DE102012223391B4

DE102012223391B4 - Verfahren zum optimieren eines magnetischen linearen Positionssensors

Info

Publication number: DE102012223391B4
Application number: DE102012223391.1A
Authority: DE
Inventors: Xinyu Zhou; Qiang Niu; Kurt James Johnston; Christopher G. Benson; Daniel J. Smith; Eric Thomas Carlson; Moussa Ndiaye
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2022-05-05
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: DE102012223391A1; CN103175548B; CN103175548A; US20130154622A1; US8878522B2

Abstract

Verfahren (100) zum Optimieren eines magnetischen linearen Positionssensors (10), wobei das Verfahren (100) umfasst, dass:Anfangswerte für eine Reihe mit einer Anzahl N Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) eingestellt werden (102), wobei die Anfangswerte eine Länge (Li), Breite (Wi), Höhe (hi) und Position jedes der N Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) umfassen und die Anzahl N Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) entlang einer Linie (11) verteilt sind, um eine Magnetfeldstafette entlang der Linie (11) auszubilden, wobei die Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) einen ersten Satz N1 Magnete (12, 14, 16) und einen zweiten Satz N2 Magnete (18, 20, 22) enthält, wobei N = N1 + N2, wobei der erste Satz N1 Magnete (12, 14, 16) an einer Seite eines Mittelpunkts der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) positioniert ist und der zweite Satz N2 Magnete (18, 22, 22) an der anderen Seite des Mittelpunkts der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) positioniert ist;das Verhalten des magnetischen linearen Positionssensors (10) simuliert wird (104), wobei die Simulation einen Magnetfeldsensor (30) einschließt, der von der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) beabstandet und darüber positioniert ist und sich über der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) hin- und her bewegt, um das Magnetfeld der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) zu erfassen, und wobei das Verhalten des magnetischen linearen Positionssensors (10) einen Erfassungsbereich, eine Linearität der Magnete, eine Größe jedes Magnets (12, 14, 16, 18, 20, 22) und einen Sensorsignalbereich umfasst;Ergebnisse der Simulation des Verhaltens des magnetischen linearen Positionssensors (10) mit Sensorkonstruktionsvorgaben (110) verglichen werden (108), was umfasst, dass festgestellt wird, ob der Erfassungsbereich des Sensors einen Minimalbereich (L) überschreitet, ob die Linearität geringer als ein maximal zulässiger Wert (K) ist, ob der Sensorsignalbereich größer als ein Minimum (B0) und kleiner als ein Maximum (B1) ist und die Größe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) eine maximale Größe nicht überschreitet;eine optimale Konfiguration der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) festgelegt wird (116), wenn die Simulationsergebnisse die Sensorkonstruktionsvorgaben (110) erfüllen; unddie Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) optimiert wird, indem ein neuer Satz von Werten für die Länge (Li), Breite (Wi), Höhe (hi) und Position für jeden Magnet (12, 14, 16, 18, 20, 22) vorgeschlagen wird (112) und diese Werte als neue Anfangswerte für die Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) verwendet werden (114).

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft magnetische Sensoren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung magnetische lineare Positionssensoren.
HINTERGRUND
Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit und können den Stand der Technik bilden oder auch nicht.
Viele Arten von Sensoren werden häufig in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Zum Beispiel werden bei vielen Kraftfahrzeuggetrieben Kupplungspositionssensoren verwendet, um die Kupplungsposition zu bestimmen, indem das Gaußfeld eines Kolbenmagnets gelesen wird. Ferner liest ein Gabelpositionssensor das Gaußfeld, das von einem Gabelmagnet ausgestrahlt wird, um den Schaltzustand der Kupplung zu bestimmen. Die dem Gabelpositionssensor zugeordneten Magnete stören jedoch typischerweise die Signale, die von dem Kupplungspositionssensor erfasst werden. Um diese Störung zu verringern, wurden Abschirmungen für den Gabelmagnet eingesetzt, aber es hat sich gezeigt, dass diese Abschirmungen nicht sehr effektiv sind. Bei anderen Anordnungen wurde die Größe der Magnete für den Kupplungspositionssensor erhöht, oder die Distanz zwischen dem Gabelmagnet und dem Kupplungspositionssensormagnet wurde erhöht.
Diese Anordnungen jedoch bringen erhebliche Probleme bei der Neukonstruktion und Verpackung mit sich.
Folglich besteht in der Technik ein Bedarf für einen optimierten magnetischen linearen Positionssensor mit minimaler magnetischer Masse, der minimale magnetische Störungen für das umgebende Umfeld erzeugt.
Die Druckschrift US 2008 / 0 294 344 A1 offenbart einen Winkelpositionssensor, der in einer Ausführungsform eine Reihe mit einer Anzahl N Magnete aufweist, die entlang eines Kreissegments verteilt sind, um eine Magnetfeldstafette entlang des Kreissegments auszubilden. Die Reihe der Magnete enthält einen ersten Satz N1 Magnete und einen zweiten Satz N2 Magnete, wobei N = N1 + N2 und der erste Satz Magnete an einer Seite eines Mittelpunkts der Reihe der Magnete positioniert ist und der zweite Satz Magnete an der anderen Seite des Mittelpunkts der Reihe der Magnete positioniert ist. Die Größe der Magnete nimmt von den Seiten der Reihe der Magnete zum Mittelpunkt der Reihe der Magnete hin ab. Ein Magnetfeldsensor ist von der Reihe der Magnete beabstandet und darüber positioniert und bewegt sich über der Reihe der Magnete hin und her, um das Magnetfeld der Reihe der Magnete zu erfassen.
In der Druckschrift DE 10 2009 037 500 A1 ist eine Vorrichtung zum Bestimmen von Zuständen eines Getriebes offenbart, die einen Magnetfeldsensor und einen Permanentmagnet zur Positionserfassung von Getriebebauteilen aufweist. Zur Vermeidung von Verschmutzungen an der Vorrichtung ist eine bestromte Spule oder ein zusätzlicher Magnet vorgesehen, um magnetische Partikel von dem Sensor und dem Permanentmagnet fernzuhalten.
Die Druckschrift DE 43 16 520 A1 offenbart einen abschirmbaren magnetischen Stellungssensor, der in einer Ausführungsform zwei einander gegenüberliegende Reihen mit je N Magneten mit unterschiedlichem gestaffeltem Volumen sowie ein abgeschirmtes Sensorelement umfasst. Bei einer Bewegung eines Trägerelements, an dem die Magnete angebracht sind, in Richtung des Sensorelements wird das Sensorelement zunächst durch die größten Magnete und dann durch zunehmend kleinere Magnete beeinflusst.
In der Druckschrift DE 100 10 042 A1 ist ein linearer Wegsensor für Kraftfahrzeuge offenbart, der ein verschiebbares Element mit einem magnetischen Encoder und einen Stator mit Sensormodulen umfasst, wobei das verschiebbare Element sowohl als Betätigungsvorrichtung als auch als Messvorrichtung genutzt wird. Bei einer Bewegung des verschiebbaren Elements erfassen die Sensormodule das sich verändernde Magnetfeld, woraus die Position des verschiebbaren Elements bestimmt werden kann.
Die Druckschrift US 2008 / 0 030 188 A1 offenbart einen Positionssensor, bei dem ein Magnet und ein Sensor benachbart zueinander mit einem Abstand voneinander angeordnet sind. Wenn zwischen den Sensor und den Magnet ein magnetfeldveränderndes Element geschoben wird, verändert sich der Magnetfluss zwischen Magnet und Sensor. Diese Veränderung wird erfasst und zur Positionsbestimmung verwendet.
In der Druckschrift DE 10 2006 011 207 A1 ist ein magnetischer linearer Positionssensor offenbart, der eine entlang einer Linie verteilte Reihe von Magneten aufweist, wobei die Größe der Magnete von der Seite der Reihe der Magnete zum Mittelpunkt der Reihe hin abnimmt. Ein Magnetfeldsensor ist von der Reihe der Magnete beabstandet und darüber positioniert, um die von den Magneten erzeugten Magnetfelder zu erfassen und daraus die Position des Magnetfeldsensors zu bestimmen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zum Optimieren eines magnetischen linearen Positionssensors umfasst, dass Anfangswerte für eine Reihe mit einer Anzahl N Magnete eingestellt werden, wobei die Anfangswerte eine Länge, Breite, Höhe und Position jedes der N Magnete umfassen. Die Anzahl N Magnete ist entlang einer Linie verteilt, um eine Magnetfeldstafette entlang der Linie auszubilden, und die Reihe der Magnete enthält einen ersten Satz aus N1 Magneten und einen zweiten Satz aus N2 Magneten, wobei N = N1 + N2. Der erste Satz N1 Magnete ist an einer Seite eines Mittelpunkts der Reihe der Magnete positioniert und der zweite Satz N2 Magnete ist an der anderen Seite des Mittelpunkts der Reihe der Magnete positioniert. Das Verfahren umfasst, dass das Verhalten des magnetischen linearen Positionssensors unter Verwendung eines Magnetfeldsensors simuliert wird, der von der Reihe der Magnete beabstandet ist und darüber positioniert ist und sich über der Reihe der Magnete hin und her bewegt, um das Magnetfeld der Reihe der Magnete zu erfassen. Das Verhalten des magnetischen linearen Positionssensors umfasst einen Erfassungsbereich, eine Linearität der Magnete, eine Größe jedes Magnets und einen Sensorsignalbereich. Ergebnisse der Simulation des Verhaltens des magnetischen linearen Positionssensors werden mit Sensorkonstruktionsvorgaben verglichen, wobei festgestellt wird, ob der Erfassungsbereich des Sensors einen Minimalbereich überschreitet, ob die Linearität geringer als ein maximal zulässiger Wert ist, ob der Sensorsignalbereich größer als ein Minimum und kleiner als ein Maximum ist und die Größe der Magnete eine maximale Größe nicht überschreitet. Wenn die Simulationsergebnisse die Sensorkonstruktionsvorgaben erfüllen, wird eine optimale Konfiguration der Reihe der Magnete festgelegt und die Reihe der Magnete wird optimiert, indem ein neuer Satz von Werten für die Länge, Breite, Höhe und Position für jeden Magnet vorgeschlagen wird und diese Werte als neue Anfangswerte für die Reihe der Magnete verwendet werden.
Verschiedene Ausführungsformen des magnetischen linearen Positionssensors können einen oder mehrere der folgenden Vorteile enthalten. Die Optimierung des Sensors kann die magnetische Masse minimieren. Der Sensor erzeugt minimale magnetische Störungen für das umgebende Umfeld. Das Verhalten des Sensors weist eine sehr hohe Linearität und eine sehr große Erfassungsdistanz auf.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsgebiete ergeben sich aus der hier bereitgestellten Beschreibung. Es versteht sich, dass die Beschreibung und spezielle Beispiele nur zur Darstellung gedacht sind und den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken. Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, da der Schwerpunkt stattdessen auf die Darstellung der Prinzipien der Erfindung gerichtet ist. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen einander entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten. In den Zeichnungen:

1A ist eine Ansicht von oben einer Reihe von Magneten für einen magnetischen linearen Positionssensor gemäß den Prinzipien der Erfindung;
1B ist eine Seitenansicht des magnetischen linearen Positionssensors von 1;
2 ist ein Graph, der das Verhalten des linearen Positionssensors darstellt; und
3 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Optimieren des magnetischen linearen Positionssensors.

GENAUE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist nur beispielhaft und ist nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungsmöglichkeiten einzuschränken.
Mit Bezug nun auf 1A und 1B ist ein magnetischer linearer Positionssensor dargestellt und mit 10 bezeichnet. Die primären Komponenten des magnetischen linearen Positionssensors umfassen Magnete 12, 14, 16, 18, 20 und 22 und einen Magnetfeldsensor 30, der beabstandet über den Magneten 12, 14, 16, 18, 20 und 22 angeordnet ist. Der Sensor 30 kann beispielsweise ein Hall-Element sein, das sich über der Oberseite der Magnete hin- und herbewegt, wie durch den Doppelpfeil 32 angezeigt ist. Die Magnete 12, 14, 16, 18, 20 und 22 weisen eine Breite, eine Länge und eine Höhe von W_i, L_i bzw. h_i auf, wobei i = 1, 2, 3, 4, 5, 6 für die Magnete 12, 14, 16, 18, 20 bzw. 22 ist. Die Mittelpunkte der Magnete 12 und 22 sind durch eine Distanz d₁ voneinander beabstandet; die Mittelpunkte der Magnete 14 und 20 sind durch die Distanz d₂ voneinander beabstandet; und die Mittelpunkte der Magnete 16 und 18 sind durch die Distanz d₃ voneinander beabstandet. Die Abstände zwischen den Mittelpunkten der Magnete 12 und 14, der Magnete 14 und 16, der Magnete 18 und 20 und der Magnete 20 und 22 sind S₁, S₂, S₃ bzw. S₄. Bei der in 1A und 1B gezeigten speziellen Anordnung beträgt die Anzahl der Magnete N sechs. Im Allgemeinen jedoch kann N nur 2 oder mehr als 6 betragen. Wenn N kleiner als oder größer als sechs ist, liegen außerdem die Magnetfelder der ersten N1 denen der zweiten N2 gegenüber. Daher ist bei der in 1A und 1B gezeigten Anordnung N1 = N2 = N/2, wobei die Magnetfelder der Magnete 12, 14 und 16 entgegengesetzt zu den Magnetfeldern der Magnete 18, 20 und 22 sind.
Die Größen und Positionen der Magnete können allgemein entlang der Mittellinie 11 symmetrisch sein oder auch nicht. Bei der in 1A und 1B gezeigten Anordnung, ist L₁ = L₆, W₁ = W₆, h₁ = h₆; L₂ = L₅, W₂ = W₅, h₂ = h₅; und L₃ = L₄, W₃ = W₄, h₃ = h₄. Und S₁ = S₄ und S₂ = S₃. Ferner wird für die in 1A und 1B gezeigte spezielle Anordnung angemerkt, dass die Höhen der Magnete gleich sind, während ihre Längen und Breiten von den Seiten der Reihe zum Mittelpunkt hin abnehmen; das heißt, L₁ > L₂ > L₃, L₆ > L₅ > L₄, W₁ > W₂ > W₃, W₆ > W₅ > W₄ und h₁ = h₂ = h₃ = h₄ = h₅ = h₆.
Um die geeignete Größe und die geeigneten Positionen der Magnete 12, 14, 16, 18, 20 und 22 zu bestimmen, werden die Größen und Positionen derart variiert, dass sie zum Ausbilden einer linearen Beziehung der magnetischen Feldstärke (in der Richtung von oben nach unten) für den Ort des Magnetfeldsensors 30 entlang seines Wegs 32 optimiert sind, wie in 2 gezeigt ist.
Mit Bezug nun auf 3 ist ein Prozess 100 zum Optimieren der Größe der Magnete des magnetischen linearen Positionssensors 10 und ihrer Positionen gezeigt. Bei Schritt 102 werden Anfangswerte für die Längen, Breiten, die Dicke oder Höhe der Magnete und ihrer Positionen eingestellt. Bei Schritt 104 wendet der Prozess 100 einen Simulationsalgorithmus an, um das Verhalten des magnetischen linearen Positionssensors 10 für die Anfangswerte zu simulieren, die bei Schritt 102 gewählt wurden. Dann liefert der Prozess 100 bei Schritt 106 die Ergebnisse der Simulationsanalyse von Schritt 104. Insbesondere enthalten die Verhaltensergebnisse den Erfassungsbereich des magnetischen Sensors 10, die Linearität des Sensors 10, zum Beispiel wie in 2 gezeigt, die Größe der Magnete und den Signalbereich des Sensors 10.
Als nächstes vergleicht der Prozess bei einem Entscheidungsschritt 108 die Simulationsergebnisse von Schritt 106 mit den Sensorkonstruktionsvorgaben von Schritt 110. Die Konstruktionsvorgaben können beispielsweise fordern, dass: der Erfassungsbereich einen Bereich L überschreitet; die Linearität geringer als ein Wert K ist; der Sensorsignalbereich größer als ein Minimum BO und kleiner als ein Maximum B1 ist; und die Größen der Magnete minimiert sind, das heißt, die Größe der Magnete eine maximale Größe nicht überschreitet.
Wenn die Sensorverhaltensergebnisse von Schritt 106 bei Schritt 108 die Sensorkonstruktionsvorgaben erfüllen, die bei Schritt 110 angegeben wurden, dann geht der Prozess 100 zu Schritt 116 weiter, bei dem angegeben wird, dass der optimale Sensorentwurf erreicht worden ist. Wenn die Ergebnisse von Schritt 106 jedoch die Vorgaben von Schritt 110 nicht erfüllen, dann geht der Prozess 100 zu Schritt 112 weiter. Bei Schritt 112 wendet der Prozess 100 einen Optimierungsalgorithmus an, um eine neue Sensorkonstruktion vorzuschlagen. Der Prozess verwendet dann bei Schritt 114 die vorgeschlagenen Längen, Breiten, Dicken und Positionen der Magnete und verwendet diese neuen Werte als die Anfangswerte, die bei Schritt 102 als Eingaben für den Prozess 100 bereitgestellt werden. Der Prozess 100 durchläuft die Schritte, wie vorstehend beschrieben ist, bis die optimale Sensorkonstruktion für den magnetischen linearen Positionssensor 10 bei Schritt 116 bereitgestellt wird.
Folglich optimiert der Prozess 100 die Größe der Magnete und die Distanz zwischen diesen, um die gesamte magnetische Masse zu minimieren, die in dem magnetischen linearen Positionssensor 10 verwendet wird. Ferner erhöhen die optimierten Größen und Distanzen die Linearität des Sensors auf ein sehr hohes Niveau, wie in 2 dargestellt ist, und ein sehr großer Erfassungsabstand kann mit einer minimalen Menge an magnetischer Masse realisiert werden.
Die Beschreibung der Erfindung ist nur beispielhaft und Variationen, die vom Grundgedanken der Erfindung nicht abweichen, sollen im Umfang der Erfindung liegen. Derartige Variationen dürfen nicht als Abweichung vom Geist und Umfang der Erfindung aufgefasst werden.

Claims

Verfahren (100) zum Optimieren eines magnetischen linearen Positionssensors (10), wobei das Verfahren (100) umfasst, dass: Anfangswerte für eine Reihe mit einer Anzahl N Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) eingestellt werden (102), wobei die Anfangswerte eine Länge (L_i), Breite (Wi), Höhe (hi) und Position jedes der N Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) umfassen und die Anzahl N Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) entlang einer Linie (11) verteilt sind, um eine Magnetfeldstafette entlang der Linie (11) auszubilden, wobei die Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) einen ersten Satz N1 Magnete (12, 14, 16) und einen zweiten Satz N2 Magnete (18, 20, 22) enthält, wobei N = N1 + N2, wobei der erste Satz N1 Magnete (12, 14, 16) an einer Seite eines Mittelpunkts der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) positioniert ist und der zweite Satz N2 Magnete (18, 22, 22) an der anderen Seite des Mittelpunkts der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) positioniert ist; das Verhalten des magnetischen linearen Positionssensors (10) simuliert wird (104), wobei die Simulation einen Magnetfeldsensor (30) einschließt, der von der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) beabstandet und darüber positioniert ist und sich über der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) hin- und her bewegt, um das Magnetfeld der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) zu erfassen, und wobei das Verhalten des magnetischen linearen Positionssensors (10) einen Erfassungsbereich, eine Linearität der Magnete, eine Größe jedes Magnets (12, 14, 16, 18, 20, 22) und einen Sensorsignalbereich umfasst; Ergebnisse der Simulation des Verhaltens des magnetischen linearen Positionssensors (10) mit Sensorkonstruktionsvorgaben (110) verglichen werden (108), was umfasst, dass festgestellt wird, ob der Erfassungsbereich des Sensors einen Minimalbereich (L) überschreitet, ob die Linearität geringer als ein maximal zulässiger Wert (K) ist, ob der Sensorsignalbereich größer als ein Minimum (B0) und kleiner als ein Maximum (B1) ist und die Größe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) eine maximale Größe nicht überschreitet; eine optimale Konfiguration der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) festgelegt wird (116), wenn die Simulationsergebnisse die Sensorkonstruktionsvorgaben (110) erfüllen; und die Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) optimiert wird, indem ein neuer Satz von Werten für die Länge (L_i), Breite (Wi), Höhe (hi) und Position für jeden Magnet (12, 14, 16, 18, 20, 22) vorgeschlagen wird (112) und diese Werte als neue Anfangswerte für die Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) verwendet werden (114).
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei die Größen und Positionen der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) in der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) entlang der Linie (11) symmetrisch sind und die Größe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) von den Seiten der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) zu dem Mittelpunkt der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) hin abnimmt.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei die Länge (Li) der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) von den Seiten der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) zum Mittelpunkt der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) hin abnimmt.
Verfahren (100) nach Anspruch 3,wobei die Breite (Wi) der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) von den Seiten der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) zum Mittelpunkt der Reihe der Magnete (12, 14, 16, 18, 20, 22) hin abnimmt.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei N1 = N2 und N eine geradzahlige Zahl ist.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei N ≥ 3.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, bei dem N = 6.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei der magnetische lineare Positionssensor (10) ein Gabelpositionssensor in einem Kraftfahrzeuggetriebe ist.