CN102428350B; BRPI1010983A2; US8928310B2; CN102428350A; TW201105007A; EP2430402A1; JP2012526969A; TWI492491B; US20120068693A1; AR076575A1; JP5477926B2; BRPI1010983B1; KR20120023800A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reluktanzresolver (100) mit einem zumindest teilweise weichmagnetischen Stator (104) und einem zumindest teilweise weichmagnetischen Rotor (102), die einander unter Bildung eines Luftspalts gegenüberstehen. Der magnetische Widerstand in dem Luftspalt ändert sich aufgrund einer über den Umfang variierenden Gestaltung des Rotors periodisch. Der Winkelsensor weist einen aus dem Stator angeordneten Magnetflusssender auf, der über mindestens ein Polpaar eine vorgegebene Magnetflussverteilung in dem Luftspalt erzeugt. Weiterhin ist auf dem Stator ein Magnetflussempfänger angeordnet, der über mindestens zwei gegeneinander im Winkel versetzt angeordnete Signalpolpaare die Intensität des Magnetfeldes misst, wobei aus den beiden Empfängersignalen ein Winkelwert für eine Relativstellung des Rotors gegenüber dem Stator ableitbar ist. Erfindungsgemäß weist der Stator (104) über den Umfang verteilt eine Vielzahl von Zähnen (110), die durch Nuten voneinander getrennt sind, auf und der Magnetflusssender umfasst mindestens zwei Primärwicklungen, die so angeordnet sind, dass mindestens einer der Zähne keine Primärwicklung trägt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetoelektronischen Winkelsensor, insbesondere einen Reluktanzresolver mit einem rotationssymmetrischen, zumindest teilweise weichmagnetischen Stator und einem rotationssymmetrischen, zumindest teilweise weichmagnetischen Rotor, die einander unter Bildung eines Luftspalts gegenüberstehen. Der magnetische Widerstand in dem Luftspalt ändert sich aufgrund einer über den Umfang variierenden Gestaltung des Rotors periodisch. Der Winkelsensor weist einen auf dem Stator angeordneten Magnetflusssender auf, der über mindestens ein Polpaar eine vorgegebene Magnetflussverteilung in dem Luftspalt erzeugt. Weiterhin ist auf dem Stator ein Magnetflussempfänger angeordnet, der über mindestens zwei gegeneinander im Winkel versetzt angeordnete Signalpolpaare die Intensität des Magnetfeldes misst, wobei aus den beiden Empfängersignalen ein Winkelwert für eine Relativstellung des Rotors gegenüber dem Stator ableitbar ist.
Derartige Winkelsensoren, die auf dem Prinzip einer veränderlichen Magnetflussintensität in dem Luftspalt zwischen Stator und Rotor basieren, sind in vielfältiger Weise bekannt. Grundsätzlich kommen dabei unterschiedliche Prinzipien zur Erzeugung der magnetischen Durchflutung im Sendeteil und auch unterschiedliche Prinzipien zur Magnetfeldmessung im Empfängerteil in Betracht. Bei Drehmeldern (Resolvern, Syncros) werden elektromagnetische Spulen in Form von Primär- und Sekundärwicklungen verwendet. Solche Drehmelder in Form von Resolvers oder Syncros sind seit langem als genaue und robuste Winkelsensoren bekannt. Dabei sind auch sogenannte passive Reluktanzresolver bekannt, bei denen sowohl die Primärwicklung als auch die Sekundärwicklung im Stator untergebracht sind, während der Rotor wicklungslos, also passiv, lediglich mit weichmagnetischen Teilen den Magnetflusskreis beeinflusst. Durch eine ungleichmäßige Gestaltung des weichmagnetischen Rotors, beispielsweise durch Vorsehen von Nocken (engl.: „lobes”), wird der Magnetfluss zwischen den Primärwicklungen und den Sekundärwicklungen im Stator unterschiedlich beeinflusst, woraus sich über die induzierte Spannung die Winkelstellung des Rotors ableiten lässt.
1 zeigt ein Beispiel für ein bekanntes Wicklungsschema, wie es beispielsweise aus der EP 0 522 941 oder der EP 0 802 398 ersichtlich ist. Dabei sind auf den jeweiligen Zähnen des Stators jeweils zwei Wicklungen angebracht: Je eine Primärwicklung und eine Sinus- oder Kosinuswicklung, wobei die Primärwicklung in alternierender Richtung auf jeweils be nachbarten Polen des Stators aufgebracht ist. Weiterhin ist aus EP 0802398 bekannt, auf den meisten Polen drei Wicklungen vorzusehen.
Solche Reluktanzresolver sind wegen des Fehlens eines aktiven mit Wicklungen versehenen Rotors und der damit verbundenen Einsparung eines Transformatorteils kostengünstig herstellbar. Die meisten bekannten Reluktanzresolveranordnungen haben aber den Nachteil, dass die Anordnung der Wicklungen auf dem Stator zu vergleichsweise aufwändigen Montageverfahren führt. Weiterhin besteht bei Reluktanzresolvern, bei denen die Variation des magnetischen Widerstandes durch einen keulen- oder nierenförmigen Rotor erreicht wird, wobei als die Höhe des Luftspaltes zwischen dem Rotorumfang einerseits und den Statorzähnen andererseits sich mit dem Umfangswinkel stark ändert, das Problem, dass sich Toleranzen, insbesondere ein Radialversatz, besonders stark auf die Messgenauigkeit auswirken können. Der Grund ist vor allem darin zu sehen, dass die Luftspalthöhe in Radialrichtung maßgebend für die magnetische Kopplung ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Winkelsensor anzugeben, der besonders einfach und kostengünstig herstellbar ist und darüber hinaus eine verbesserte Genauigkeit aufweist.
Ein passiver Reluktanzresolver gemäß der vorliegenden Erfindung ist so aufgebaut, dass der weichmagnetische Stator eine vorgegebene Anzahl von Nuten und Zähnen abwechselnd über den Umfang verteilt aufweist und dass in den Nuten des Stators durch in Reihe geschaltete Teilwicklungen eine Primärwicklung angeordnet ist. Weiterhin sind in den Nuten zwei Sekundärwicklungen angeordnet, welche gegenüber einander im Winkel versetzt sind und durch in Reihe geschaltete, abwechselnd gegensinnige Teilwicklungen jeweils Polpaare bilden, deren Anzahl sich von derjenigen der Primärwicklung um einen ganzzahligen Faktor unterscheiden. Der weichmagnetische Rotor ändert mit einer der Speedzahl des Winkelsensors entsprechenden Periodenzahl seine Querschnittsform.
Dabei bezeichnet die sogenannte Speedzahl oder Signalpolpaarzahl die Zahl der vollständigen Perioden, die das an den Sekundärwicklungen abgreifbare elektrische Signal bei einer vollständigen mechanischen Umdrehung, d. h. 360°, des Rotors durchläuft. Das bedeutet, dass bei einem Ein-Speed-Resolver der elektrische Winkel dem mechanischen Umdrehungswinkel entspricht, während bei einem Drei-Speed-Resolver der elektrische Winkel von 360° bereits bei einer mechanischen Umdrehung von 120° erreicht ist.
Erfindungsgemäß sind die Primärwicklungen so angeordnet, dass sich zwischen den sie tragenden Zähnen jeweils mindestens ein Zahn befindet, der keine Primärwicklung trägt. Mit dieser Anordnung kann zum Einen in einfacher Art und Weise eine maschinelle Bewicklung des Resolvers erfolgen. Zum Anderen können im Falle einer Exzentrizität des Rotors durch Toleranzen die auftretenden Fehler reduziert werden. Schließlich kann auch die Wicklung auf losen Spulenkörpern mit nur einer Spule erfolgen, wobei die losen Spulenkörper anschließend auf dem Stator montiert werden und beispielsweise über eine Leiterplatte oder ein Leadframe miteinander verbunden werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzen die Teilwicklungen der Primärwicklungen keine alternierende Wicklungsrichtung, sondern sind alle in dieselbe Richtung gewickelt, beispielsweise in einer Weise, dass der magnetische Fluss nach innen in Richtung auf die Drehachse des Rotors gerichtet ist.
Allerdings könnte auch die umgekehrte Ausrichtung vorgesehen sein und in manchen Fällen kann auch eine gewisse Anzahl von Polen in die entgegengesetzte Richtung bewickelt sein, um asymmetrische magnetische Flüsse zu kompensieren.
Erfindungsgemäß ist der Ausdruck
eine ungerade Zahl. Dabei ist n die Anzahl der Phasen (für herkömmliche Resolver ist dies meist zwei, nämlich Sinus und Kosinus), p ist gleich die Anzahl der Nocken, welche die signalerzeugende Formung an dem Rotor bilden, und t ist die Anzahl der Zähne des Stators.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform sind die Teilwicklungen der Primärwicklung (im Folgenden meist einfach als „Primärwicklungen” bezeichnet) auf den geradzahligen Zähnen angeordnet und alle so gewickelt, dass der magnetische Fluss in Richtung auf die Drehachse des Resolvers ausgerichtet ist, wenn die Spannung an der Primärwicklung positiv ist. Der magnetische Fluss wird durch die ungeradzahligen Zähne zurückgeführt. Diese tragen als Sekundärwicklungen die Kosinussekundärwicklung und Sinussekundärwicklung. In den Wicklungen um die ungeradzahligen Zähne werden Ausgangsspannungen induziert.
Wählt man einen symmetrischen Aufbau, d. h. einen Aufbau, bei dem die Wicklungen einander gegenüberliegender Zähne jeweils gleich sind, reduziert sich die Empfindlichkeit gegenüber einer Exzentrizität des Rotors mit Bezug auf den Stator.
Um die Genauigkeit und die Unempfindlichkeit gegenüber Toleranzen noch weiter zu erhöhen, kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform auch vorgesehen sein, dass auf jedem Zahn des Stators zwei Wicklungen angeordnet sind. Wiederum befindet sich die Primärwicklung jeweils aufeinander nicht benachbarten Zähnen, so dass sich für die Zähne ergibt, dass entweder eine Primärwicklung mit einer Sinuswicklung, eine primäre mit einer Kosinuswicklung oder zwei sekundäre Wicklungen, nämlich eine Sinus- und eine Kosinuswicklung miteinander auf ein und demselben Zahn untergebracht sind. Wiederum soll erfindungsgemäß der Ausdruck
eine ungerade Zahl sein. Der Rotor und das Wicklungsschema sind erfindungsgemäß symmetrisch, so dass sich Exzentrizitäten noch besser ausgleichen können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann der Resolver weiterhin mindestens einen Rückführpfad zum Zurückführen des elektrischen Signals umfassen, wobei der Rückführpfad in einer Ebene quer zu der Drehachse des Rotors angeordnet ist. Durch diesen Rückführpfad kann auf einfache Weise verhindert werden, dass ein magnetischer Fluss in Richtung der Drehachse auftritt, der die Ausgangssignale unerwünscht beeinflussen könnte.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich genommen eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Es zeigen:
1 ein Beispiel für ein Wicklungsschema gemäß dem Stand der Technik;
2 einen schematischen Querschnitt durch einen Sechs-Speed-Resolver gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein Wicklungsschema für den Resolver der 2;
4 den Verlauf des Magnetfeldes auf den einzelnen Zähnen des Stators aus 2;
5 simulierte Signalverläufe an dem Sechs-Speed-Resolver gemäß 2 für den Idealfall, bei dem kein Versatz zwischen Rotor und Stator vorliegt;
6 simulierte Signalverläufe an dem Sechs-Speed-Resolver gemäß 2 für den Fall, dass eine Exzentrizität zwischen Rotor und Stator sowie Herstellungstoleranzen des Rotors vorliegen;
7 simulierte Signalverläufe an dem Sechs-Speed-Resolver gemäß 2 für den Fall, dass die doppelte Exzentrizität im Vergleich zu 6 vorliegt;
8 eine Darstellung der Ausgangsspannungen abhängig vom mechanischen Winkel für die Anordnung der 2 im Idealfall;
9 die Ausgangsspannungen in Abhängigkeit vom mechanischen Winkel für die Anordnung der 2 im Fall einer exzentrischen Rotorlage;
10 ein Wicklungsschema für einen Vier-Speed-Resolver analog zu der Ausführungsform der 2;
11 ein alternatives Wicklungsschema für einen Acht-Speed-Resolver;
12 eine perspektivische Teilansicht des Stators der 2 mit aufgesetzten Spulenkörpern einer alternativen Ausführungsform;
13 eine zweite vorteilhafte Ausführungsform eines Sechs-Speed-Resolvers gemäß der vorliegenden Erfindung;
14 ein Wicklungsschema für den Resolver der 13;
15 eine Darstellung der Ausgangsspannungen der Anordnung der 13;
16 eine Darstellung der Winkelabweichung in Abhängigkeit von dem mechanischen Winkel im Vergleich zwischen den Anordnungen der 2 und der 13;
17 eine Darstellung der Winkelabweichung in Abhängigkeit vom Winkel bei exzentrischem Rotor im Vergleich zwischen den Anordnungen der 2 und der 13;
18 ein Wicklungsschema für einen Vier-Speed-Resolver analog zu der Ausführungsform der 13;
19 eine perspektivische Teilansicht der Anordnung aus 13 nach Bestückung mit losen Spulenkörpern;
20 eine perspektivische Teilansicht des bestückten Stators aus 19;
21 eine perspektivische Ansicht der Resolveranordnung der 13 im vollständig montierten Zustand mit elektrischem Rückführpfad in der Leiterplatte;
22 einen schematischen Querschnitt durch eine Resolveranordnung gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform.
2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Sechs-Speed-Resolver 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei ist ein weichmagnetischer Rotor 102 innerhalb eines Stators 104 um eine Drehachse 106 drehbar gelagert. Der Rotor in der hier gezeigten Ausführungsform besitzt sechs Nocken (engl. „lobes”) 108, die beim Drehen um die Achse 106 einen variablen Luftspalt zwischen den Zähnen 110 des Stators 104 und dem Rotor 102 verursachen.
Bei der hier gezeigten Sechs-Speed-Resolveranordnung sind insgesamt sechzehn Zähne 110 vorgesehen, die in der 2 im Uhrzeigersinn durchnummeriert sind. Die an den Zähnen 110 auftretenden Magnetflüsse werden durch Pfeile symbolisiert. Erfindungsgemäß tragen dabei die geradzahligen Zähne, die auch als Pole bezeichnet werden können, Primärwicklungen, die so gewickelt sind, dass ihr Magnetfluss 112 nach innen in Richtung auf die Drehachse 106 gerichtet ist, wenn der erregende Primärstrom positiv ist. Der Magnetfluss dieser Erregerwicklungen ist in dieser Zeichnung mit durchgezogenen Pfeilen symbolisiert. Erfindungsgemäß sind die Erregerwicklungen also nicht auf einander unmittelbar benachbarten Polen, sondern nur auf jedem zweiten Pol angeordnet.
Weiterhin ist die Anordnung punktsymmetrisch zu der Drehachse 106, so dass jeweils an einander gegenüberliegenden Polen die gleiche Wicklung vorliegt. An den ungeradzahligen Polen sind die Empfängerwicklungen, also die Sekundärwicklungen angebracht, in welchen der durch die Rotorstellung beeinflusste induzierte magnetische Fluss auftritt. Dabei bezeichnen die strichlierten Pfeile 114 den Magnetfluss der Sinuswicklungen und die strichpunktierten Pfeile 116 den Magnetfluss durch die Kosinuswicklungen. In den Wicklungen an diesen Polen wird die zu messende Ausgangsspannung induziert.
Obwohl in der gezeigten Ausführungsform die Primärwicklungen so angeordnet sind, dass der magnetische Fluss für positiven Primärstrom in Richtung auf die Drehachse 106 des Resolvers 100 gerichtet ist, kann auch die umgekehrte Flussrichtung vorgesehen werden und in manchen Fällen kann auch vorgesehen sein, dass einzelne Spulen so gewickelt sind, dass sie einen umgekehrten Fluss anregen, um asymmetrische magnetische Flüsse zu kompensieren.
Erfindungsgemäß ist der Ausdruck
eine ungerade Zahl. Dabei bezeichnet n die Anzahl der Phasen, was für konventionelle Resolver mit Sinus- und Kosinussignal gleich 2 ist, p ist die Anzahl der Nocken an dem Rotor und t bezeichnet die Anzahl der Zähne am Stator. Bei der in 2 gezeigten Anordnung ergibt sich also
.
3 zeigt das Wicklungsschema der Anordnung aus 2 in der Übersicht. Dabei ist jeweils die Anzahl der Wicklungen nach oben oder unten über den jeweiligen Polen des Stators aufgetragen. Das positive oder negative Vorzeichen bedeutet die Wicklungsrichtung. Dabei wird ersichtlich, dass die Primärwicklungen erfindungsgemäß zum Einen nur auf den geradzahligen Zähnen angebracht sind und zum Anderen alle gleichsinnig gewickelt sind. Die Sinussekundärwicklungen und die Kosinussekundärwicklungen sind jeweils in abwechselnder Wicklungsrichtung in Serie miteinander geschaltet. Alternativ können auch die Polaritäten über die externen Anschlüsse gewechselt werden und immer dieselbe Wicklungsrichtung für die Sinussekundärwicklungen und die Kosinussekundärwicklungen verwendet werden.
In 4 ist der Verlauf des Magnetfeldes für jeden einzelnen der Pol 1 bis 8 des Sechs-Speed-Resolvers der 2 als Funktion des mechanischen Winkels φ aufgetragen. Da sich bei einem Sechs-Speed-Resolver die Signale bei der vollen 360°-Umdrehung des Rotors sechsmal wiederholen, ist in dieser wie auch in den nachfolgenden Figuren nur der Bereich φ = 0° bis φ = 60° dargestellt. Grundsätzlich sind alle Signale (Strom, Magnetfluss, B-Feld, Ausgangsspannung etc.) Wechselsignale, z. B. mit einer Frequenz von 2 kHz bis 20 kHz. Zur Vereinfachung der Erläuterungen sind aber in den Figuren nur die jeweiligen Amplituden aufgetragen. Eine negative Amplitude bedeutet dabei, dass die Werte niedrig sind, wenn die Eingangswerte hoch sind.
Durch Summieren der in Serie geschalteten Kosinusspannungen bzw. Sinusspannungen ergeben sich die in 5 dargestellten simulierten Verhältnisse. In dieser Figur sind zum einen das Sinussignal und das Kosinussignal aufgetragen und zum anderen eine Abweichung Δφ, die sich aus dem berechneten Wert gemäß φ = arctan (sin/cos) und dem tatsäch lichen Winkelwert ergibt. In der 5 ist der mechanische Messfehler Δφ für ideale Verhältnisse, d. h. für eine exakte Mittellage des Rotors innerhalb des Stators dargestellt.
6 zeigt dem gegenüber die Verhältnisse, wenn eine Exzentrizität zwischen dem Rotor und dem Stator auftritt. Zum Vergleich mit den Ergebnissen im Idealfall (wie in 5 dargestellt) weist die Kurve Δφ einen zusätzlichen Fehleranteil E auf.
Wie weiterhin in 7 gezeigt, tritt bei einer verdoppelten Exzentrizität des Rotors eine wesentlich höhere zusätzliche Fehlerkomponente E auf, da der Messfehler nicht linear von der Exzentrizität des Rotors abhängt.
Es lässt sich zeigen, dass der Idealfall eines exzentrischen Rotors in der Realität nicht erreichbar ist, und dass wie mit Bezug auf die zweite Ausführungsform der 13 noch im Detail erläutert wird, alternative Wicklungsschemata Vorteile bringen können. Allerdings ermöglicht bereits die erfindungsgemäße Symmetrie von Rotor und Stator bei der bisher erläuterten Ausführungsform eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit durch teilweise Kompensation der Fehlereffekte:
Die 8 und 9 zeigen in der Übersicht die Ausgangsspannungen für den Idealfall im Vergleich zu einer exzentrischen Rotorposition (10). Wie aus dieser Figur klar wird, sind die Ausgangssignale für Pol 5 und Pol 13 nicht mehr deckungsgleich. Auf diese Weise kann eine teilweise Kompensation der Exzentrizität erfolgen.
In 8 entspricht die induzierte Spannung im Pol 9 derjenigen von Pol 1 und die Spannung in Pol 13 derjenigen in Pol 5. Das vollständige Kosinusausgangssignal wird aus der Summe der Spannungen an den folgenden Polen gebildet: Pol 1 + Pol 9 + Pol 5 + Pol 13.
Wenn die Wicklungszahl auf den einander jeweils um 180° gegenüberliegenden Seiten gleich sind, bietet dies den Vorteil, dass die Signale weniger sensibel auf eine Exzentrizität des Rotors mit Bezug auf den Stator reagiert. Geht man z. B. von einer horizontalen Verschiebung um z mm aus, dann wird der Luftspalt zwischen Rotor und Stator an Pol 5 um genau z mm kleiner, aber der Luftspalt bei Pol 13 wird um z mm größer sein. Wenn man dann den Magnetfluss berechnet und daraus die induzierte Spannung, werden sich, wie aus 9 ersichtlich, die induzierten Spannungen an den Polen 5 und 13 gegenseitig kompensieren.
Erfindungsgemäß hat der Reluktanzresolver eine charakteristische Zahl, die sich nach der Formel
berechnet. Für einen herkömmlichen Resolver mit einem zweiphasigen Ausgangssignal (Sinus und Kosinus) werden mindestens 4 Pole mit Sinus, –Sinus, Kosinus und –Kosinus benötigt. Bei einem Rotor mit p Nocken sind die Nocken jeweils bei 360°/p angeordnet. Die Wicklungen auf dem Stator werden dann an den in nachfolgender Tabelle 1 bezeichneten Orten angeordnet, wobei X eine natürliche Zahl ist: Tabelle 1

cos X·(360/p) + 0

–sin X·(360/p) + 1/2·(360/n·p)

–cos X·(360/p) + 1·(360/n·p)

Sin X·(360/p) + 3/2·(360/n·p)
Die Pole eines Resolvers mit t Zähnen befinden sich an den Orten Y·360°/t, wobei Y Werte von 0 bis t-1 annimmt. Nach diesem Konzept wird auf dem ersten Zahn eine Kosinuswicklung angeordnet, anschließend eine Primärwicklung und auf dem dritten Zahn eine Sinus- oder –Sinuswicklung. 2·360°/t sollte sich dann entsprechend an der Rotorposition für Sinus oder –Sinus befinden.
Wie in nachfolgender Tabelle 2 gezeigt, befinden sich Sinus- und –Sinussekundärwicklungen an den Positionen x/2·360°/n·p, wobei x eine ungerade Zahl ist.

Bei der in Tabelle 2 gezeigten Anordnung gilt 4·n·p/t = 3 (n = 2, p = 6, t = 16). Tabelle 2

Position auf dem Rotor		Zahn auf dem Stator
0	cos	0	cos
15	–sin	22.5		Primär
30	–cos	45	sin
45	sin	67.5		Primär
60	cos	90	–cos
75	–sin	112.5		Primär
90	–cos	135	–sin
105	sin	157.5		Primär
120	cos	180	cos
135	–sin	202.5		Primär
150	–cos	225	sin
165	sin	247.5		Primär
180	cos	270	–cos
195	–sin	292.5		Primär
210	–cos	315	–sin
225	sin	337.5		Primär
240	cos
255	–sin
270	–cos
285	sin
300	cos
315	–sin
330	–cos
345	sin

Ein Sechs-Speed-Resolver mit 48 Zähnen würde selbstverständlich ebenfalls funktionieren (4·n·p/t = 1), würde aber wesentlich teurer und komplizierter in der Herstellung werden.

Mit Bezug auf 10 soll ein weiteres Beispiel für den erfindungsgemäßen Resolver der ersten Ausführungsform erläutert werden. Wie aus der unten stehenden Tabelle 3 ersichtlich, benötigt man 32 Pole, um einen Vier-Speed-Resolver mit symmetrischem Aufbau zu entwickeln. Ein 16-poliger Stator bietet hier nicht genug Raum für die Primärwicklungen. Tabelle 3

Position auf dem Rotor		Zahn auf dem Stator 32 Pole		Zahn auf dem Stator 16 Pole
0	cos	0	cos	0	cos
22.5	–sin	11.25	Primär	22.5	–sin
45	–cos	22.5	–sin	45	–cos
67.5	sin	33.75	Primär	67.5	sin
90	cos	45	–cos	90	cos
112.5	–sin	56.25	Primär	112.5	–sin
135	–cos	67.5	Sin	135	–cos
157.5	sin	78.75	Primär	157.5	sin
180	cos	90	Cos	180	cos
202.5	–sin	101.25	Primär	202.5	–sin
225	–cos	112.5	–sin	225	–cos
247.5	sin	123.75	Primär	247.5	sin
270	cos	135	–cos	270	cos
292.5	–sin	146.25	Primär	292.5	–sin
315	–cos	157.5	Sin	315	–cos
337.5	sin	168.75	Primär	337.5	sin
		180	Cos
		191.25	Primär
		202.5	–sin
		213.75	Primär
		225	–cos
		236.25	Primär
		247.5	Sin
		258.75	Primär
		270	Cos
		281.25	Primär
		292.5	–sin
		303.75	Primär
		315	–cos
		326.25	Primär
		337.5	Sin
		348.75	Primär

Wiederum sind alle Teilwicklungen der Primärwicklung in eine Richtung gewickelt und befinden sich nicht auf nebeneinander liegenden Zähnen des Stators.
11 zeigt ein Wicklungsschema für einen Acht-Speed-Resolver mit einem Stator, der 32 Pole aufweist. Wie in der nachfolgenden Tabelle 4 aufgelistet, werden bei dieser Ausführungsform jeweils mindestens zwei Primärwicklungen zwischen den Sekundärwicklungen angeordnet.
Berechnet man für diesen Fall
, ergibt sich 2, also eine gerade Zahl.

An den Polen 11 bis 16 und 27 bis 32 kann deshalb das regelmäßige Muster von zwei Primärwicklungen und einer Sekundärwicklung nicht aufrechterhalten werden. Bei diesen Polen wird die Wicklungszahl verändert, um ein ähnliches Magnetfeld in den Polen neben diesen Regionen wie überall sonst zu erzielen. Alle Teilwicklungen der Primärwicklung sind in dieselbe Richtung gewickelt, so dass der gesendete Magnetfluss entlang des Umfangs des Stators überall in Richtung auf den Rotor zeigt. Tabelle 4

Position auf dem Rotor		Pol	Zahn auf dem Stator 32 Pole
0	cos	1	0	cos
11.25	–sin	2	11.25	–sin	=> Primär
22.5	–cos	3	22.5	–cos	=> Primär
33.75	sin	4	33.75	sin
45	cos	5	45	cos	=> Primär
56.25	–sin	6	56.25	–sin	=> Primär
67.5	–cos	7	67.5	–cos
78.75	sin	8	78.75	sin	=> Primär
90	cos	9	90	cos	=> Primär
101.25	–sin	10	101.25	–sin
112.5	–cos	11	112.5	–cos	=> Primär
123.75	sin	12	123.75	sin	=> Primär
135	cos	13	135	cos	=> Primär
146.25	–sin	14	146.25	–sin	=> Primär
157.5	–cos	15	157.5	–cos	=> Primär
168.75	sin	16	168.75	sin	=> Primär
180	cos	17	180	cos
191.25	–sin	18	191.25	–sin	=> Primär
202.5	–cos	19	202.5	–cos	=> Primär
213.75	sin	20	213.75	sin
225	cos	21	225	cos	=> Primär
236.25	–sin	22	236.25	–sin	=> Primär
247.5	–cos	23	247.5	–cos
258.75	sin	24	258.75	sin	=> Primär
270	cos	25	270	cos	=> Primär
281.25	–sin	26	281.25	–sin
292.5	–cos	27	292.5	–cos	=> Primär
303.75	sin	28	303.75	sin	=> Primär
315	cos	29	315	cos	=> Primär
326.25	–sin	30	326.25	–sin	=> Primär
337.5	–cos	31	337.5	–cos	=> Primär
348.75	sin	32	348.75	sin	=> Primär

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in 12 gezeigt ist, werden die Einzelwicklungen auf lose Spulenkörper 118 aufgewickelt und diese Spulenkörper, die elektrische Anschlüsse 120, 122 aufweisen, auf die Zähne 110 des Stators 104 aufgeschoben.
Um die einzelnen Spulenanschlüsse 120, 122 miteinander zu verbinden, wird in einem nächsten Arbeitsschritt eine Verdrahtungsplatine 124 montiert, wie dies in 18 gezeigt ist. Die Verdrahtungsplatine 124 trägt Leiterbahnen 126, welche die gewünschten Anschlüsse miteinander verbinden. Dabei kann die Verdrahtungsplatine 124 in bekannter Weise durch eine gedruckte Leiterplatte, eine flexible Leiterplatte oder ein Leadframe gebildet sein. Die Kontaktierung zwischen den Anschlüssen 120, 122 der Spulenkörper 118 und den Leiterbahnen 126 erfolgt in bekannter Weise über Löten, Kleben, Einpressen oder andere bekannte elektrische Kontaktierungsmittel.
Wie bereits erwähnt, kann eine Exzentrizität zwischen dem Rotor und dem Stator bei der bisher besprochenen ersten Ausführungsform zu erheblichen Ungenauigkeiten führen. Deshalb wird als zweite Ausführungsform eine Anordnung vorgeschlagen, bei der jeweils zwei Wicklungen auf jedem Statorpol angeordnet sind. Ein schematischer Querschnitt durch einen solchen alternativen Sechs-Speed-Resolver ist in 13 gezeigt.
Wiederum tragen nur die geradzahligen Pole Primärwicklungen und alle Primärwicklungen sind so gewickelt, dass die Richtung des magnetischen Flusses auf die Drehachse 106 des Rotors zeigt. Der Magnetfluss kehrt durch die ungeradzahligen Pole zurück. Im Unterschied zu der vorigen Ausführungsform trägt aber gemäß der in 13 gezeigten Ausführungsform jeder Statorpol noch eine zweite Wicklung, so dass entweder eine Primärwicklung mit einer Sekundärwicklung oder zwei unterschiedliche Sekundärwicklungen miteinander auf ein und demselben Statorpol angeordnet sind.
14 zeigt das Wicklungsschema für den Sechs-Speed-Resolver aus 13. Dabei wird ersichtlich, dass gemäß dieser Ausführungsform die Primärwicklungen alle dieselbe, aber eine geringere Windungszahl haben als die Sinussekundärwicklungen und die Kosinussekundärwicklungen. Alternativ kann aber auch überall dieselbe Windungszahl verwendet werden, wodurch die Herstellung vereinfacht wird.
In 15 ist ein Beispiel für die Ausgangsspannungen an den Polen 1, 2, 3, 5, 6 und 7 gezeigt. Die in den Pol 9, 10, 11, 13, 14 und 15 induzierten Spannungen sind identisch zu diesen. Das gesamte Kosinussignal berechnet sich aus der Summe aller in diesen Polen induzierten Spannungen.
Der Vorteil dieser zweiten Ausführungsform lässt sich bei Betrachtung der 16 und 17 erkennen. In 16 ist die Winkelabweichung Δφ₁ der Ausführungsform aus 2 im Vergleich zu der Winkelabweichung Δφ₂ bei der Ausführungsform aus 13 für exakt zentrischen Rotor aufgetragen. Die beiden Kurven verlaufen sehr ähnlich, so dass für diesen Fall kein Unterschied besteht.
Wie aus 17 deutlich wird, ist für den Fall, dass der Rotor jedoch außerhalb der Mitte angeordnet ist, der Fehler Δφ₂ für die Anordnung aus 13 im Vergleich zu dem Fehler Δφ₁ der Anordnung aus 2 nur mehr halb so groß. Dies lässt sich dadurch erklären, dass aufgrund der nicht mittigen Anordnung des Rotors die induzierten Spannungen der einzelnen Pole unsymmetrisch sind, was zu den Abweichungen in den Ausgangssignalen führt. Die Amplitudenvariationen werden durch eine ungleiche magnetische Flussdetektion der Pole infolge der Fluktuation des Luftspalts verursacht. Diese Ungenauigkeiten werden als Harmonische höherer Ordnung detektiert, wenn man sie analysiert. Um diese Ungenauigkeiten zu verhindern, umfasst das alternative Wicklungsschema gemäß der 13 mehr Wicklungen der Detektorschaltkreise. Zum Beispiel sind anstelle der zuvor gezeigten vier Sekundärwicklungen zwölf Sekundärwicklungen vorgesehen. Daher werden Fehler infolge einer Variation der Magnetflussamplitude in den Detektorspulen durch die jeweilig benachbarten Pole korrigiert.
Ein alternatives Wicklungsschema mit jeweils zwei Wicklungen auf jedem Statorpol für einen Vier-Speed-Resolver ist in 18 gezeigt.
Wie weiterhin aus den 19 bis 21 ersichtlich, können auch zwei Wicklungen noch auf einem losen Spulenkörper 118 aufgewickelt werden, wobei nunmehr insgesamt vier elektrische Anschlüsse 120, 121, 122, 123 nach außen geführt werden müssen. Die Verbindung mit Hilfe eines Leadframes oder einer gedruckten Leiterplatte 124 ist ebenfalls möglich.
21 zeigt eine Ausführungsform der Verdrahtungsplatine 124, bei der die gedruckte Leiterplatte 124 einen Rückführpfad 128 für das elektrische Signal beinhaltet. Durch diesen Rückführpfad 128 kann verhindert werden, dass eine Magnetflussverbindung in Richtung der Drehachse auftritt, welche die Ausgangssignale unerwünscht beeinflussen könnte. Die anderen beiden Schaltkreise besitzen auf der Unterseite der Leiterplatte analoge Rückführpfade.
22 zeigt schließlich einen Zwei-Speed-Resolver 100, bei dem ein Rotor 102, der zwei Nocken besitzt, mit einem 16-poligen Stator 104 kombiniert ist. Dies ist analog zu dem Vier-Speed-Rotor mit einem 32-poligen Stator. Bei dieser Ausführungsform ist nur jeder zweite Zahn 110 mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung versehen. Sowohl das Prinzip, dass alle Primärwicklungen gleichsinnig gewickelt sind, wie auch die vollständige Symmetrie von Rotor und Stator sind auch bei dieser Ausführungsform verwirklicht. Es ergeben sich damit neben einer besonders einfachen Montierbarkeit auch die oben erläuterten Vorteile bezüglich der Genauigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber eventuellen Montage- und Fabrikationstoleranzen.

Obwohl in den bisherigen Ausführungen stets von losen Spulenkörpern ausgegangen wurde, können die Wicklungen gemäß der vorliegenden Erfindung auch direkt auf den Stator gewickelt werden, wobei zusätzliche Kunststoffteile verwendet werden können (aber nicht unbedingt müssen). Die meisten Verbindungen können dann unmittelbar mit Hilfe des Magnetdrahts erfolgen. Der Rückführpfad für das elektrische Signal wird dann ebenfalls mit einem Magnetdraht oder Kabel realisiert. Bezugszeichenliste:

Bezugsziffer	Beschreibung
100	Reluktanzresolver; magnetoelektronischer Winkelsensor
102	Rotor
104	Stator
106	Drehachse
108	Nocke am Rotor
110	Zahn (Pol) am Stator
112	Magnetfluss durch die Primärwicklung
114	Magnetfluss durch die Sinussekundärwicklung
116	Magnetfluss durch die Kosinussekundärwicklung
118	Loser Spulenkörper
120	Anschluss an dem losen Spulenkörper
121	Anschluss an dem losen Spulenkörper
122	Anschluss an dem losen Spulenkörper
123	Anschluss an dem losen Spulenkörper
124	Verdrahtungsplatine
126	Leiterbahnen
128	Rückführpfad für das elektrische Signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0522941 [0003]
- EP 0802398 [0003, 0003]

Claims

Magnetoelektronischer Winkelsensor mit einem zumindest teilweise ferromagnetischen Stator (104) und einem zumindest teilweise ferromagnetischen Rotor (102), die einander unter Bildung eines ringförmigen Luftspalts gegenüberstehen, wobei sich der magnetische Widerstand in dem Luftspalt aufgrund einer über den Umfang variierenden Formung des Rotors periodisch ändert, wenn sich der Rotor um eine Drehachse (106) dreht, mit einem auf dem Stator (104) angeordneten Magnetflusssender, der über mindestens ein Polpaar eine vorgegebene Magnetflussverteilung in dem Luftspalt erzeugt, mit einem auf dem Stator (104) angeordneten Magnetflussempfänger, der über mindestens zwei gegeneinander im Winkel versetzt angeordnete Signalpolpaare die Intensität des Magnetfeldes misst, wobei aus den beiden Empfängersignalen ein Winkelwert für die Relativstellung des Rotors (102) gegenüber dem Stator (104) ableitbar ist, wobei der Stator (104) über den Umfang verteilt eine Vielzahl von Zähnen (110), die durch Nuten voneinander getrennt sind, aufweist und der Magnetflusssender mindestens zwei Primärwicklungen umfasst, die so angeordnet sind, dass mindestens einer der Zähne keine Primärwicklung trägt.
Winkelsensor nach Anspruch 1, wobei die Primärwicklungen so angeordnet sind, dass sie einen Magnetfluss erzeugen, der radial verläuft, wobei eine Richtung des Magnetflusses jeweils für alle Primärwicklungen gleich in Richtung auf die Drehachse zu oder von der Drehachse fortstrebend orientiert ist.
Winkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf den Zähnen (110) des Stators (104) über den Umfang verteilt jeweils abwechselnd eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung des Magnetflussempfängers angeordnet sind.
Winkelsensor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine charakteristische Größe
eine ungerade Zahl ist, mit n gleich einer Anzahl von Phasen des Winkelsensors, p gleich einer Anzahl von Nocken, welche die Formung an dem Rotor bilden, t gleich einer Anzahl der Zähne an dem Stator.
Winkelsensor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Magnetflussempfänger mindestens zwei Sinussekundärwicklungen und mindestens zwei um 90 elektrische Grad zu den Sinussekundärwicklungen versetzte Kosinussekundärwicklungen aufweist.
Winkelsensor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wicklungen jeweils auf separaten Spulenkörpern (118) aufgebracht sind.
Winkelsensor nach Anspruch 6, wobei elektrische Verbindungen zwischen Wicklungen über eine gedruckte Leiterplatte (124), eine flexible Leiterplatte oder ein Leadframe hergestellt sind.
Winkelsensor nach Anspruch 7, wobei die elektrische Verbindung zwischen Anschlüssen der Spulenkörper (118) und der gedruckten Leiterplatte (124) oder dem Leadframe durch Lötverbindungen, Schweißverbindungen oder Einpressverbindungen hergestellt ist.
Winkelsensor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf den Zähnen (110) des Stators (104) jeweils zwei unterschiedliche Wicklungen angeordnet sind.
Winkelsensor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens einen Rückführpfad (128) zum Zurückführen eines elektrischen Signals.
Winkelsensor nach Anspruch 10, wobei der mindestens eine Rückführpfad (128) durch eine Leiterbahn auf einer gedruckten Leiterplatte (124) oder einen Draht gebildet ist.
Winkelsensor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens alle Primärwicklungen eine identische Windungszahl haben.
Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei mindestens eine der Primärwicklungen zum gezielten Beeinflussen des gesendeten Magnetfelds eine von den übrigen Primärwicklungen abweichende Windungszahl hat.
Winkelsensor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Rotor (102) und der Stator (104) mit den darauf auftretenden Magnetflüssen in ihrem Querschnitt punktsymmetrisch zu der Drehachse (106) aufgebaut sind.
Winkelsensor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, soweit abhängig von Anspruch 5, wobei auf jeweils jedem zweiten Zahn (110) des Stators (104) eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung so angeordnet sind, dass sich Sinussekundärwicklungen und Kosinussekundärwicklungen jeweils abwechseln.