DE102014010923A1

DE102014010923A1 - Messsystem und Antriebssystem

Info

Publication number: DE102014010923A1
Application number: DE102014010923.2A
Authority: DE
Inventors: Yan BONDAR; Stefan Albrecht
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2016-01-28
Also published as: US20160025521A1; US10119840B2

Abstract

Messsystem und Antriebssystem mit einem Messsystem, – mit einem Magneten (300), – mit einem Geber (100) und – mit einem Magnetfeldsensor (200), – bei dem der Magnetfeldsensor (200) zwischen dem Magneten (300) und dem Geber (100) angeordnet ist, – bei dem der Geber (100) eine Mehrzahl von Segmenten (111, 112, 117, 118) aus einem magnetisch leitfähigen Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass jedes Segment (111, 112, 117, 118) eine Flügelform mit einer radial nach außen gerichteten Stegkante (121, 122, 127, 128) aufweist, – dass jede Stegkante (121, 122, 127, 128) schräg zur Drehrichtung (α) ausgebildet ist, und – dass jede Stegkante (121, 122, 127, 128) durch einen Luftspalt (210) zum Magnetfeldsensor (200) distanziert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem und ein Antriebssystem.
Für elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren werden genaue Drehwinkelinformationen zur Ansteuerung benötigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Messsystem zur Messung eines Drehwinkels möglichst zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Messsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung enthalten.
Demzufolge ist ein Messsystem vorgesehen.
Das Messsystem weist einen Magneten und einen Geber und einen Magnetfeldsensor auf.
Der Magnetfeldsensor ist zwischen dem Magneten und dem Geber angeordnet.
Der Geber weist eine Mehrzahl von Segmenten aus einem magnetisch leitfähigen Material auf.
Jedes Segment weist eine Flügelform mit einer radial nach außen gerichteten Stegkante auf.
Jede Stegkante ist schräg zur Drehrichtung ausgebildet.
Jede Stegkante ist durch einen Luftspalt zum Magnetfeldsensor distanziert.
Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass in einer konkreten Ausführung, wie diese beispielsweise zu den Figuren erläutert ist, durch die Ausbildung der Segmente in Flügelform ein nur geringes Trägheitsmoment erzielt wird. Zudem kann durch die Schrägstellung der Stegkante der flügelförmigen Segmente innerhalb des Segments eine verbesserte Messwertauflösung erzielt werden.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zu Grunde, ein möglichst verbessertes Antriebssystem anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Antriebssystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung enthalten.
Demzufolge ist ein Antriebssystem vorgesehen.
Das Antriebssystem weist einen elektrisch kommutierten Gleichstrommotor und ein Messsystem auf.
Das Messsystem weist einen Magneten und einen Geber und einen Magnetfeldsensor auf.
Der Magnetfeldsensor ist zwischen dem Magneten und dem Geber angeordnet.
Der Geber weist eine Mehrzahl von Segmenten aus einem magnetisch leitfähigen Material auf.
Jedes Segment weist eine Flügelform mit einer radial nach außen gerichteten Stegkante auf.
Jede Stegkante ist schräg zur Drehrichtung ausgebildet.
Jede Stegkante ist durch einen Luftspalt zum Magnetfeldsensor distanziert.
Der Geber ist auf einer Welle des elektrisch kommutierten Gleichstrommotors drehfest ausgebildet.
Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass in einer konkreten Ausführung, wie diese beispielsweise zu den Figuren erläutert ist, die Segmente eine hohe Messwertauflösung für die präzise Ansteuerung der Kommutation ermöglichen.
Die im Folgenden beschriebenen Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf das Messsystem als auch auf das Antriebssystem.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Masse der Segmente rotationssymmetrisch verteilt. Vorteilhafterweise ist der Geber unwuchtfrei ausgebildet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Segmente auf einer Nabe angeordnet. Vorteilhafterweise sind die Segmente und die Nabe aus dem magnetisch leitfähigen Material einteilig ausgeformt. Vorteilhafterweise sind die Segmente und die Nabe aus grauem Gusseisen ausgebildet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die radial nach außen gerichtete Stegkante jedes Segments durch eine Länge des Segments von einer Nabe des Gebers beabstandet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Magnetfeldsensor zumindest ein erstes Sensorelement zur Messung einer Magnetfeldkomponente in einer ersten Raumrichtung und ein zweites Sensorelement zur Messung einer Magnetfeldkomponente in einer zweiten Raumrichtung auf. Besonders bevorzugt weist der Magnetfeldsensor ein erstes Sensorelement zur Messung einer Magnetfeldkomponente in einer ersten Raumrichtung und ein zweites Sensorelement zur Messung einer Magnetfeldkomponente in einer zweiten Raumrichtung und ein drittes Sensorelement zur Messung einer Magnetfeldkomponente in einer dritten Raumrichtung auf.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Segmente zur Erzeugung eines Luftstroms bei einer Drehbewegung des Gebers ausgebildet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Antriebssystem eine elektrische Schaltung auf. Die elektrische Schaltung ist mit dem Magnetfeldsensor und Spulen eines Stators des elektrisch kommutierten Gleichstrommotors elektrisch verbunden. Vorteilhafterweise ist die elektrische Schaltung eingerichtet, basieren auf einem vom Magnetfeldsensor ausgegebenen Messsignal innerhalb einer Breite eines Segments eine absolute Drehposition des Gebers zu bestimmen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weisen alle Segmente eine gleiche Form auf, so dass von Segment zu Segment überwiegend periodische Messsignale generiert werden.
Die zuvor beschriebenen Weiterbildungsvarianten sind sowohl einzeln als auch in Kombination besonders vorteilhaft. Dabei können sämtliche Weiterbildungsvarianten untereinander kombiniert werden. Einige mögliche Kombinationen sind in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Figuren erläutert. Diese dort dargestellten Möglichkeiten von Kombinationen der Weiterbildungsvarianten sind jedoch nicht abschließend.
Im Folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele anhand zeichnerischer Darstellungen näher erläutert.
Dabei zeigen
1 eine schematische Darstellung eines Messsystems,
2 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems,
3 eine schematische Ansicht für verschiedene Drehwinkel, und
4 eine schematisches Diagramm eines Sensorsignals.
In 1 ist ein Messsystem mit einem Magneten 300, einem Magnetfeldsensor 200 und einem Geber 100 aus magnetisch leitfähigen Material in einer dreidimensionalen Ansicht schematisch dargestellt. Es sei angemerkt, dass es auch hinreichend ist, nur die Flügel aus einem magnetisch leitfähigen Material auszubilden. Dargestellt ist zudem eine Drehachse 140 des Gebers 100 und eine Drehrichtung α des Gebers 100. In einer Ausführung der 1 ist der Magnetfeldsensor 200 ausgebildet, die zueinander orthogonalen Flussdichtekomponenten Bx, By und Bz in drei Raumrichtungen zu messen.
Der Magnet 300 ist in einer Ausführung der 1 als Dauermagnet, z. B. aus SmCo217 ausgebildet. Zwischen dem Magnet 300 und dem Geber 100 ist der Magnetfeldsensor 200 angeordnet. Dabei sind sowohl der Magnet 300 als auch der Magnetfeldsensor 200 ortsfest angeordnet. Hingegen ist der Geber 100 gegenüber dem Magnet 300 und dem Magnetfeldsensor 200 beweglich, insbesondere um die Drehachse 140 drehbar ausgebildet. Das Magnetfeld des Magneten 300 durchdringt dabei den Magnetfeldsensor 200 und wird durch den Geber 100 moduliert. Ein derartiger Magnet 300 wird auch als Back-Bias-Magnet bezeichnet.
Der Geber 100 weist eine Mehrzahl von Segmenten 111, 112, 117, 118 auf, die aus einem magnetisch leitfähigen Material gebildet sind. In einer Ausführung der 1 weist der Geber 100 beispielsweise sieben Segmente auf, wobei in 1 nur die Segmente 111, 112, 117, 118 sichtbar sind.
Jedes der Segmente 111, 112, 117, 118 in einer Ausführung der 1 weist eine Flügelform auf. Die Flügelform ist dabei durch ein planes oder bevorzugt gewölbtes Plättchen gebildet. Jedes der Segmente 111, 112, 117, 118 weist zumindest eine überwiegend radial nach außen gerichtete Stegkante 121, 122, 127, 128 auf. In der Ausführung der 1 weist jedes Segment 111, 112, 117, 118 zudem zwei überwiegend in axialer Richtung ausgebildete Seitenkanten auf. Jedes Segment 111, 112, 117, 118 ist dabei schräg zur Drehrichtung α ausgebildet. Die schräggestellte Stegkante 121, 122, 127, 128 ist somit weder parallel zur Axialrichtung noch parallel zur Drehrichtung ausgebildet.
Jedes Segment 111, 112, 117, 118 ist als flügelartiger Steg ausgebildet. Durch die Schrägstellung der Segmente 111, 112, 117, 118 ergibt sich bei Drehbewegung die Wirkung von Lüfterflügeln. Durch die Schrägstellung der Stegkanten 121, 122, 127, 128 kann durch die Auswertung des resultierenden Magnetfeldvektors der Magnetfeldkomponenten Bx, By und Bz, wie in den 2 und 4 dargestellt, ein Drehwinkel φ in Drehrichtung α innerhalb eines Segments 111, 112, 117, 118 absolut erfasst werden. Ein Ausgangssignal S des Magnetfeldsensors 200 ist eine Funktion von dem Drehwinkel φ. Von Segment 111 zu Segment 112 ist der Drehwinkel durch Inkrementierung (Zählwert) bestimmbar.
Die Stegkante 121, 122, 127, 128 jedes Segments 111, 112, 117, 118 ist – wie in 2 schematisch dargestellt – durch einen Luftspalt 210 vom Magnetfeldsensor 200 distanziert ausgebildet. Der Luftspalt 210 beträgt beispielsweise für jedes Segment 111, 112, 117, 118 eine Distanz von 2 mm. Für einen konstanten Luftspalt 210 können alle Abschnitte der Stegkante 121, 122, 127, 128 im gleichen Abstand zur Drehachse 140 ausgebildet sein. Die Segmente 111, 112, 117, 118 sind mit einer Nabe 110 zur Befestigung auf einer Welle mechanisch verbunden. In einer Ausführung der 1 sind die Segmente 111, 112, 117, 118 und die Nabe 110 aus einem magnetisch leitfähigen Material einstückig ausgeformt. Beispielsweise ist der Geber 100 durch ein Graugussverfahren hergestellt.
Durch ein Messsystem gemäß einer Ausführung der 1 werden mehrere Vorteile erzielt. Das Messsystem bietet eine robuste Erfassung der Absolut-Drehposition des Gebers 100 auch für Industrie- und Automobileinsatz bei Einwirkung von Schmutz, Ölnebel, etc.. Magnet 300 und Magnetfeldsensor 200 sind vom Drehzentrum weit beabstandet und orthogonal zur Drehachse 140 ausgebildet. Aufgrund des relativ großen Radius, bedingt durch eine große Länge L der Segmente 111, 112, 117, 118, wird eine höhere Auflösung erzielt gegenüber Messsystemen, die nah am Drehzentrum angeordnet sind. Aufgrund der Flügelform der Segmente 111, 112, 117, 118 wird trotz des großen Radius ein hinreichend kleines Massenträgheitsmoment erzielt. Vibrationen und Messtoleranzen werden reduziert, da für die Messwerterfassung kein Getriebe benötigt wird. Zudem können die Segmente 111, 112, 117, 118 abhängig von der Drehrichtung α in Synergie eine Kühlung von Elementen durch Konvektion bewirken.
Die in 1 dargestellte Ausführung kann prinzipiell für unterschiedliche zu erfassende Drehbewegungen verwendet werden. Durch die Aufteilung der Segmente 111, 112, 117, 118 in Umfangsrichtung ist das Messsystem insbesondere für eine Messung von Drehungen von Elektromotoren optimiert. Ein Antriebssystem mit einem Messsystem nach 1 ist in der Ausführung der 2 als schematische Schnittansicht dargestellt.
2 zeigt einen elektrisch kommutierten Motor 400, beispielsweise einen Schrittmotor oder einen elektrisch kommutierten Gleichstrommotor, auch als BLDC-Motor bezeichnet. Der Motor 400 in der Ausführung der 1 weist einen Rotor 430 auf einer Motorwelle 410 auf. Der Rotor 430 dreht innerhalb des Stators 420. Der Rotor 430 weist beispielsweise Dauermagnete auf. Der Stator 420 weist Spulen auf. Die Spulen des Stators 420 sind an eine Schaltung 500 angeschlossen. Die Schaltung 500 ist zur Steuerung eines Spulenstroms durch die Spulen des Stators 420 eingerichtet. Zur Steuerung des Spulenstroms durch die Schaltung 500 ist die Messung der Drehposition mittels des Messsystems erforderlich. Die elektrische Kommutierung erfolgt gemäß einer Ausführung der 2 besonders exakt, da die absolute Drehposition detektiert wird, ein Umschaltzeitpunkt zur Kommutierung ist die Änderung der absoluten Drehposition rechtzeitig bestimmbar. In der Ausführung der 2 sind die Segmente (nicht dargestellt) des Gebers 100 Motorpolpaaren (nicht dargestellt) fest zugeordnet. Die Position der Segmente im Umfang des Gebers ist mechanisch justiert zu Polpaaren des Motors 400, um eine genaue Detektion der Stellung des Rotors 430 mittels des Messsignals S durch die Schaltung 500 zu ermöglichen.
3 zeigt einen Magnetfeldsensor für zwei (2D) oder drei (3D) Magnetfeldkomponenten. Der Magnetfeldsensor 200 ist durch einen Backbias-Magneten vorgespannt. Der Backbias-Magnet ist für eine bessere Übersichtlichkeit in 3 nicht dargestellt. 3 zeigt die Stegkante 121 des Segments 111 in unterschiedlichen aufeinander folgenden Drehpositionen φ1, φ2, φ3, φ4, φ5 relativ zum Magnetfeldsensor 200. Die Position der Stegkante des Segments 111 ändert sich stetig innerhalb einer Vorbei-Bewegung genau des Segments am Magnetfeldsensor 200.
Eventuelle nicht-lineare Eigenschaften des Magnetfeldsensors 200 oder Schwankungen der Feldintensität versus Winkel können zumindest teilweise durch die Geometrie des Segments 111, 112, 117, 118 mechanisch kompensiert werden. Innerhalb des Segments 111, 112, 117, 118 wird ein maximaler Signalhub genutzt. Dadurch wird ein höherer Rauschabstand S/N gegenüber einem System mit einem Signalhub über 360° erzielt. Es wird somit eine hohe Gesamtauflösung für das Messsystems erzielt, indem der Signalhub für jedes Segment 111, 112, 117, 118 einzeln zur Positionsauflösung innerhalb des Segments zur Verfügung steht.
Entsprechend kann die Kommutierung des Motors 400 einer Ausführung aus 4 zu einer exakten Zeit erfolgen. Der Sprung bei Winkel φ5 markiert einen Wechsel in der Kommutierung. Durch den Sprung wird zugleich ein Synchronisationspuls automatisch generiert, der der nächstfolgenden Wicklung im Stator 420 zugehörig ist.
4 zeigt schematisch ein Diagramm eines Messsignals S mit den Magnetflussdichtekomponenten Bx, By und Bz in drei Raumrichtungen in Abhängigkeit vom Drehwinkel φ. Die Drehwinkelpositionen φ0 und φ5 markieren dabei einen Wechsel von einem Segment zum nächst folgenden Segment. Die Schaltung ist eingerichtet, durch den Verlauf der Werte der Magnetflussdichtekomponenten Bx, By, Bz den Zeitpunkt für die in der Kommutation nächstfolgende Wicklung des Stators 420 zu berechnen. Die nächste Wicklung wird durch den Verlauf gewissermaßen angekündigt.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausgestaltungsvarianten der 1 bis 4 beschränkt. Beispielsweise ist es möglich, eine andere flügelartige Form der Segmente vorzusehen. Auch ist es möglich, eine größere oder kleinere Anzahl von Segmenten, insbesondere angepasst an die Pole des Elektromotors vorzusehen. Die Funktionalität des Antriebssystems gemäß 2 kann besonders vorteilhaft für Hochgeschwindigkeitsanwendungen oder elektrohydraulische Anwendungen genutzt werden. Beispielsweise wird das Antriebssystem im Kraftfahrzeug für ein ABS-System oder einen Bremskraftverstärker oder eine Lenkhilfe verwendet.
Bezugszeichenliste

100: Geber
111, 112, 117, 118: Segment
121, 122, 127, 128: Stegkante, Kante
140: Drehachse
200: Magnetfeldsensor, Hallsensor
210: Luftspalt
300: Magnet, Dauermagnet
400: Elektromotor
410: Welle
420: Stator
430: Rotor
500: Schaltung
S: Signal
α: Drehrichtung
φ, φ0, φ1, φ2, φ3, φ4, φ5: Drehwinkel
Bx, By, Bz: Magnetfeldkomponente, Flussdichtekomponente
B: Flussdichte

Claims

Messsystem, – mit einem Magneten (300), – mit einem Geber (100) und – mit einem Magnetfeldsensor (200), – bei dem der Magnetfeldsensor (200) zwischen dem Magneten (300) und dem Geber (100) angeordnet ist, – bei dem der Geber (100) eine Mehrzahl von Segmenten (111, 112, 117, 118) aus einem magnetisch leitfähigen Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass jedes Segment (111, 112, 117, 118) eine Flügelform mit einer radial nach außen gerichteten Stegkante (121, 122, 127, 128) aufweist, – dass jede Stegkante (121, 122, 127, 128) schräg zur Drehrichtung (α) ausgebildet ist, und – dass jede Stegkante (121, 122, 127, 128) durch einen Luftspalt (210) zum Magnetfeldsensor (200) distanziert ist.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Masse der Segmente (111, 112, 117, 118) rotationssymmetrisch verteilt ist.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Segmente (111, 112, 117, 118) auf einer Nabe (110) angeordnet sind.
Messsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, – dass die Segmente (111, 112, 117, 118) und die Nabe (110) einteilig ausgeformt sind.
Messsystem nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, – dass die Segmente (111, 112, 117, 118) und die Nabe (110) aus grauem Gusseisen ausgebildet sind.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass der Magnetfeldsensor (200) zumindest ein erstes Sensorelement zur Messung einer Magnetfeldkomponente (Bx) in einer ersten Raumrichtung und ein zweites Sensorelement zur Messung einer Magnetfeldkomponente (By) in einer zweiten Raumrichtung und/oder ein drittes Sensorelement zur Messung einer Magnetfeldkomponente (Bz) in einer dritten Raumrichtung aufweist.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Segmente (111, 112, 117, 118) zur Erzeugung eines Luftstroms bei einer Drehbewegung des Gebers (100) ausgebildet sind.
Antriebssystem – mit einem elektrisch kommutierten Gleichstrommotor (400), – mit einem Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei der Geber (100) auf einer Welle (410) des elektrisch kommutierten Gleichstrommotors (400) drehfest ausgebildet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 8, – mit einer elektrischen Schaltung (500), die mit dem Magnetfeldsensor (200) und Spulen eines Stators (420) des elektrisch kommutierten Gleichstrommotors (400) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, – dass die elektrische Schaltung (500) eingerichtet ist, basieren auf einem vom Magnetfeldsensor (200) ausgegebenen Messsignal (5) innerhalb einer Breite eines Segments (111, 112, 117, 118) eine absolute Drehposition des Gebers (100) zu bestimmen.