DE102010028688A1 - System, das einen Magneten und einen ersten und zweiten Konzentrator umfasst - Google Patents

System, das einen Magneten und einen ersten und zweiten Konzentrator umfasst Download PDF

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Abstract

Ein System, das einen ersten Konzentrator, einen zweiten Konzentrator und einen Magneten umfasst. Der erste Konzentrator weist einen ersten Teil-Wickelkern auf. Der zweite Konzentrator weist einen zweiten Teil-Wickelkern auf, der mit dem ersten Teil-Wickelkern ausgerichtet ist, um eine Bohrung zu bilden. Der Magnet ist in der Bohrung positioniert und der erste Konzentrator und der zweite Konzentrator leiten einen Magnetfluss von dem Magneten, um eine Bewegung des Magneten relativ zu dem ersten Konzentrator und dem zweiten Konzentrator zu erfassen.

Description

  • Es ist häufig nützlich, die Winkelverschiebung und/oder das Drehmoment zwischen zwei Baugliedern zu messen, wie z. B. zwei Drehachsen. Eine Achse bzw. Welle dreht sich relativ zu der anderen Welle und ein Sensor, wie z. B. ein Drehmomentsensor, erfasst die Winkelverschiebung und/oder das Drehmoment zwischen den zwei Wellen. Ferner ist es häufig nützlich, den absoluten Drehwinkel einer Drehwelle zu messen, wo sich die Welle dreht und Winkelsensor den Winkel der Welle relativ zu einem stationären Punkt erfasst. Diese Messungen sind bei Systemen nützlich, wie z. B. Lenkhilfe- bzw. Servolenksystemen in LKWs und Autos.
  • Üblicherweise ist bei Lenkhilfesystemen eine erste Welle mit einem Lenkrad verbunden und eine zweite Welle ist mit einem Lenkmechanismus verbunden. Die erste Welle ist mit der zweiten Welle über ein konformes Bauglied verbunden, wie z. B. einen Drehstab. Der Fahrer dreht das Lenkrad, was die erste Welle um eine Anzahl von Grad im Hinblick auf die zweite Welle dreht. Ein Drehmomentsensor erfasst die Winkelverschiebung der ersten Welle relativ zu der zweiten Welle und liefert eine Ausgabe, die das Drehmoment anzeigt, das auf die erste Welle, den Drehstab und die zweite Welle ausgeübt wird. Der Betrag an Lenkhilfenunterstützung wird als eine Funktion des ausgeübten Drehmoments bestimmt. Ein separater Winkelsensor erfasst den Drehwinkel der ersten Welle oder der zweiten Welle und gibt diesen aus.
  • Diese Systeme können magnetbasierte Systeme, kontaktbasierte Systeme, die z. B. resistive Spuren und Wischer verwenden, induktive Systeme oder optische Systeme sein. Bei einigen magnetbasierten Systemen sind der Drehmomentsensor und der Winkelsensor separate Sensoren. Wo der Drehmomentsensor Materialien umfasst, wie z. B. mehrere Magneten, und der Winkelsensor Materialien umfasst, wie z. B. einen oder mehrere Magneten. Mehrere Magneten und separate Sensoren erhöhen die Kosten und die Komplexität des Systems.
  • Aus diesen und aus anderen Gründen besteht ein Bedarf nach der vorliegenden Erfindung.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
  • Ein Ausführungsbeispiel, das in der Offenbarung beschrieben ist, schafft ein System, das einen ersten Konzentrator, einen zweiten Konzentrator und einen Magneten umfasst. Der erste Konzentrator weist einen ersten Teil-Wickelkern auf. Der zweite Konzentrator weist einen zweiten Teil-Wickelkern auf, der mit dem ersten Teil-Wickelkern ausgerichtet ist, um eine Bohrung zu bilden. Der Magnet ist in der Bohrung positioniert und der erste Konzentrator und der zweite Konzentrator leiten einen Magnetfluss von dem Magneten, um die Bewegung des Magneten relativ zu dem ersten Konzentrator und dem zweiten Konzentrator zu erfassen.
  • Die beiliegenden Zeichnungen sind umfasst, um ein weiteres Verständnis der Ausführungsbeispiele zu geben und sind in diese Beschreibung eingelagert und bilden einen Teil derselben. Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, Prinzipien der Ausführungsbeispiele zu erklären. Andere Ausführungsbeispiele und viele der vorgesehenen Vorteile der Ausführungsbeispiele werden ohne weiteres offensichtlich, wenn sie durch Bezugnahme auf die nachfolgende, detaillierte Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende, ähnliche Teile.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems darstellt;
  • 2 ein Diagramm, das ein Sensorsystem mit einem Magneten in einer zentrierten Nord/Süd-Position darstellt;
  • 3 ein Diagramm, das ein Sensorsystem mit einem Magneten darstellt, der im Uhrzeigersinn in eine nichtzentrierte Nord/Süd-Position gedreht ist;
  • 4 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Drehmoment- und Winkelsensorsystems darstellt, das einen Einzelmagneten verwendet;
  • 5 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Lenkhilfesystems darstellt, das ein Sensorsystem umfasst;
  • 6 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems darstellt, das mit einer ersten Welle und einer zweiten Welle gekoppelt ist;
  • 7 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Teils eines Sensorsystems darstellt, das ein oberes Getrieberad und ein unteres Getrieberad umfasst; und
  • 8 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Drehmoment- und Winkelsensorsystems mit Redundanz darstellt.
  • In der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung wird Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, die einen Teil derselben bilden und in denen auf darstellende Weise spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Diesbezüglich wird eine Richtungsterminologie verwendet, wie z. B. „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „Vorder”-, „Hinter”-, etc., mit Bezug auf die Ausrichtung der Figur(en), die beschrieben werden. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Reihe von unterschiedlichen Ausrichtungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie zu Zwecken der Darstellung verwendet und ist auf keine Weise einschränkend. Es wird darauf hingewiesen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen ausgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgende, detaillierte Beschreibung soll daher nicht in einem einschränkenden Sinn genommen werden, und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die beiliegenden Ansprüche definiert.
  • 1 ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 20 darstellt, das ein Drehmomentsensor ist, der einen Einzelmagneten 22 umfasst. Das Sensorsystem 20 erfasst und misst das Drehmoment zwischen zwei Baugliedern, wie z. B. zwei Drehwellen. Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Sensorsystem 20 bei einem Lenkhilfesystem verwendet. Bei einem Ausführungsbeispiel erfasst das Sensorsystem 20 die Winkelverschiebung einer ersten Welle relativ zu einer zweiten Welle, die mit der ersten Welle über einen Drehstab verbunden ist, und das Sensorsystem 20 liefert eine Ausgabe, die das Drehmoment anzeigt, das auf die erste Welle, auf den Drehstab und auf die zweite Welle ausgeübt wird.
  • Das Sensorsystem 20 umfasst einen Magnet 22, einen ersten Magnetflusskonzentrator 24, einen zweiten Magnetflusskonzentrator 26, einen ersten Magnetflussleiter 28, einen zweiten Magnetflussleiter 30 und ein Magneterfassungselement 32. Der Magnet 22 liefert einen Magnetfluss, der durch den ersten Konzentrator 24 und den zweiten Konzentrator 26 und durch den ersten Leiter 28 und den zweiten Leiter 30 fließt. Das Magneterfassungselement 32 erfasst einen Magnetfluss, der zwischen dem ersten Leiter 28 und dem zweiten Leiter 30 fließt, um eine Bewegung des Magneten 22 relativ zu dem ersten Konzentrator 24 und dem zweiten Konzentrator 26 zu messen.
  • Der erste Konzentrator 24 weist einen ersten Teil-Wickelkern 34 und einen ersten kreisförmigen Flansch 36 auf. Der erste Teil-Wickelkern 34 ist mit dem ersten kreisförmigen Flansch 36 entlang von zumindest einem Teil eines Randes des ersten Teil-Wickelkerns 34 verbunden. Der erste Konzentrator 24 ist aus magnetisch leitfähigem Material mit einer hohen Permeabilität hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Konzentrator 24 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Teil-Wickelkern 34 im Wesentlichen halbrund. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Teil-Wickelkern 34 mit einem ersten kreisförmigen Flansch 36 verbunden, durchgehend entlang dem gesamten Rand des ersten Teil-Wickelkerns 34.
  • Der zweite Konzentrator 26 weist einen zweiten Teil-Wickelkern 38 und einen zweiten kreisförmigen Flansch 40 auf. Der zweite Teil-Wickelkern 38 ist mit einem zweiten kreisförmigen Flansch 40 entlang von zumindest einem Teil eines Randes des zweiten Teil-Wickelkerns 38 verbunden. Der zweite Konzentrator 26 ist aus einem magnetisch leitfähigem Material mit einer hohen Permeabilität hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Konzentrator 26 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Teil-Wickelkern 38 im Wesentlichen halbrund. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Teil-Wickelkern 38 mit dem zweiten kreisförmigen Flansch 40 durchgehend entlang dem gesamten Rand des zweiten Teil-Wickelkerns 38 verbunden.
  • Der erste Konzentrator 24 und der zweite Konzentrator 26 sind ausgerichtet, um eine zentrale Bohrung 42 zu bilden, wo der erste Teil-Wickelkern 34 und der zweite Teil-Wickelkern 38 bei 44 beabstandet sind und zirkumferenziell ausgerichtet sind, um die Bohrung 42 zu bilden.
  • Der Magnet 22 ist ein Dauermagnet, der in der Bohrung 42 positioniert ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 22 ein zylindrischer Magnet mit einer Achse bei 46, die mit der Achse bei 46 der Bohrung bzw. des Bohrlochs 42 ausgerichtet ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 22 ein diametral magnetisierter, zylindrischer Magnet mit einer Achse bei 46, die mit der Achse bei 46 des Bohrlochs 42 ausgerichtet ist, wobei der diametral magnetisierte, zylindrische Magnet senkrecht zu der Länge magnetisiert ist, so dass der Nord- und Südpol auf den Seiten des Zylinders angeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 22 ein einpoliger Magnet.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 22 mit einem ersten Bauglied gekoppelt und dreht sich ansprechend auf eine Bewegung des ersten Bauglieds, und der erste Konzentrator 24 und der zweite Konzentrator 26 sind mit einem zweiten Bauglied gekoppelt und drehen sich ansprechend auf die Bewegung des zweiten Bauglieds. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 22 mit einer ersten Welle gekoppelt, und der erste Konzentrator 24 und der zweite Konzentrator 26 sind mit einer zweiten Welle gekoppelt, die mit der ersten Welle über einen Drehstab verbunden ist, wo das System 20 ein Drehmoment zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle erfasst. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 22 mit einer ersten Welle über ein erstes Getrieberad gekoppelt, und der erste Konzentrator 24 und der zweite Konzentrator 26 sind mit einer zweiten Welle über ein zweites Getrieberad gekoppelt.
  • Der erste Leiter 28 ist benachbart zu dem ersten, kreisförmigen Flansch 36 positioniert, und der zweite Leiter 30 ist benachbart zu dem zweiten, kreisförmigen Flansch 40 positioniert. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Leiter 28 benachbart zu einem ersten, kreisförmigen Flansch 36 positioniert, mit einem kleinen Zwischenraum zwischen dem ersten Leiter 28 und dem ersten kreisförmigen Flansch 36, und der zweite Leiter 30 ist benachbart zu dem zweiten, kreisförmigen Flansch 40 positioniert, mit einem kleinen Zwischenraum zwischen dem zweiten Leiter 30 und dem zweiten, kreisförmigen Flansch 40. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Leiter 28 benachbart zu dem ersten, kreisförmigen Flansch 36 positioniert, ohne Zwischenraum zwischen dem ersten Leiter 28 und dem ersten, kreisförmigen Flansch 36, und der zweite Leiter 30 ist benachbart zu dem zweiten, kreisförmigen Flansch 40 positioniert, ohne Zwischenraum zwischen dem zweiten Leiter 30 und dem zweiten, kreisförmigen Flansch 40.
  • Der erste Leiter 28 überlappt den ersten, kreisförmigen Flansch 36, und der zweite Leiter 30 überlappt den zweiten, kreisförmigen Flansch 40. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Leiter 28 halbrund und weist einen halbrunden Überlappungsbereich mit dem ersten, kreisförmigen Flansch 36 auf, und der zweite Leiter 30 ist halbrund und weist einen halbrunden Überlappungsbereich mit dem zweiten, kreisförmigen Flansch 40 auf.
  • Sowohl der erste als auch der zweite Leiter 28 und 30 sind aus einem magnetisch leitfähigen Material mit einer hohen Permeabilität hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Leiter 28 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Leiter 30 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt.
  • Das Magneterfassungselement 32 ist zwischen dem ersten Leiter 28 und dem zweiten Leiter 30 positioniert. Das Magneterfassungselement 32 erfasst und misst einen Magnetfluss, der zwischen dem ersten Leiter 28 und dem zweiten Leiter 30 fließt. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Magneterfassungselement 32 ein oder mehrere Hall-Effekt-Erfassungselemente.
  • In Betrieb liefert der Magnet 22 einen Magnetfluss, der durch den ersten Konzentrator 24 und den zweiten Konzentrator 26 fließt. Der Magnetfluss fließt durch den ersten Teil-Wickelkern 34 und den ersten kreisförmigen Flansch 36 und der Magnetfluss fließt durch den zweiten Teil-Wickelkern 38 und den zweiten kreisförmigen Flansch 40. Ferner fließt der Magnetfluss durch den ersten Leiter 28 und den zweiten Leiter 30 über den ersten Konzentrator 24 und den zweiten Konzentrator 26. Der Betrag des Magnetflusses, der zwischen dem ersten Leiter 28 und dem zweiten Leiter 30 fließt, ist eine Funktion der Bewegung und der Position des Magneten 22 relativ zu dem ersten Konzentrator 24 und dem zweiten Konzentrator 26. Das Magneterfassungselement 32 erfasst und misst einen Magnetfluss, der zwischen dem ersten Leiter 28 und dem zweiten Leiter 30 fließt, um den relativen Winkel zwischen dem Magneten 22 und dem ersten und dem zweiten Konzentrator 24 und 26 zu bestimmen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Sensorsystem 20 einen Winkelsensor, der benachbart zu einem Ende des Magneten 22 positioniert ist. Der Winkelsensor erfasst und misst den Winkel der Drehung des Magneten 22 relativ zu einem festen Punkt. Bei diesem Ausführungsbeispiel misst das Sensorsystem 20 sowohl Drehmoment als auch Drehwinkel über das kombinierte Drehmoment- und Winkelsensorsystem, das einen Einzelmagneten 22 verwendet. Das Verwenden eines Einzelmagneten 22 reduziert die Kosten und Komplexität des Systems.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Sensorsystem 20 einen zweiten Magneten, der mechanisch mit dem ersten Konzentrator 24 und dem zweiten Konzentrator 26 gekoppelt ist. Ein erster Winkelsensor ist benachbart zu einem Ende des Magneten 22 positioniert, um den Drehwinkel des Magneten 22 zu messen, und ein zweiter Winkelsensor ist benachbart zu dem zweiten Magneten positioniert, um den Drehwinkel des ersten Konzentrators 24 und des zweiten Konzentrators 26 zu messen. Die Differenz zwischen den Winkeln, wie sie durch den ersten Winkelsensor und den zweiten Winkelsensor gemessen werden, kann als ein Maß einer Winkelverschiebung und ein anderes Maß eines Drehmoments verwendet werden.
  • 2 und 3 sind Diagramme, die die Operation eines Ausführungsbeispiels eines Sensorsystems 100 darstellen, das einen Einzelmagneten 102 verwendet, um Winkelverschiebung und/oder Drehmoment zu erfassen und zu messen. Das Sensorsystem 100 ist ähnlich zu dem Sensorsystem 20.
  • 2 ist ein Diagramm, das ein Sensorsystem 100 mit einem Magneten 102 in einer zentrierten Nord/Süd-Position darstellt. Das Sensorsystem 100 umfasst einen Magneten 102, einen ersten Magnetflusskonzentrator 104, einen zweiten Magnetflusskonzentrator 106, einen ersten Magnetflussleiter 108, einen zweiten Magnetflussleiter 110 und ein Magneterfassungselement 112.
  • Der erste Konzentrator 104 weist einen ersten Teil-Wickelkern 114 und einen ersten Flansch 116 auf. Der erste Teil-Wickelkern 114 ist mit dem ersten Flansch 116 entlang zumindest einem Teil eines Randes des ersten Teil-Wickelkerns 114 verbunden. Der erste Konzentrator 104 ist aus einem magnetisch leitfähigen Material mit einer hohen Permeabilität hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Konzentrator 104 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Teil-Wickelkern 114 im Wesentlichen halbrund. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Teil-Wickelkern 114 mit dem ersten Flansch 116 durchgehend entlang dem gesamten Rand des ersten Teil-Wickelkerns 114 verbunden.
  • Der zweite Konzentrator 106 weist einen zweiten Teil-Wickelkern 118 und einen zweiten Flansch 120 auf. Der zweite Teil-Wickelkern 118 ist mit dem zweiten Flansch 120 entlang zumindest einem Teil eines Randes des zweiten Teil-Wickelkerns 118 verbunden. Der zweite Konzentrator 106 ist aus einem magnetisch leitfähigem Material mit einer hohen Permeabilität hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Konzentrator 106 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Teil-Wickelkern 118 im Wesentlichen halbrund bzw. halbkreisförmig. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Teil-Wickelkern (partial hub) 118 mit dem zweiten Flansch 120 durchgehend entlang dem gesamten Rand des zweiten Teil-Wickelkerns 118 verbunden.
  • Der erste Konzentrator 104 und der zweite Konzentrator 106 sind ausgerichtet, um die zentrale Bohrung 122 zu bilden, wo der erste Teil-Wickelkern 114 und der zweite Teil-Wickelkern 118 bei 124 beabstandet sind und betreffend dem Umfang bzw. zirkumferenziell ausgerichtet sind, um die Bohrung 122 zu bilden.
  • Der Magnet 102 ist ein zylindrischer Dauermagnet, der in der Bohrung 122 positioniert ist und eine Achse bei 126 aufweist, die mit der Achse bei 126 der Bohrung 122 ausgerichtet ist. Der Magnet 102 ist diametral magnetisiert, wobei der zylindrische Magnet 102 senkrecht zu der Länge magnetisiert ist, derart, dass der Nordpol N und der Südpol S an gegenüberliegenden Seiten des Zylinders angeordnet sind. Der Magnet 102 ist ein einpoliger Magnet. Bei anderen Ausführungsbeispielen können der Nordpol N und der Südpol S umgeschaltet werden.
  • Der erste Leiter 108 ist benachbart zu dem ersten Flansch 116 positioniert, und der zweite Leiter 110 ist benachbart zu dem zweiten Flansch 120 positioniert. Sowohl der erste als auch der zweite Leiter 108 und 110 sind aus einem magnetisch leitfähigen Material mit einer hohen Permeabilität hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Leiter 108 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Leiter 110 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt.
  • Das Magneterfassungselement 112 ist zwischen dem ersten Leiter 108 und dem zweiten Leiter 110 positioniert. Das Magneterfassungselement 112 erfasst und misst einen Magnetfluss, der zwischen dem ersten Leiter 108 und dem zweiten Leiter 110 fließt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Magneterfassungselement 112 ein Hall-Effekt-Erfassungselement.
  • In Betrieb liefert der Magnet 102 einen Magnetfluss, der fließt, wie über die Magnetfeldlinien 130 angezeigt ist. Der Magnetfluss fließt zwischen dem Nordpol N und dem Südpol S des Magneten 102. Der erste Teil-Wickelkern 114 und der zweite Teil-Wickelkern 118 empfangen einen Magnetfluss und leiten den Magnetfluss zwischen dem Nordpol N und dem Südpol S des Magneten 102. Ferner fließt ein Teil des Magnetflusses durch den ersten Teil-Wickelkern 114, den ersten Flansch 116 und den ersten Leiter 108 zwischen dem Nordpol N und dem Südpol S des Magneten 102, und ein Teil des Magnetflusses fließt durch den zweiten Teil-Wickelkern 118, den zweiten Flansch 120 und den zweiten Leiter 110 zwischen dem Nordpol N und dem Südpol S des Magneten 102. Wenn der Magnet 102 in einer zentrierten Nord/Süd-Position ist, fließt wenig oder kein Magnetfluss zwi schen dem ersten Leiter 108 und dem zweiten Leiter 110 über das Magneterfassungselement 112, derart, dass das Magneterfassungselement 112 wenig oder keinen Magnetfluss erfasst und eine Ausgabe liefert, die ein entsprechendes Maß einer Winkelverschiebung und/oder eines Drehmoments anzeigt.
  • 3 ist ein Diagramm, das ein Sensorsystem 100 mit einem Magnet 102 darstellt, der im Uhrzeigersinn in eine nichtzentrierte Nord/Süd-Position gedreht ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 102 mit einem ersten Bauglied gekoppelt und dreht sich ansprechend auf eine Bewegung des ersten Bauglieds, und der erste Konzentrator 104 und der zweite Konzentrator 106 sind mit einem zweiten Bauglied gekoppelt und drehen sich ansprechend auf eine Bewegung des zweiten Bauglieds. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 102 mit einer ersten Welle gekoppelt, und der erste Konzentrator 104 und der zweite Konzentrator 106 sind mit einer zweiten Welle gekoppelt, die mit der ersten Welle über einen Drehstab verbunden ist, wobei das System 100 ein Drehmoment zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle erfasst. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 102 mit einer ersten Welle über ein erstes Getrieberad gekoppelt, und der erste Konzentrator 104 und der zweite Konzentrator 106 sind mit einer zweiten Welle über ein zweites Getrieberad gekoppelt.
  • In Betrieb dreht sich der Magnet 102 relativ zu dem ersten Konzentrator 104 und dem zweiten Konzentrator 106 und der Magnet 102 liefert einen Magnetfluss, der durch das Magneterfassungselement 112 fließt, zwischen dem Nordpol N und dem Südpol S des Magneten 102. Der erste Teil-Wickelkern 114 und der zweite Teil-Wickelkern 118 empfangen einen Magnetfluss und leiten den Magnetfluss zwischen dem Nordpol N und dem Südpol S des Magneten 102. Ein Teil des Magnetflusses fließt durch den zweiten Teil-Wickelkern 118, den zweiten Flansch 120 und den zweiten Leiter 110 zu dem magnetischen Erfassungselement 112 und dem ersten Leiter 108, dem ersten Flansch 116 und dem ersten Teil-Wickelkern 114. Wenn der Magnet 102 in einer nichtzentrierten Nord/Süd-Position ist, fließt der Magnetfluss zwischen dem ersten Leiter 108 und dem zweiten Leiter 110 über das Magneterfassungselement 112. Das Magneterfassungselement 112 erfasst diesen Magnetfluss und liefert eine Ausgabe, die ein entsprechendes Maß einer Winkelverschiebung und/oder eines Drehmoments des Magneten 102 relativ zu dem ersten Konzentrator 104 und dem zweiten Konzentrator 106 anzeigt.
  • 4 ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Drehmoment- und Winkelsensorsystems 200 darstellt, das einen Einzelmagneten 202 verwendet. Das Sensorsystem 200 misst eine Winkelverschiebung und/oder ein Drehmoment, und den Drehwinkel des Magneten 202. Das Sensorsystem 200 umfasst einen Winkelsensor 204, der benachbart zu einem Ende des Magneten 202 positioniert ist. Der Winkelsensor 204 erfasst und misst den Drehwinkel des Magneten 202 relativ zu einem festen Punkt. Das Verwenden eines Einzelmagneten 202 reduziert Kosten und Komplexität im Vergleich zu der Verwendung von mehreren Magneten bei separaten Drehmoment- und Winkelmesssystemen. Bei einem Ausführungsbeispiel erfasst und misst das Sensorsystem 200 das Drehmoment zwischen zwei Baugliedern, wie z. B. zwei Drehwellen, und den Drehwinkel von einer der zwei Wellen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Winkelsensor 204 ein Magnetsensor, der Magnetflusskomponenten senkrecht zu einem Magneten 202 misst. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Winkelsensor 204 ein Magnetsensor, der auf einer Giant-Magnetoresistenz (GMR; giant magneto-resistance) basiert.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Sensorsystem 200 in einem Lenkhilfesystem verwendet. Das Sensorsystem 200 erfasst die Winkelverschiebung einer ersten Welle relativ zu einer zweiten Welle, die mit der ersten Welle über einen Drehstab verbunden ist. Das Sensorsystem 200 erfasst ferner den Drehwinkel der ersten Welle relativ zu einem Fixpunkt bzw. festen Punkt. Das Sensorsystem 200 liefert eine Ausgabe, die das Drehmoment anzeigt, das auf die erste Welle, den Drehstab und die zweite Welle ausgeübt wird, und eine Ausgabe, die den Drehwinkel der ersten Welle anzeigt. Bei einem Ausführungsbeispiel erfasst das Sensorsystem 200 den Drehwinkel der zweiten Welle.
  • Das Sensorsystem 200 umfasst einen Magneten 202, einen Winkelsensor 204, einen ersten Magnetflusskonzentrator 206 und einen zweiten Magnetflusskonzentrator 208, einen ersten Magnetflussleiter 210, einen zweiten Magnetflussleiter 212 und ein Magneterfassungselement 214.
  • Der erste Konzentrator 206 weist einen ersten Teil-Wickelkern 216 und einen ersten kreisförmigen Flansch 218 auf, der mit dem ersten Teil-Wickelkern 216 entlang zumindest einem Teil eines Randes des ersten Teil-Wickelkerns 216 verbunden ist. Der erste Konzentrator 206 ist aus einem magnetisch leitfähigen Material mit einer hohen Permeabilität hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Konzentrator 206 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Teil-Wickelkern 216 im Wesentlichen halbrund. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Teil-Wickelkern 216 mit einem ersten kreisförmigen Flansch 218 verbunden, durchgehend entlang dem gesamten Rand des ersten Teil-Wickelkerns 216.
  • Der zweite Konzentrator 208 weist einen zweiten Teil-Wickelkern 220 und einen zweiten kreisförmigen Flansch 222 auf, der mit dem zweiten Teil-Wickelkern 220 entlang zumindest einem Teil eines Randes des zweiten Teil-Wickelkerns 220 verbunden ist. Der zweite Konzentrator 208 ist aus einem magnetisch leitfähigem Material mit einer hohen Permeabilität hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Konzentrator 208 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Teil-Wickelkern 220 im Wesentlichen halbrund. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Teil-Wickelkern 220 mit dem zweiten kreisförmigen Flansch 222 durchgehend entlang dem gesamten Rand des zweiten Teil-Wickelkerns 220 verbunden.
  • Der erste Konzentrator 206 und der zweite Konzentrator 208 sind ausgerichtet, um eine zentrale Bohrung 224 zu bilden, wo der erste Teil-Wickelkern 216 und der zweite Teil-Wickelkern 220 bei 226 beabstandet sind und umfangsmäßig ausgerichtet sind, um die Bohrung 224 zu bilden.
  • Der Magnet 202 ist ein Dauermagnet, der in der Bohrung 224 positioniert ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 202 ein zylindrischer Magnet mit einer Achse, die mit der Achse der Bohrung 224 ausgerichtet ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 202 ein diametral magnetisierter, zylindrischer Magnet mit einer Achse, die mit der Achse der Bohrung 224 ausgerichtet ist, wobei der diametral magnetisierte, zylindrische Magnet senkrecht zu der Länge derart magnetisiert ist, dass der Nord- und Südpol auf den Seiten des Zylinders angeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 202 ein einpoliger Magnet.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 202 mit einem ersten Bauglied gekoppelt und dreht sich ansprechend auf eine Bewegung des ersten Bauglieds, und der erste Konzentrator 206 und der zweite Konzentrator 210 sind mit einem zweiten Bauglied gekoppelt und drehen sich ansprechend auf die Bewegung des zweiten Bauglieds. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 202 mit einer ersten Welle gekoppelt, und der erste Konzentrator 206 und der zweite Konzentrator 208 sind mit einer zweiten Welle gekoppelt, die mit der ersten Welle über einen Drehstab verbunden ist, wobei das System 200 ein Drehmoment zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle und den Drehwinkel der ersten Welle erfasst. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 202 mit einer ersten Welle über ein erstes Getrieberad verbunden, und ein erster Konzentrator 206 und ein zweiter Konzentrator 208 sind mit einer zweiten Welle über ein zweites Getrieberad gekoppelt.
  • Der erste Leiter 210 ist benachbart zu dem ersten, kreisförmigen Flansch 218 positioniert, und der zweite Leiter 212 ist benachbart zu dem zweiten, kreisförmigen Flansch 222 positioniert. Sowohl der erste als auch der zweite Leiter 210 und 212 sind aus einem magnetisch leitfähigen Material mit einer hohen Permeabilität hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Leiter 210 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Leiter 212 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt.
  • Das Magneterfassungselement 214 ist zwischen dem ersten Leiter 210 und dem zweiten Leiter 212 positioniert. Das Magneterfassungselement 214 erfasst und misst einen Magnetfluss, der zwischen dem ersten Leiter 210 und dem zweiten Leiter 212 fließt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Magneterfassungselement 214 ein Hall-Effekt-Erfassungselement.
  • In Betrieb dreht sich der Magnet 202 und liefert einen Magnetfluss, der durch den ersten Konzentrator 206 und den zweiten Konzentrator 208 fließt. Der Magnetfluss fließt durch den ersten Teil-Wickelkern 216 und den ersten kreisförmigen Flansch 218 und durch den zweiten Teil-Wickelkern 220 und den zweiten kreisförmigen Flansch 222. Ferner fließt ein Teil des Magnetflusses durch den ersten Leiter 210 und den zweiten Leiter 212 über einen ersten Konzentrator 206 und einen zweiten Konzentrator 208. Der Betrag des Magnetflusses, der zwischen dem ersten Leiter 210 und dem zweiten Leiter 212 fließt, ist eine Funktion der Bewegung und der Position des Magneten 202 relativ zu dem ersten Konzentrator 206 und dem zweiten Konzentrator 208. Ein Magneterfassungselement 214 erfasst und misst einen Magnetfluss, der zwischen dem ersten Leiter 210 und dem zweiten Leiter 212 fließt, um eine Winkelverschiebung und ein Drehmoment zu messen. Der Winkelsensor 204 erfasst einen Magnetfluss und misst den Drehwinkel des Magneten 202.
  • 5 ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Lenkhilfesystems 300 darstellt, das ein Sensorsystem 302 umfasst. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Sensorsystem 302 ähnlich zu dem Sensorsystem 20 aus 1. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Sensorsystem 302 ähnlich zu dem Drehmoment- und Winkelsensorsystem 200 aus 4.
  • Das Lenkhilfesystem 300 umfasst ein Sensorsystem 302, ein Lenkrad 304, eine erste Welle 306, einen Drehstab 308, eine zweite Welle 310, einen Lenkmechanismus 312 und Räder 314. Das Lenkrad 304 ist mit der ersten Welle 306 verbunden und konfiguriert, um sich im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn zu drehen. Die erste Welle 306 ist mit einem Ende des Drehstabs 308 verbunden und das andere Ende des Drehstabs 308 ist mit der zweiten Welle 310 verbunden. Die erste Welle 306, der Drehstab 308 und die zweite Welle 310 sind ferner konfiguriert, um sich im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn zu drehen. Die Räder 314 sind drehbar mit dem Lenkmechanismus 312 gekoppelt, der mit der zweiten Welle 310 derart gekoppelt ist, dass sich der Lenkmechanismus 312 rückwärts und vorwärts bewegt und sich die Räder 314 ansprechend auf das Drehen der zweiten Welle 310 drehen.
  • Das Sensorsystem 302 ist mit der ersten Welle 306 und der zweiten Welle 310 gekoppelt. Ein erstes Getrieberad 316 ist mit der ersten Welle 306 verbunden und ein zweites Getrieberad 318 ist mit der zweiten Welle 310 verbunden. Das Sensorsystem 302 ist mit der ersten Welle 306 über das erste Getrieberad 316 und mit der zweiten Welle 310 über das zweite Getrieberad 318 gekoppelt.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnet des Sensorsystems 302 mit der ersten Welle 306 über das erste Getrieberad 316 gekoppelt, und der erste Konzentrator und der zweite Konzentrator sind mit der zweiten Welle 310 über das zweite Getrieberad 318 gekoppelt. Wo die zweite Welle 310 mit der ersten Welle 306 über einen Drehstab 308 verbunden ist und das System 300 ein Drehmoment zwischen der ersten Welle 306 und der zweiten Welle 310 erfasst.
  • In Betrieb wird das Lenkrad 304 im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht, was die erste Welle 306 und das erste Getrieberad 316 dreht. Der Drehstab 308 besteht aus einem nachgiebigen Material, das sich derart dreht, dass die zweite Welle 310 und das zweite Getrieberad 318 sich anfänglich nicht drehen. Das Sensorsystem 302 erfasst die Drehung der ersten Welle 306 über das erste Getrieberad 316 und die Nichtdrehung der zweiten Welle 310 über das zweite Getrieberad 318, und misst das Drehmoment zwischen der ersten Welle 306 und der zweiten Welle 310. Das Sensorsystem 302 gibt den gemessenen Drehmomentwert aus und eine Leistungsunterstützung wird zu der zweiten Welle 310 und dem Lenkmechanismus 312 geliefert, um die Räder 314 basierend auf dem ausgegebenen Drehmomentwert zu drehen.
  • 6 ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel des Sensorsystems 302 darstellt, das mit der ersten Welle 306 und der zweiten Welle 310 gekoppelt ist. Das Sensorsystem 302 umfasst ein oberes Getrieberad 320 und ein unteres Getrieberad 322. Das obere Getrieberad 320 ist mit dem Magneten in dem Sensorsystem 302 verbunden. Das untere Getrieberad 322 ist mit dem ersten Konzentrator und dem zweiten Konzentrator in dem Sensorsystem 302 verbunden.
  • Die erste Welle 306 ist mit dem ersten Getrieberad 316 verbunden und die zweite Welle 310 ist mit dem zweiten Getrieberad 318 verbunden, wobei die erste Welle 306 mit einem Ende des Drehstabs 308 verbunden ist und die zweite Welle 310 mit dem anderen Ende des Drehstabs 308 verbunden ist. Der Magnet in dem Sensorsystem 302 ist mit der ersten Welle 306 über das erste Getrieberad 316 und das obere Getrieberad 320 verbunden, wobei das erste Getrieberad 316 sich mit dem oberen Getrieberad 320 verzahnt. Der erste Konzentrator und der zweite Konzentrator in dem Sensorsystem 302 sind mit der zweiten Welle 310 über das erste Getrieberad 318 und das untere Getrieberad 322 gekoppelt, wobei das zweite Getrieberad 318 sich mit dem unteren Getrieberad 322 verzahnt.
  • Die Getriebeübersetzung des oberen Getrieberads 320 zu dem ersten Getrieberad 316 und die Getriebeübersetzung des unteren Getrieberads 322 zu dem zweiten Getrieberad 318 ist ausgewählt, um die Empfindlichkeit des Sensorsystems 302 im Hinblick auf Änderungen bei der Position des Lenkrads 304 zu erhöhen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Getriebeübersetzung des oberen Getrieberads 320 zu dem ersten Getrieberad 316 4 zu 1, derart, dass eine Drehung des ersten Getrieberads 316 eine Drehung erzeugt, die viermal größer bei dem oberen Getrieberad 320 und dem Magneten ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Getriebeübersetzung des unteren Getrieberads 322 zu dem zweiten Getrieberad 318 4 zu 1, derart, dass die Drehung des zweiten Getrieberads 318 eine Drehung erzeugt, die viermal größer bei dem unteren Getrieberad 322 und dem ersten und dem zweiten Konzentrator ist.
  • In Betrieb wird das Lenkrad 304 im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht, was die erste Welle 306 und das erste Getrieberad 316 dreht. Das erste Getrieberad 316 verzahnt sich mit dem oberen Getrieberad 320, um das obere Getrieberad 320 und den Magneten dem Sensorsystem 302 zu drehen. Das zweite Getrieberad 318 dreht sich, wenn sich das zweite Getrieberad 310 dreht, wobei das zweite Getrieberad 318 sich mit dem unteren Getrieberad 322 verzahnt, um das untere Getrieberad 322 und den ersten und den zweiten Konzentrator in dem Sensorsystem 302 zu drehen. Das Sensorsystem 302 erfasst und misst die Winkelverschiebung und/oder das Drehmoment zwischen der ersten Welle 306 und der zweiten Welle 310. Bei einem Ausführungsbeispiel erfasst und misst das Sensorsystem 302 den Drehwinkel der ersten Welle 306.
  • 7 ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Teils des Sensorsystems 302 darstellt, was oberes Getrieberad 320 und unteres Getrieberad 322 umfasst. Das Sensorsystem 302 umfasst ein oberes Getrieberad 320, ein unteres Getrieberad 322, einen Magnet 340, einen ersten Magnetflusskonzentrator 342 und einen zweiten Magnetflusskonzentrator 344, und einen Abstandhalter 346. Ein Ende des Magneten 340 ist mit dem oberen Getrieberad 320 derart verbunden, dass sich der Magnet 340 dreht, wenn sich das obere Getrieberad 320 dreht. Der Magnet 340 passt in den Abstandhalter 346 derart, dass sich der Magnet 340 reibungslos innerhalb des Abstandhalters 346 dreht, der aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 340 ein einpoliger Magnet. Bei anderen Ausführungsbeispielen umfasst das Sensorsystem 302 keinen Abstandhalter 346 und Luft ist in dem Raum, der zwischen dem Magneten 340 und dem ersten und dem zweiten Magnetflusskonzentrator 342 und 344 beibehalten wird.
  • Der erste Konzentrator 342 weist einen ersten Teil-Wickelkern 348 und einen ersten kreisförmigen Flansch 350 auf, der mit dem ersten Teil-Wickelkern 348 entlang von zumindest einem Teil eines Randes des ersten Teil-Wickelkerns 348 verbunden ist. Der zweite Konzentrator 344 weist einen zweiten Teil-Wickelkern 352 und einen zweiten kreisförmigen Flansch 354 auf, der mit dem zweiten Teil-Wickelkern 352 entlang von zumindest einem Teil eines Randes des zweiten Teil-Wickelkerns 352 verbunden ist. Der erste Konzentrator 342 und der zweite Konzentrator 344 sind ausgerichtet, um eine zentrale Bohrung zu bilden, wo der Abstandhalter 346 in der mittleren Bohrung positioniert ist. Der erste Teil-Wickelkern 348 und der zweite Teil-Wickelkern 352 sind beabstandet und an der Außenseite des Abstandhalters 346 positioniert und in das untere Getrieberad 346 eingepasst. Der erste Konzentrator 342 und der zweite Konzentrator 344 sind angemessen in das untere Getrieberad 322 eingepasst, derart, dass sowohl der erste Konzentrator 342 als auch der zweite Konzentrator 344 sich drehen, wenn sich das untere Getrieberad 322 dreht.
  • 8 ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Drehmoment- und Winkelsensorsystems 400 mit Redundanz darstellt. Das Sensorsystem 400 umfasst einen ersten Magneten 402, einen zweiten Magneten 404, einen ersten Winkelsensor 406 und einen zweiten Winkelsensor 408. Der erste Winkelsensor 406 ist benachbart zu einem Ende des ersten Magneten 402 positioniert, um den Drehwinkel des ersten Magneten 402 zu messen, und der zweite Winkelsensor 408 ist benachbart zu dem zweiten Magneten 404 positioniert, um den Drehwinkel des zweiten Magneten 404 zu messen. Dies liefert zwei Winkelmessungen. Ferner weist das Sensorsystem 400 einen Drehmomentsensor auf, ähnlich zu dem Sensorsystem 20 aus 1 und dem Sensorsystem 200 aus 4, und die Differenz zwischen den Winkeln, gemessen durch den ersten Winkelsensor 406 und den zweiten Winkelsensor 408, kann als ein zweites Maß einer Winkelverschiebung und/oder eines Drehmoments verwendet werden.
  • Das Sensorsystem 400 umfasst eine obere Platte 410, ein oberes Getrieberad 412 und eine Befestigungsplatte 414. Das obere Getrieberad 412 ist drehbar mit einer oberen Platte 410 verbunden und mit dem ersten Magneten 402 derart verbunden, dass das Drehen des oberen Getrieberads 412 den ersten Magneten 402 dreht. Das obere Getrieberad 412 dreht sich zwischen der oberen Platte 410 und der Befestigungsplatte 414 und der erste Magnet 402 ist durch ein Loch bei 416 in die Befestigungsplatte 414 eingefügt. Bei einem Ausführungsbeispiel sind das obere Getrieberad 412 und der erste Magnet 402 mechanisch mit einer Welle gekoppelt, wie z. B. der ersten Welle 306 des Lenkhilfesystems 300, über ein erstes Getrieberad 316.
  • Das Sensorsystem 400 umfasst einen ersten Magnetflusskonzentrator 418, einen zweiten Magnetflusskonzentrator 420, ein unteres Getrieberad 422 und eine Basisplatte 424. Der erste Konzentrator 418 weist einen ersten Teil-Wickelkern 426 auf, der mit einem ersten kreisförmigen Flansch 428 entlang von zumindest einem Teil eines Randes des ersten Teil-Wickelkerns 426 verbunden ist. Der zweite Konzentrator 420 weist einen zweiten Teil-Wickelkern 430 auf, der mit dem zweiten kreisförmigen Flansch 432 entlang von zumindest einem Teil eines Randes des zweiten Teil-Wickelkerns 430 verbunden ist. Der erste Konzentrator 418 und der zweite Konzentrator 420 sind ausgerichtet, um eine zentrale Bohrung zu bilden, wo der erste Teil-Wickelkern 426 und der zweite Teil-Wickelkern 430 bei 434 beabstandet sind und im Hinblick auf den Umfang ausgerichtet sind, um die Bohrung zu bilden.
  • Der erste Konzentrator 418 ist aus einem magnetisch leitfähigen Material mit einer hohen Permeabilität hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Konzentrator 418 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Teil-Wickelkern 426 im Wesentlichen halbrund. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Teil-Wickelkern 426 mit dem ersten kreisförmigen Flansch 428 durchgehend entlang dem gesamten Rand des ersten Teil-Wickelkerns 426 verbunden.
  • Der zweite Konzentrator 420 ist aus einem magnetisch leitfähigem Material mit einer hohen Permeabilität hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Konzentrator 420 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Teil-Wickelkern 430 im Wesentlichen halbrund. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Teil-Wickelkern 430 mit dem zweiten kreisförmigen Flansch 432 durchgehend entlang dem gesamten Rand des zweiten Teil-Wickelkerns 430 verbunden.
  • Der erste Magnet 402 ist innerhalb der Bohrung positioniert. Der Magnet 402 ist ein zylindrischer Magnet mit einer Achse, die mit der Achse der Bohrung ausgerichtet ist. Der erste Magnet 402 und das obere Getrieberad 412 drehen sich um die Achse, und das untere Getrieberad 422 dreht sich um dieselbe Achse. Der erste Magnet 402 ist ein diametral magnetisierter, zylindrischer Magnet, wobei der diametral magnetisierte, zylindrische Magnet senkrecht zu der Länge derart magnetisiert ist, dass der Nord- und Südpol auf gegenüberliegenden Seiten des Zylinders angeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Magnet 402 ein einpoliger Magnet. Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Abstandhalter innerhalb der Bohrung und zwischen dem ersten Magneten 402 und dem ersten Konzentrator 418 und dem zweiten Konzentrator 420 positioniert.
  • Das untere Getrieberad 422 ist drehbar mit der Basisplatte 424 verbunden und mit dem ersten Konzentrator 418 und dem zweiten Konzentrator 420 derart verbunden, dass ein Drehen des unteren Getrieberads 422 den ersten Konzentrator 418 und den zweiten Konzentrator 420 dreht. Das untere Getrieberad 422 dreht sich zwischen der Befestigungsplatte 414 und der Basisplatte 424 um die Achse der Bohrung, und der erste Konzentrator 418 und der zweite Konzentrator 420 drehen sich um den ersten Magneten 402. Bei einem Ausführungsbeispiel sind das untere Getrieberad 412 und der erste Konzentrator 418 und der zweite Konzentrator 420 mechanisch mit einer Welle gekoppelt, wie z. B. der zweiten Welle 310 des Lenkhilfesystems 300, über das zweite Getrieberad 318.
  • Das Sensorsystem 400 umfasst einen ersten Magnetflussleiter 436, einen zweiten Magnetflussleiter 438 und ein Magneterfassungselement 440. Der erste Leiter 436 ist benachbart zu dem ersten, kreisförmigen Flansch 428 positioniert. Der zweite Leiter 438 ist benachbart zu dem zweiten, kreisförmigen Flansch 432 positioniert. Sowohl der erste als auch der zweite Leiter 436 und 438 sind aus einem magnetisch leitfähigen Material mit einer hohen Permeabilität hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Leiter 436 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Leiter 438 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt.
  • Das Magneterfassungselement 440 ist zwischen dem ersten Leiter 436 und dem zweiten Leiter 438 positioniert. Das Magneterfassungselement 440 erfasst und misst einen Magnetfluss, der zwischen dem ersten Leiter 436 und dem zweiten Leiter 438 fließt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Magneterfassungselement 440 ein Hall-Effekt-Erfassungselement.
  • Das Sensorsystem 400 umfasst eine Schaltungsplatine 442. Der erste Winkelsensor 406 ist benachbart zu einem Ende des ersten Magneten 402 auf der Schaltungsplatine 442 positioniert, die auf der Basisplatte 424 positioniert ist. Der erste Winkelsensor 406 erfasst und misst den Drehwinkel des ersten Magneten 402.
  • Das Sensorsystem 400 umfasst ein zweites, unteres Getrieberad 444, das drehbar mit der Basisplatte 424 verbunden ist und mit dem zweiten Magneten 404 derart verbunden ist, dass das Drehen des zweiten, unteren Getrieberads 444 den zweiten Magneten 404 dreht. Der zweite Magnet 404 ist ein zylindrischer, diametral magnetisierter Magnet mit einer Achse entlang der Länge des Zylinders. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Magnet 404 ein einpoliger Magnet.
  • Das zweite, untere Getrieberad 444 dreht sich zwischen der Befestigungsplatte 414 und der Basisplatte 424 um die Achse des zweiten Magneten 404. Der zweite Winkelsensor 408 ist benachbart zu einem Ende des zweiten Magneten 404 auf der Schaltungsplatine 442 positioniert, die auf der Basisplatte 424 positioniert ist. Der zweite Winkelsensor 408 erfasst und misst den Drehwinkel des zweiten Magneten 404. Bei einem Ausführungsbeispiel sind das zweite, untere Getrieberad 444 und der zweite Magnet 404 mechanisch mit einer Welle gekoppelt, wie z. B. der zweiten Welle 310 des Lenkhilfesystems 300, über ein zweites Getrieberad 318.
  • In Betrieb dreht sich der erste Magnet 402 und liefert einen Magnetfluss, der durch den ersten Konzentrator 418 und den zweiten Konzentrator 420 fließt. Der Magnetfluss fließt durch den ersten Teil-Wickelkern 426 und den ersten, kreisförmigen Flansch 428 und durch den zweiten Teil-Wickelkern 430 und den zweiten, kreisförmigen Flansch 432. Ferner fließt ein Teil des Magnetflusses durch den ersten Leiter 436 und den zweiten Leiter 438 über den ersten Konzentrator 418 und den zweiten Konzentrator 420. Der Betrag des Magnetflusses, der zwischen dem ersten Leiter 436 und dem zweiten Leiter 438 fließt, ist eine Funktion der Bewegung und der Position des ersten Magneten 402 relativ zu dem ersten Konzentrator 418 und dem zweiten Konzentrator 420. Das Magneterfassungselement 440 erfasst und misst einen Magnetfluss, der zwischen dem ersten Leiter 436 und dem zweiten Leiter 438 fließt, um eine Winkelverschiebung und ein Drehmoment zu messen. Der erste Winkelsensor 406 erfasst einen Magnetfluss und misst den Drehwinkel, des ersten Magneten 402. Der zweite Winkelsensor 408 erfasst einen Magnetfluss und misst den Drehwinkel des zweiten Magneten 404.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel sind das obere Getrieberad 412 und der erste Magnet 402 mechanisch mit der ersten Welle 306 des Lenkhilfesystems 300 über das erste Getrieberad 316 gekoppelt, und das untere Getrieberad 422 und der erste Konzentrator 418 und der zweite Konzentrator 420 sind mechanisch mit der zweiten Welle 310 des Lenkhilfesystems 300 über das zweite Getrieberad 318 gekoppelt. Ferner sind das zweite, untere Getrieberad 444 und der zweite Magnet 404 mechanisch mit der zweiten Welle 310 des Lenkhilfesystems 300 über das zweite Getrieberad 318 gekoppelt. Das Sensorsystem 400 erfasst und misst das Drehmoment zwischen der ersten Welle 306 und der zweiten Welle 310 über den ersten Magneten 402. Ferner erfasst und misst der erste Winkelsensor 406 den Drehwinkel des ersten Magneten 402 und der ersten Welle 306, und der zweite Winkelsensor 408 erfasst und misst den Drehwinkel des zweiten Magneten 404 und der zweiten Welle 310. Dies liefert zwei Winkelmessungen, wobei die Differenz zwischen den Winkeln, die durch den ersten Winkelsensor 406 und den zweiten Winkelsensor 408 gemessen werden, als ein zweites Maß eines Drehmoments zwischen der ersten Welle 306 und der zweiten Welle 310 verwendet werden kann. Ferner, wenn das untere Getrieberad 422 und das zweite, untere Getrieberad 444 unterschiedliche Größen haben, kann der absolute Winkel über mehr als 360 Grad gemessen werden. Somit liefert das Sensorsystem 400 eine Redundanz mit zwei Winkelmessungen und zwei Drehmomentmessungen.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der verschiedenen, exemplarischen Ausführungsbeispiele, die hierin beschrieben sind, miteinander kombiniert werden können, außer dies ist spezifisch anderweitig angegeben.
  • Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hierin dargestellt und beschrieben wurden, werden Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder entsprechenden Implementierungen für die spezifischen Ausführungsbeispiele eingesetzt werden kann, die gezeigt und beschrieben wurden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Abweichungen der spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken, die hierin offenbart sind. Daher ist es beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Entsprechungen eingeschränkt ist.

Claims (25)

  1. System (20), das folgende Merkmale aufweist: einen ersten Konzentrator (24) mit einem ersten Teil-Wickelkern (34); einen zweiten Konzentrator (26) mit einem zweiten Teil-Wickelkern (38), der mit dem ersten Teil-Wickelkern ausgerichtet ist, um eine Bohrung zu bilden (42); und einen Magneten (22), der in der Bohrung (42) positioniert ist, wobei der erste Konzentrator (24) und der zweite Konzentrator (26) einen Magnetfluss von dem Magneten leiten, um eine Bewegung des Magneten (22) relativ zu dem ersten Konzentrator und dem zweiten Konzentrator zu erfassen.
  2. System (20) gemäß Anspruch 1, das folgende Merkmale aufweist: einen ersten Leiter (28), der konfiguriert ist, um einen Magnetfluss über den ersten Konzentrator zu empfangen; einen zweiten Leiter (30), der konfiguriert ist, um einen Magnetfluss über den zweiten Konzentrator zu empfangen; und ein Magneterfassungselement (32), das zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter positioniert ist.
  3. System (20) gemäß Anspruch 2, bei dem das Magneterfassungselement (32) ein Hall-Effekt-Erfassungselement umfasst.
  4. System (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der erste Teil-Wickelkern (34) und der zweite Teil-Wickelkern (36) im Hinblick auf den Umfang ausgerichtet sind, um die Bohrung zu bilden.
  5. System (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Magnet (22) ein zylindrischer Magnet ist und die Achse des zylindrischen Magneten mit der Achse der Bohrung ausgerichtet ist.
  6. System (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Magnet ein diametral magnetisierter, zylindrischer Magnet ist und die Achse des diametral magnetisierten, zylindrischen Magneten mit der Achse der Bohrung ausgerichtet ist.
  7. System (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Magnet mit einer ersten Welle gekoppelt ist und der erste Konzentrator und der zweite Konzentrator mit einer zweiten Welle gekoppelt sind.
  8. System (20) gemäß Anspruch 7, bei dem die zweite Welle mit der ersten Welle über einen Drehstab verbunden ist und das System ein Drehmoment zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle erfasst.
  9. System (20) gemäß Anspruch 7 oder 8, bei dem der Magnet mit der ersten Welle über ein erstes Getrieberad gekoppelt und der erste Konzentrator und der zweite Konzentrator mit der zweiten Welle über ein zweites Getrieberad gekoppelt sind.
  10. System (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, das ferner folgendes Merkmal aufweist: einen Winkelsensor, der benachbart zu dem Magneten positioniert ist, um den Drehwinkel des Magneten zu messen.
  11. System (100), das folgende Merkmale aufweist: einen ersten Konzentrator (104) mit einem ersten Teil-Wickelkern (114); einen zweiten Konzentrator (106) mit einem zweiten Teil-Wickelkern (118), der mit dem ersten Teil-Wickelkern ausgerichtet ist, um eine Bohrung (122) zu bilden; einen ersten Magneten (102), der in der Bohrung positioniert ist; einen ersten Leiter (108), der konfiguriert ist, um einen Magnetfluss von dem ersten Magneten über den ersten Konzentrator zu empfangen; einen zweiten Leiter (110), der konfiguriert ist, um einen Magnetfluss von dem ersten Magneten über den zweiten Konzentrator zu empfangen; ein Magneterfassungselement (112), das zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter positioniert ist, um ein Drehmoment zu messen; und einen ersten Winkelsensor (204), der benachbart zu dem ersten Magneten positioniert ist, um eine Drehung des ersten Magneten zu messen.
  12. System gemäß Anspruch 11, das ferner folgende Merkmale aufweist: einen Drehstab (308); eine erste Welle (306); und eine zweite Welle (310), die mit der ersten Welle über den Drehstab verbunden ist, wobei der erste Magnet mit der ersten Welle gekoppelt ist und der erste Konzentrator und der zweite Konzentrator mit der zweiten Welle gekoppelt sind, und das System ein Drehmoment zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle erfasst.
  13. System gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem der erste Magnet ein zylindrischer Magnet ist und die Achse des zylindrischen Magneten mit der Achse der Bohrung ausgerichtet ist.
  14. System gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, das ferner folgende Merkmale aufweist: einen zweiten Magneten, der mechanisch mit dem ersten Konzentrator und dem zweiten Konzentrator gekoppelt ist; und einen zweiten Winkelsensor, der benachbart zu dem zweiten Magneten positioniert ist, um einen Drehwinkel des zweiten Magneten zu messen.
  15. System (400), das folgende Merkmale aufweist: einen ersten Magneten (402), der mit einer ersten Welle gekoppelt ist; einen zweiten Magneten (404), der mit einer zweiten Welle gekoppelt ist; einen ersten Winkelsensor (406), der benachbart zu dem ersten Magneten positioniert ist, um einen ersten Drehwinkel des ersten Magneten zu erfassen; und einen zweiten Winkelsensor (408), der benachbart zu dem zweiten Magneten positioniert ist, um einen zweiten Drehwinkel des zweiten Magneten zu erfassen, wobei ein Drehmoment zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle erhalten wird über die Differenz zwischen dem ersten Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel.
  16. Verfahren zum Erfassen einer Bewegung, das folgende Schritte aufweist: Ausrichten eines ersten Teil-Wickelkerns und eines zweiten Teil-Wickelkerns, um eine Bohrung zu bilden; Positionieren eines Magneten in der Bohrung; Konzentrieren eines Magnetflusses von dem Magneten über den ersten Teil-Wickelkern; Konzentrieren eines Magnetflusses von dem Magneten über den zweiten Teil-Wickelkern; und Leiten des Magnetflusses, um eine Bewegung des Magneten relativ zu dem ersten Teil-Wickelkern und dem zweiten Teil-Wickelkern zu erfassen.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16, das ferner folgenden Schritt aufweist: Erfassen eines Magnetflusses über ein Magneterfassungselement, um die Bewegung des Magneten relativ zu dem ersten Teil-Wickelkern und dem zweiten Teil-Wickelkern zu erfassen.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, bei dem das Ausrichten eines ersten Teil-Wickelkerns und eines zweiten Teil-Wickelkerns ferner folgenden Schritt aufweist: Ausrichten des ersten Teil-Wickelkerns und des zweiten Teil-Wickelkerns im Hinblick auf den Umfang, um die Bohrung zu bilden.
  19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem das Positionieren eines Magneten in der Bohrung ferner folgenden Schritt aufweist: Ausrichten einer Achse des Magneten, der ein diametral magnetisierter, zylindrischer Magnet ist, mit der Achse der Bohrung.
  20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, das ferner folgende Schritte aufweist: Koppeln des Magneten mit einer ersten Welle; Koppeln des ersten Teil-Wickelkerns und des zweiten Teil-Wickelkerns mit einer zweiten Welle, die mit der ersten Welle über einen Drehstab verbunden ist; und Erfassen eines Drehmoments zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle.
  21. Verfahren gemäß Anspruch 20, bei dem: das Koppeln des Magneten mit einer ersten Welle das Koppeln des Magneten mit der ersten Welle über ein erstes Getrieberad aufweist; und das Koppeln des ersten Teil-Wickelkerns und des zweiten Teil-Wickelkerns mit einer zweiten Welle das Koppeln des ersten Teil-Wickelkerns und des zweiten Teil-Wickelkerns mit der zweiten Welle über ein zweites Getrieberad aufweist.
  22. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 21, das folgende Schritte aufweist: Positionieren eines Winkelsensors benachbart zu dem Magneten; und Messen eines Drehwinkels des Magneten über den Winkelsensor.
  23. Verfahren zum Erfassen einer Bewegung, das folgende Schritte aufweist: Ausrichten eines ersten Teil-Wickelkerns und eines zweiten Teil-Wickelkerns, um eine Bohrung zu bilden; Positionieren eines ersten Magneten in der Bohrung; Empfangen eines Magnetflusses an einem ersten Leiter über den ersten Teil-Wickelkern; Empfangen eines Magnetflusses an einem zweiten Leiter über den zweiten Teil-Wickelkern; Erfassen eines Magnetflusses über ein Magneterfassungselement, das zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter positioniert ist; Positionieren eines ersten Winkelsensors benachbart zu dem ersten Magneten; und Messen des Drehwinkels des ersten Magneten über den ersten Winkelsensor.
  24. Verfahren gemäß Anspruch 23, bei dem das Positionieren eines ersten Magneten in der Bohrung folgenden Schritt aufweist: Ausrichten einer Achse des ersten Magneten, der ein diametral magnetisierter, zylindrischer Magnet ist, mit der Achse der Bohrung.
  25. Verfahren gemäß Anspruch 23 oder 24, das folgende Schritte aufweist: Positionieren des zweiten Winkelsensors benachbart zu einem zweiten Magneten, der mechanisch mit dem ersten Teil-Wickelkern und dem zweiten Teil-Wickelkern gekoppelt ist; und Messen eines Drehwinkels des zweiten Magneten über den zweiten Winkelsensor.
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