DE102015104795B4 - Axially multi-pole magnetized magnet, device with magnetically multipole magnetized magnet, use of the device for detecting the rotation angle and use of the device for electrical commutation in electric motors - Google Patents
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Abstract
Axial mehrpolig magnetisierter Magnet (10, 40, 100), der zumindest in einem radialen Bereich eine über den Rotationswinkel (φ) variierende Dicke D(φ) aufweist, wobei sich die Dicke D(φ) ergibt durch die Addition einer Konstanten Dund des Betrages einer Summe von Kosinusfunktionen mit einer Grundschwingung und ihrer ungeradzahligen Harmonischen, umfassend zumindest Glieder bis zur fünften Harmonischen gemäßwobei N eine vorgegebene positive ganze Zahl, DNull oder ein positiver, der Quotient D/Dein negativer und der Quotient D/Dein positiver Wert ist, ABS(D)≥ABS(D)≥ABS(D) gilt und wobei ABS[ ] bzw. ABS( ) den jeweiligen Betrag der durch die Klammer umfassten Zahl bezeichnet.Axial multi-pole magnetized magnet (10, 40, 100) having at least in a radial region a thickness D (φ) varying over the angle of rotation (φ), the thickness D (φ) resulting from the addition of a constant D and the magnitude a sum of cosine functions having a fundamental and its odd harmonics, comprising at least terms up to the fifth harmonic, where N is a predetermined positive integer, DNull or a positive, the quotient D / your is negative, and the quotient D / is your positive value, ABS ( D) ≥ABS (D) ≥ABS (D) and where ABS [] and ABS () respectively denote the respective amount of the number enclosed by the bracket.
Description
Die Erfindung betrifft einen axial mehrpolig magnetisierten Magneten, wie er insbesondere zur berührungslosen Drehwinkelerfassung verwendbar ist, sowie eine Vorrichtung zur Winkelerfassung unter Verwendung eines solchen Magneten.The invention relates to an axially multi-pole magnetized magnet, as it is particularly useful for non-contact rotation angle detection, and a device for angle detection using such a magnet.
Derartige, berührungslos arbeitende Vorrichtungen haben in vielen Bereichen der Fahrzeugtechnik sowie der Automatisierungstechnik Verbreitung gewonnen. Die Erfassung des Drehwinkels eines Bauelementes, wie einer Welle, kann dabei dadurch realisiert sein, dass ein Gebermagnet an dem sich drehenden Bauelement befestigt ist und das durch den als Dauermagnet ausgebildeten Gebermagnet erzeugte Magnetfeld oder ein Magnetfeldgradient mittels eines oder mehrerer axial vor oder lateral neben dem Gebermagnet angeordneten Sensorelemente erfasst wird. Im Gegensatz zu dem sich mitdrehendem Gebermagneten können dabei die Sensorelemente ortsfest an der Vorrichtung, beispielsweise einem Gehäuseteil, angebracht sein. Je nach spezifischer Anwendung können zur Erfassung des Magnetfeldes bzw. eines Magnetfeldgradient durch Messen verschiedene Sensorelemente, beispielsweise Hallsensoren, Sensoren auf der Basis des AMR-Effektes (anisotroper magnetoresistiver Effekt) oder Sensoren auf der Basis des GMR-Effektes (Riesenmagnetowiderstand-Effekt) eingesetzt werden.Such non-contact devices have gained widespread use in many areas of vehicle technology and automation technology. The detection of the rotational angle of a component, such as a shaft, can be realized in that a donor magnet is attached to the rotating component and the magnetic field generated by the donor magnet formed as a permanent magnet or a magnetic field gradient by means of one or more axially before or laterally next to the Encoder magnet arranged sensor elements is detected. In contrast to the co-rotating transmitter magnet while the sensor elements can be fixedly attached to the device, such as a housing part. Depending on the specific application, various sensor elements, for example Hall sensors, sensors based on the AMR effect (anisotropic magnetoresistive effect) or sensors based on the GMR effect (giant magnetoresistance effect) can be used to detect the magnetic field or a magnetic field gradient ,
Für die Genauigkeit und die Geschwindigkeit der Drehwinkelerfassung sind neben der Güte und dem Antwortverhalten der Sensorelemente auch das vom Gebermagnet am jeweiligen Sensorort erzeugte Magnetfeld entscheidende Größen. Insbesondere axial mehrpolig magnetisierte Magnete, die häufig als Rundmagnet ausgebildet sind und die parallel zur Drehachse magnetisiert sind, sodass Nord- und Südpol bzw. eine Mehrzahl von Nord- und Südpolen auf einer jeweiligen Stirnseite angeordnet sind, weisen in Bezug auf das am Sensorort erzeugte axiale Magnetfeld, d.h. in Bezug auf die in Richtung zur Drehachse erzeugte Magnetfeldkomponente, ein komplexes Verhalten auf. Dieses komplexe Verhalten in der Änderung der betrachteten Magnetfeldkomponente bei der Drehung des Magneten macht i.d.R. aufwendige Berechnungen zur Minimierung des Fehlers bei der Drehwinkelerfassung erforderlich.For the accuracy and the speed of the rotation angle detection, in addition to the quality and the response behavior of the sensor elements, the magnetic field generated by the transmitter magnet at the respective sensor location are decisive variables. In particular, axially multi-pole magnetized magnets, which are often formed as a round magnet and which are magnetized parallel to the axis of rotation, so that north and south poles or a plurality of north and south poles are arranged on a respective end face, have in relation to the generated at the sensor site axial Magnetic field, ie with respect to the magnetic field component generated in the direction of the rotation axis, a complex behavior. This complex behavior in the change of the magnetic field component considered in the rotation of the magnet makes i.d.R. Complex calculations to minimize the error in the rotation angle detection required.
Bei der Drehung der Welle
Die Offenlegungsschrift
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen herkömmlichen axial mehrpolig magnetisierten Magneten in Bezug auf das von diesem in Richtung zu einer Drehachse erzeugte Magnetfeld so weiterzubilden, dass sich bei der Verwendung eines solchen Magneten insbesondere eine Lage- oder Winkelermittlung vereinfacht. Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung mit einem axial mehrpolig magnetisierten Magneten mit den Merkmalen von Anspruch 1. Der erfindungsgemäß ausgebildete Magnet weist in Bezug auf eine Achse eine nicht konstante Dicke auf, derart dass sich zumindest über einen radialen Bereich, insbesondere über die gesamte radiale Erstreckung des Magneten, mit dem Rotationswinkel
Die angegebene geometrische Gestaltung des erfindungsgemäß ausgebildeten, axial mehrpolig magnetisierten Magneten weist den Vorteil auf, dass von diesem bei dessen Drehung um seine Achse von einem ortsfest angeordneten Sensorelement eine Feldkomponente parallel zur Drehachse abgetastet werden kann, die einen Verlauf über den Rotationswinkel aufweist, der je nach Abstand und Messradius extrem nahe an einen sinusförmigen Verlauf mit einem sehr geringen Anteil an Oberwellen, d.h. geringem Klirrfaktor angenähert ist.The specified geometric design of the inventively designed, axially multi-pole magnetized magnet has the advantage that from this during its rotation about its axis from a stationary sensor element arranged a field component can be scanned parallel to the axis of rotation, which has a course over the rotation angle, depending extremely close to distance and measuring radius a sinusoidal course is approximated with a very small proportion of harmonics, ie low harmonic distortion.
Diese Symmetrisierung des Verlaufs der Magnetfeldkomponente ermöglicht es insbesondere, unter Verwendung eines solchen Magneten eine Drehwinkelerfassung mit extrem hoher Genauigkeit durchzuführen. Darüber hinaus kann bei der Berechnung des Drehwinkels auf der Basis der gemessenen Magnetfelder im Vergleich zur Verwendung herkömmlicher Magnete Rechenzeit eingespart werden, da ansonsten notwendige Fehlerbetrachtungen entfallen bzw. nur vermindert durchgeführt werden müssen, sodass Antwortzeiten einer entsprechenden Messvorrichtung wesentlich verringert werden können. Sind beispielsweise zwei Sensoren an einer Stirnseite eines erfindungsgemäßen Magneten, der in dem Beispiel axial zweipolig magnetisiert ist, umfänglich zum Magneten um 90° versetzt platziert, so erfassen beide Sensoren bei der Drehung des Magneten das sich sinusförmig verändernde Magnetfeld in axialer Richtung mit einer Phasenverschiebung von 90°. Aus diesem Grunde kann durch eine einfache und schnell durchführbare Quotientenbildung des Sinuswellenausgangsignals des einen Sensors mit dem Kosinuswellenausgangssignal des anderen Sensors ein Wert berechnet werden, der gleich dem Arkustangens des gesuchten Drehwinkels ist.This symmetrization of the course of the magnetic field component makes it possible, in particular, to perform a rotation angle detection with extremely high accuracy using such a magnet. In addition, calculation time can be saved in the calculation of the rotation angle on the basis of the measured magnetic fields compared to the use of conventional magnets, since otherwise necessary error considerations omitted or must be performed only reduced so that response times of a corresponding measuring device can be significantly reduced. For example, if two sensors on one end side of a magnet according to the invention, which is axially double-pole magnetized, placed circumferentially offset by 90 ° to the magnet, both sensors detect the sinusoidally changing magnetic field in the axial direction with a phase shift of 90 °. For this reason, a value which is equal to the arctangent of the desired rotation angle can be calculated by a simple and quickly feasible quotient formation of the sine wave output signal of the one sensor with the cosine wave output signal of the other sensor.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Magnet kann insbesondere eine Ring-, Scheiben-, oder Zylinderform aufweisen, wobei jedoch auch andere geometrische Gestaltungen möglich sind. Ein erfindungsgemäßer Magnet kann als Rundmagnet ausgebildet sein, wobei jedoch seine Gestalt keine ideale Rotations- bzw. Zylindersymmetrie aufweisen muss.The inventively embodied magnet may in particular have a ring, disc, or cylindrical shape, but other geometrical configurations are possible. A magnet according to the invention can be designed as a round magnet, but its shape does not have to have ideal rotational or cylindrical symmetry.
Die Achse des erfindungsgemäßen Magneten kann eine ausgezeichnete Richtung des Magneten angeben, insbesondere die Ausrichtung seiner Magnetisierung und/oder in Bezug auf seine Geometrie, wobei bei letzterem jedoch keine ideale Rotationssymmetrie bzw. Zylindersymmetrie vorliegen muss. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Magnet als Ringmagnet, der ein Mittenloch aufweist, beispielsweise zur Aufnahme einer Drehwelle, gestaltet sein. Es sei darauf hingewiesen, dass zur Umsetzung der Erfindung die wie oben definierte Dicke des Magneten als Erstreckung in z-Richtung bzw. in Achsrichtung in Abhängigkeit des Drehwinkels nicht über einen vollständigen Umfangskreis zur Achse vorlegen muss, stattdessen kann die Dicke auch nur abschnittsweise auf einem Umfangskreis, d.h. über einen Drehwinkelbereich der angegebenen Summendarstellung folgen.The axis of the magnet according to the invention can indicate an excellent direction of the magnet, in particular the orientation of its magnetization and / or with respect to its geometry, although in the latter case no ideal rotational symmetry or cylinder symmetry must be present. In particular, the magnet according to the invention may be designed as a ring magnet having a center hole, for example for receiving a rotary shaft. It should be noted that to implement the invention, the above-defined thickness of the magnet as extension in the z-direction or in the axial direction as a function of the angle of rotation does not have to submit over a complete circumferential circle to the axis, instead the thickness can only partially on a Circumference circle, ie follow the specified sum representation over a rotation angle range.
Es ist erfindungsgemäß möglich, dass die über den Rotationswinkel
Weitere erfindungsgemäße Merkmale sind in der allgemeinen Beschreibung, der speziellen Beschreibung zu den Figuren sowie den Unteransprüchen angegeben.Further inventive features are given in the general description, the specific description of the figures and the subclaims.
Die Güte des sinusförmigen Verlaufs der Feldkomponente kann von dem Messradius, d.h. dem radialen Abstand des Sensors zur Achse, dem Messabstand über der Stirnfläche, der Stoffhomogenität des Magneten, der Homogenität der Magnetisierung im Magneten und in Abhängigkeit der Berücksichtigung der Anzahl der Summenglieder in der angegebenen Summendarstellung für die Variation der Dicke des Magneten über den Rotationswinkel
Zweckmäßigerweise kann der erfindungsgemäße Magnet als axial P-polig ausgebildet ist, wobei die Polzahl
An einer Stirnseite des erfindungsgemäßen Magneten kann jeweils eine Trennlinie zwischen Nord- und Südpol durch einen Radiusvektor senkrecht zur Achse zu φ(n)=((180/P)+n*(360/P))° bestimmt sein, wobei n über eine Menge von natürlichen Zahlen einschließlich Null {0;1;2;....(P-1)} verläuft.On one end side of the magnet according to the invention, a dividing line between the north and south poles can be determined by a radius vector perpendicular to the axis to φ (n) = ((180 / P) + n * (360 / P)) Set of natural numbers including zero {0; 1; 2; .... (P-1)}.
Ein axial 2-polig magnetisierter Magnet entsprechend P=2 weist insofern radial verlaufende Trennlinien bei φ(n=0)=90° und φ(n=1)=(90+180)°=270° auf, sodass sich eine Trennungsebene zwischen Nord- und Südpol an einer Stirnfläche bzw. der Magnetisierung des Magneten ergeben kann, die durch diese Trennlinie und seine Achse definiert ist, wobei die Achse bei der Verwendung des Magneten zur Drehwinkelerfassung der Drehachse entsprechen kann. An axially 2-pole magnetized magnet corresponding to P = 2 has insofar radial separating lines at φ (n = 0) = 90 ° and φ (n = 1) = (90 + 180) ° = 270 °, so that a separation plane between May result in north and south pole on an end face or the magnetization of the magnet, which is defined by this parting line and its axis, wherein the axis may correspond to the rotation axis in the use of the magnet for detecting the rotation angle.
Ein axial 4-polig magnetisierter erfindungsgemäßer Magnet entsprechend P=4 weist insofern radial verlaufende Trennlinien zwischen unterschiedlichen Polbereichen bei φ(n=0)=45°,
Vorzugsweise kann eine der Stirnseiten des erfindungsgemäßen Magneten im Wesentlichen eben ausgeführt sein, wobei die Achse des Magneten hierzu senkrecht verlaufen kann. Bei einer solchen Ausführungsform kann sich die veränderliche Dicke D(
Zweckmäßigerweise kann der Quotient
Um einen noch symmetrischeren Verlauf der Feldkomponente in axialer Richtung bereitzustellen, kann die Dicke
Zweckmäßigerweise kann der Koeffizient
Zweckmäßigerweise liegt der Quotient
Vorzugsweise können die Koeffizienten
Insbesondere durch Anpassung der Entwicklungskoeffizienten
Prinzipiell lässt sich der erfindungsgemäße Magnet in einer Vielzahl und an die jeweilige Anwendung angepassten Gestaltungen realisieren. Insbesondere bei scheiben-, ring- oder zylinderförmigen Magneten kann der Quotient aus dem Außenradius
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, den Koeffizienten
In solchen Fällen, bei welchen
Es kann vorgesehen sein, in solchen Rotationswinkelbereichen, bei welchen D(
Die beschriebene erfindungsgemäße Gestaltung eines mehrpolig, insbesondere zweipolig magnetisierten Magneten kann grundsätzlich mit allen Magnetwerkstoffen realisiert werden. Als besonders zweckmäßig bietet sich die Verwendung eines kunststoffgebundenen Magnetwerkstoffs wie eines Hartferritwerkstoffs an, der zu einem sehr stoffhomogenen Körper verarbeitbar ist. Die Verarbeitung des Magnetwerkstoffs kann insbesondere mittels eines Spritzgusses oder Spritzprägeverfahrens erfolgen zur Herstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Magneten.The described inventive design of a multi-pole, in particular two-pole magnetized magnet can basically be realized with all magnetic materials. Particularly useful is the use of a plastic-bonded magnetic material such as a hard ferrite material, which is processable into a very homogeneous material body. The processing of the magnetic material can be carried out in particular by means of an injection molding or injection compression molding process for producing a magnet designed according to the invention.
Erfindungsgemäß gestaltete Magnete sind aufgrund ihrer geschilderten Magnetfeldeigenschaften in einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere Anwendungen zur Drehwinkelerfassung von Teilen wie Wellen oder zur Erzeugung eines rein sinusförmigen Feldverlaufes in Elektromotoren zur Bereitstellung eines gleichmäßigen Drehmomentverlaufs und damit beispielsweise zur Geräuschverminderung oder Minimierung von Rastmomenten einsetzbar.Magnets designed according to the invention can be used in a large number of applications, in particular applications for detecting the rotation angle of parts such as shafts or for generating a purely sinusoidal field profile in electric motors for providing a uniform torque curve and thus for example for noise reduction or minimization of cogging torques, due to their described magnetic field properties.
Beispielsweise kann eine Vorrichtung zur außermittigen Winkelerfassung mindestens einen an einer Drehwelle angebrachten, axial mehrpolig, insbesondere zweipolig magnetisierten Magneten gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen, dessen axiales Magnetfeld stirnseitig durch mehrere Sensorelemente erfasst wird, mit deren Messsignalen die Drehstellung der Drehwelle ermittelbar ist, wobei der Magnet wie beschrieben zur Bereitstellung einer über den Rotationswinkel
Der Träger und/oder die Drehwelle können dabei auch ein ferromagnetisches Metall umfassen, insbesondere daraus bestehen, bei Anpassung der Parameter
Eine solche, mit einem erfindungsgemäßen Magneten ausgestattete Vorrichtung zur Winkelerfassung kann in vielen Bereichen der Technik wie der Automobiltechnik oder der Automatisierungstechnik verwendet werden. Beispielsweise kann eine solche Vorrichtung zur Drehwinkelerkennung von Kurbel- oder Nockenwellen in einem Motor für Kraftfahrzeuge verwendet werden. Eine weitere Anwendung kann beispielsweise die Bereitstellung einer sensorgesteuerten elektrischen Kommutierung bei Elektromotoren betreffen, insbesondere bei Elektromotoren, die bei hohen Drehzahlen betrieben werden.Such an angle detection device equipped with a magnet according to the invention can be used in many fields of engineering such as automotive engineering or automation technology. For example, such a device for detecting the rotation angle of crankshafts or camshafts can be used in an engine for motor vehicles. A further application may relate, for example, to the provision of sensor-controlled electrical commutation in electric motors, in particular in electric motors which are operated at high rotational speeds.
Infolge des beschriebenen extrem kurzen Antwortverhaltens einer solchen Vorrichtung aufgrund der besonderen Gestaltung des erfindungsgemäßen Magneten können mit der Erfindung auch solche Elektromotoren elektrisch kommutiert werden, die weit über 5000 oder gar 10000 Umdrehungen betrieben werden, was bislang unter Verwendung herkömmlicher Gebermagneten nicht möglich war. Dabei kann der erfindungsgemäße Magnet wie beschrieben zur schnellen und genauen Erfassung der Drehlage eines Rotors des Elektromotors verwendet werden, die Kommutierung kann mittels schneller elektronischer Schalter erfolgen. As a result of the described extremely short response behavior of such a device due to the special design of the magnet according to the invention also such electric motors can be commuted electrically, which are operated well over 5000 or even 10,000 revolutions, which was previously not possible using conventional encoder magnets. In this case, the magnet according to the invention as described can be used for fast and accurate detection of the rotational position of a rotor of the electric motor, the commutation can be done by means of fast electronic switch.
Die Erfindung wird im Folgenden durch das Beschreiben einiger Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren erläutert, wobei
-
1 einen erfindungsgemäß gestalteten axial zweipolig magnetisierten Magneten in einer perspektivischen Ansicht, -
2 eine Anordnung zur Verwendung des in1 dargestellten erfindungsgemäßen Magneten zur Drehwinkelerfassung an einer Welle in einer Prinzipdarstellung, -
3 den Verlauf des Magnetfeldes am Ort eines Sensors bei der Drehwinkelerfassung gemäß2 , -
4 entsprechend2 eine Anordnung zur Drehwinkelerfassung an einer Welle mittels eines erfindungsgemäß, in einer zweiten Ausführungsform ausgebildeten Magneten in einer Prinzipdarstellung, -
5 eine Ausführungsform eines axial 4-polig magnetisierten erfindungsgemäßen Magneten in einer Aufsicht, -
6 in einer Prinzipdarstellung eine herkömmliche Anordnung zur Drehwinkelerfassung einer Welle unter Verwendung eines gemäß dem Stand der Technik ausgebildeten axial zweipolig magnetisierten Magneten und -
7 den Verlauf des Magnetfeldes am Ort eines Sensors bei einer Drehwinkelermessung an einer Welle nach5
-
1 an inventively designed axially two-pole magnetized magnet in a perspective view, -
2 an arrangement for using the in1 illustrated magnets according to the invention for detecting the rotation angle on a shaft in a schematic representation, -
3 the course of the magnetic field at the location of a sensor in the rotation angle detection according to2 . -
4 corresponding2 an arrangement for detecting the rotation angle on a shaft by means of a magnet according to the invention, formed in a second embodiment in a schematic representation, -
5 an embodiment of an axially 4-pole magnetized magnet according to the invention in a plan view, -
6 in a schematic representation of a conventional arrangement for detecting the rotation angle of a shaft using a trained according to the prior art axially two-pole magnetized magnet and -
7 the course of the magnetic field at the location of a sensor at a rotational angle measurement on a shaft after5
Der in
Der Körper des Magneten
Eine Stirnseite
Der erfindungsgemäß gestaltete Magnet
Der Dickenverlauf des Magneten in Abhängigkeit des Rotationswinkels
Im dargestellten Beispiel der
In der dargestellten Orientierung des Magneten verläuft die Trennungslinie zwischen Nord- und Südpol auf den Radiusvektoren zu φ = 0° und φ = 270°. Die Trennebene zwischen den beiden Polen des zweipoligen Magneten wird durch diese Trennlinie und die Achse z gebildet. Dort beträgt die Dicke
In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann die Dicke
Über der gekrümmten Fläche
Die oben beschriebene weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäß gestalteten Magneten, bei welchem die Dicke nur über einen radialen Abschnitt deltaR einer erfindungsgemäßen Abhängigkeit D(
Die mit Bezug auf die
Wie obenstehend ausgeführt, ist die Erfindung nicht auf eine axial 2-polig magnetisierte Ausführung des Magneten beschränkt, stattdessen kann der Magnet auch mehr als zwei Pole an einer Stirnseite aufweisen.
In der beschriebenen Ausführungsform ist der Magnet
Wie aus
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Magnetmagnet
- 1111
- Mittenlochcenter hole
- 1212
- Ebene StirnseitePlain front side
- 1313
- Gekrümmte FlächeCurved surface
- 20, 2120, 21
- magnetfeldempfindlicher -Sensormagnetic field-sensitive sensor
- 3030
- Wellewave
- 4040
- Magnetmagnet
- 4242
- Ebene StirnflächePlane end face
- 4343
- Gekrümmte FlächeCurved surface
- 5050
- Trägercarrier
- 52, 5352, 53
- TrägerstirnflächenCarrier faces
- 7070
- Wellewave
- 8080
- Ringmagnetring magnet
- 82, 8382, 83
- Stirnflächeface
- 90, 9190, 91
- HallsensorHall sensor
- 100100
- Magnetmagnet
- 110110
- Mittenlochcenter hole
- DD
- Dickethickness
- D0 D 0
- Summationskoeffizient, minimale DickeSummation coefficient, minimum thickness
- D1, D2, D3 D4, D5 D 1 , D 2 , D 3 D 4 , D 5
- SummationskoeffizientSummation coefficient
- Dmax D max
- maximale Dickemaximum thickness
- φφ
- Rotationswinkel, DrehwinkelRotation angle, rotation angle
- NN
- NordpolNorth Pole
- SS
- SüdpolSouth Pole
- r1r1
- innerer Radiusinner radius
- r2, Ra r2, R a
- äußerer Radiusouter radius
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