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

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 Download PDF

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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.

6 zeigt in einer Prinzipdarstellung eine herkömmliche Einrichtung unter Verwendung eines herkömmlich gestalteten Ringmagneten 80 zur Ermittlung der Drehlage einer Welle 70. Dabei erstreckt sich die Welle 70 durch ein Mittenloch des Ringmagneten 80, der fest an der Welle fixiert ist und sich insofern mit dieser dreht. Demgegenüber sind zwei in Bezug auf die Drehachse 70 um 90° umfänglich beabstandete und unter gleichem radialen Abstand zur Welle angeordneten Magnetfeldsensoren in Form von Hallsensoren 90, 91 vorgesehen, welche ortsfest über einer Stirnfläche 83 des Magneten gelagert sind, beispielsweise an einem nicht dargestellten Gehäuse fixiert. Durch die Bewegung der Welle dreht sich der Ringmagnet insofern relativ zu den feststehenden Sensoren 90, 91. Wie in der Figur dargestellt, weisen die Sensoren 90, 91 einen vorgegebenen Abstand in axialer Richtung der Welle auf und erfassen das jeweilige, am Ort der Sensoren bestehende Magnetfeld, das mit der Drehung der Welle am jeweiligen Ort variiert. Der herkömmlich gestaltete Magnet 80 weist zwei parallel zueinander angeordnete ebene Stirnflächen 83, 82 auf und ist hier als axial zweipolig magnetisierter Magnet ausgebildet, der parallel zur Drehachse magnetisiert ist, sodass Nord- bzw. Südpol auf einer jeweiligen Stirnseite angeordnet sind. Da der Magnet 80 axial zweipolig ausgebildet ist, weist dieser eine in der Figur nicht dargestellte Trennebene bezüglich der Magnetisierung im Magneten auf, welche durch die Trennlinie zwischen Nord- und Südpol an einer Stirnseite und die Achse des Magneten bzw. die Drehachse der Welle 70 festgelegt ist, sodass diese Ebene mittig zum Magneten verläuft. 6 shows a schematic representation of a conventional device using a conventionally designed ring magnet 80 for determining the rotational position of a shaft 70 , The shaft extends 70 through a center hole of the ring magnet 80 , which is firmly fixed to the shaft and thus turns with this. In contrast, two are in relation to the axis of rotation 70 by 90 ° circumferentially spaced and arranged at the same radial distance from the shaft magnetic field sensors in the form of Hall sensors 90 . 91 provided, which fixed over a face 83 of the magnet are mounted, for example, fixed to a housing, not shown. As a result of the movement of the shaft, the ring magnet rotates relative to the stationary sensors 90 . 91 , As shown in the figure, the sensors are pointing 90 . 91 a predetermined distance in the axial direction of the shaft and detect the respective, existing at the location of the sensors magnetic field which varies with the rotation of the shaft at each location. The conventionally designed magnet 80 has two mutually parallel planar end faces 83 . 82 on and is designed here as an axially two-pole magnetized magnet which is magnetized parallel to the axis of rotation, so that north or south pole are arranged on a respective end face. Because the magnet 80 is formed axially two-pole, this has a parting plane, not shown in the figure with respect to the magnetization in the magnet, which by the dividing line between the north and south pole at one end face and the axis of the magnet or the axis of rotation of the shaft 70 is set so that this plane is centered to the magnet.

Bei der Drehung der Welle 70 bzw. des Magneten 80 variiert das am Ort eines Sensors 90, 91 herrschende Magnetfeld in Abhängigkeit des Drehwinkels der Welle 70. Einen typischen Verlauf des gemessenen Feldes an einem der beiden Sensoren ist in 7 in Abhängigkeit des Drehwinkels angegeben. Die beiden Sensoren erfassen diesen Feldverlauf aufgrund ihrer umfänglichen Beabstandung allein phasenverschoben, wenn sie auf gleicher axialer Höhe angeordnet und auch darüber hinaus identisch aufgebaut und orientiert sind. Wie aus 7 ersichtlich, ist der Feldverlauf, der sich nach einer Volldrehung von 360° wiederholt, vergleichsweise komplex mit den oben beschriebenen Folgen in Bezug auf die Genauigkeit und das Antwortverhalten der Drehwinkelerfassungsvorrichtung.At the rotation of the shaft 70 or the magnet 80 this varies at the location of a sensor 90 . 91 prevailing magnetic field as a function of the angle of rotation of the shaft 70 , A typical course of the measured field at one of the two sensors is in 7 specified as a function of the angle of rotation. The two sensors detect this field profile due to their circumferential spacing phase-shifted, if they are arranged at the same axial height and also constructed and oriented identically. How out 7 As can be seen, the field pattern, which repeats after a full rotation of 360 °, is comparatively complex with the consequences described above with respect to the accuracy and the response behavior of the rotation angle detection device.

Die Offenlegungsschrift DE 102 32 559 A1 betrifft einen axial mehrpolig magnetisierten Magneten in Form einer magnetischen Codescheibe, die aus zwei zusammengefügten gleichartigen Grundkörpern besteht, wobei jeder dieser Grundkörper in Messrichtung hintereinander angeordnete Magnetelemente in mehreren radial voneinander beabstandeten Spuren aufweist. Die Codescheibe weist über ihre Erstreckung eine konstante Dicke auf, wobei die Magnetelemente jeweils eines Grundkörpers kunststoffgebundene Magnete und seitlich an einen nicht magnetisierbaren Träger angespritzt sind. Die Offenlegungsschrift DE 100 12 202 A1 betrifft eine Einrichtung zur Erfassung von Bewegungsgrößen eines Geräteteils auf der Grundlage der Erfassung von Messwerten eines magnetischen und/oder Induktions-Wechselwirkungseffektes, der zwischen einem am Geräteteil angeordneten Informationsmuster und wenigstens einer für den Wechselwirkungseffekt sensitiven Messeinrichtung auftritt. Bei der Bewegung des Geräteteils läuft das Informationsmuster an der Messeinrichtung vorbei, sodass die in dem Informationsmuster als Modulation der Größe des Wechselwirkungseffekts enthaltene Information mit der Messeinrichtung als Signalspannung erfasst wird. Das Informationsmuster weist für eine vorgegebene Länge in Bewegungsrichtung eine Periode einer periodischen Funktion auf, wobei eine jeweilige Amplitude dieser Funktion in einer messtechnisch zu erfassenden Komponente des Informationsmusters enthalten ist. Die Offenlegungsschrift DE 10 2014 213 846 A1 betrifft eine magnetische Encoder-Anordnung mit einer Stützplatte sowie einem Magnetgummi, der eine Ringform aufweist und an einer hinteren Oberfläche der Stützplatte befestigt ist, wobei der Magnetgummi eine Vielzahl von vorstehenden Abschnitten und zwischen den vorstehenden Abschnitten vertieften Abschnitten aufweist. Die vorstehenden Abschnitte und die vertieften Abschnitte sind in einer Rotationsrichtung des Magnetgummis wiederholend angeordnet, wobei die vorstehenden Abschnitte als Nordpol und die vertieften Abschnitte als Südpol magnetisiert sind. Die Offenlegungsschrift JP 2005-308 559 A betrifft einen magnetischen Ringencoder mit einer Mehrzahl von umfänglich beabstandeten Rippen zur Gestaltung eines axialen mehrpolig magnetisierten Magneten. Die Offenlegungsschrift DE 44 423 71 A1 betrifft einen magnetischen Encoderring mit in Messrichtung angeordneten Magnetelementen, wobei der Encoderring zwei zusammengefügte Grundkörper umfasst und alle Magnetelemente eines Grundkörpers in einer einzigen gemeinsamen Richtung gleichsinnig magnetisiert sind. Der aus beiden Grundkörpern zusammengefügte Encoderring weist in Messrichtung abwechselnd ein Magnetelement des ersten Grundkörpers und des zweiten Grundkörpers auf, wobei das Magnetfeld der Magnetelemente des einen Grundkörpers im zusammengefügten Zustand zu dem Magnetfeld der Magnetelemente des zweiten Grundkörpers entgegengesetzt gerichtet ist. Die Offenlegungsschrift DE 10 2009 039 574 A1 betrifft ein Winkelmesssystem mit einem Magneten, der mit einem Drehbauglied gekoppelt und angepasst ist, um ein Magnetfeld zu liefern, das sich mit dem Drehbauglied um eine Achse des Drehbauglieds dreht, wobei ein Winkelsensor umfasst ist, der in dem Magnetfeld an einer radial außermittigen Position von der Drehachse angeordnet ist. Der axial mehrpolig magnetisierte Magnet ist als Ringmagnet ausgebildet mit konstanter Dicke über seine Erstreckung. Die Offenlegungsschrift DE 10 2005 019 515 A1 betrifft ein Verfahren zum Messen der Drehzahl eines elektronisch kommutierten Elektromotors, der ein Primärteil mit einer Wicklung und ein Sekundärteil mit in Umfangsrichtung zueinander versetzten, abwechselnd in zueinander entgegengesetzte Richtung magnetisierten Magnetsegmenten aufweist. Die Offenlegungsschrift DE 10 2005 021 300 A1 betrifft einen Drehgeber mit mindestens einem drehbaren Objekt und einem Sensorelement, wobei das Sensorelement ein analoges Signal in Abhängigkeit von der Drehposition des drehbaren Objektes relativ zum Sensorelement ausgibt und wobei sich eine vom Sensorelement erfasste Größe durch eine magnetische und/oder induktive Wechselwirkung zwischen dem Sensorelement und einer Umfangsoberfläche des drehbaren Objektes ändert.The publication DE 102 32 559 A1 relates to an axially multi-pole magnetized magnet in the form of a magnetic code disc, which consists of two joined similar basic bodies, each of these base body having in the measuring direction successively arranged magnetic elements in a plurality of radially spaced tracks. The code disk has a constant thickness over its extension, wherein the magnetic elements of each of a base body are molded plastic-bonded magnets and laterally to a non-magnetizable carrier. The publication DE 100 12 202 A1 relates to a device for detecting movement quantities of a device part on the basis of the detection of measured values of a magnetic and / or induction interaction effect which occurs between an information pattern arranged on the device part and at least one measuring device sensitive to the interaction effect. During the movement of the device part, the information pattern passes the measuring device, so that the information contained in the information pattern as a modulation of the magnitude of the interaction effect is detected by the measuring device as a signal voltage. The information pattern has a period of a periodic function for a predetermined length in the direction of movement, wherein a respective amplitude of this function is contained in a component of the information pattern to be detected by measurement. The publication DE 10 2014 213 846 A1 relates to a magnetic encoder assembly comprising a support plate and a magnetic rubber having a ring shape and fixed to a rear surface of the support plate, the magnetic rubber having a plurality of projecting portions and recessed portions between the projecting portions. The protruding portions and the recessed portions are repeatedly arranged in a rotational direction of the magnetic rubber, the protruding portions being magnetized as the north pole and the recessed portions being magnetized as the south pole. The publication JP 2005-308 559 A relates to a magnetic ring encoder having a plurality of circumferentially spaced ribs for forming an axial multi-pole magnetized magnet. The publication DE 44 423 71 A1 relates to a magnetic encoder ring with magnetic elements arranged in the measuring direction, the encoder ring comprising two assembled base bodies and all magnetic elements of a base body being magnetized in the same direction in a single common direction. The assembled from two basic bodies encoder ring has in the measuring direction alternately a magnetic element of the first base body and the second base body, wherein the magnetic field of the magnetic elements of the one base body in the assembled state is directed opposite to the magnetic field of the magnetic elements of the second base body. The publication DE 10 2009 039 574 A1 relates to an angle measuring system having a magnet coupled to a rotary member and adapted to provide a magnetic field rotating with the rotary member about an axis of the rotary member, comprising an angle sensor disposed in the magnetic field at a radially off-center position the axis of rotation is arranged. The axially multipolar magnetized magnet is designed as a ring magnet with a constant thickness over its extent. The publication DE 10 2005 019 515 A1 relates to a method for measuring the rotational speed of an electronically commutated electric motor having a primary part with a winding and a secondary part with circumferentially offset, magnetized in opposite directions alternately magnetized magnet segments. The publication DE 10 2005 021 300 A1 relates to a rotary encoder with at least one rotatable object and a sensor element, wherein the sensor element outputs an analog signal in dependence on the rotational position of the rotatable object relative to the sensor element and wherein a detected by the sensor element size by a magnetic and / or inductive interaction between the sensor element and a peripheral surface of the rotatable object changes.

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 φ um diese Achse eine variierende Dicke D(φ) ergibt, wobei die Dicke D(φ) auf dem zugeordneten Umfangskreis, insbesondere auf dem gesamten Umfangskreis, durch Addition einer Konstanten D0 und des Betrages einer Summe von Kosinusfunktionen mit einer Grundschwingung (1. Harmonische) und ihrer ungeradzahligen Harmonischen größer Eins (Oberschwingungen) festgelegt ist. Diese Summe umfasst erfindungsgemäß zumindest Glieder bis zur fünften Harmonischen gemäß D(φ)=D0+ABS[D1*cos(2N-1*φ)+D2*cos(2N-1*3φ)+D3*cos(2N-1*5φ)], wobei N eine vorgegebene positive ganze Zahl, D0 Null ist oder ein positiver Wert, der Quotient D2 /D1 ein negativer und der Quotient D3 /D1 ein positiver Wert ist und ABS(D1)≥ABS(D2)≥ABS(D3 ) gilt und wobei ABS[ ] bzw. ABS( ) den jeweiligen Betrag der durch die Klammer umfassten Zahl bezeichnet. Dabei kann die Angabe „positiver Wert“ bzw. „positive ganze Zahl“ die Bedeutung „größer Null“ bzw. „ganze Zahl größer Null“ besitzen, wobei D1 *cos(2N-1*φ) die Komponente der Grundschwingung darstellt. Der Winkel (φ) kann Werte im Bereich von 0° und 360° annehmen und ferner als Rotationswinkel oder Polarwinkel φ in Bezug auf die Achse bezeichnet werden. Der Koeffizient D1 kann ein positiver oder ein negativer Wert sein.The invention has the object of developing a conventional magnetically multipolar magnetized magnet with respect to the magnetic field generated by this in the direction of a rotation axis so that when using such a magnet in particular a position or angle determination simplifies. This object is achieved by the present invention with an axially multipolarly magnetized magnet having the features of claim 1. The inventively embodied magnet has a non-constant thickness with respect to an axis such that at least over a radial region, in particular over the entire radial extent of the magnet, with the rotation angle φ around this axis a varying thickness D ( φ ), the thickness D ( φ ) on the associated circumferential circle, in particular on the entire circumference circle, by adding a constant D 0 and the amount of a sum of cosine functions with a fundamental ( 1 , Harmonics) and their odd harmonics greater than one (harmonics) is set. According to the invention, this sum comprises at least members up to the fifth harmonic according to D (φ) = D 0 + ABS [D 1 * cos (2 N-1 * φ) + D 2 * cos (2 N-1 * 3φ) + D 3 * cos (2 N-1 * 5φ)], where N is a given positive integer, D 0 Is zero or a positive value, the quotient D 2 / D 1 a negative and the quotient D 3 / D 1 is a positive value and ABS (D 1 ) ≥ABS (D 2 ) ≥ABS ( D 3 ) and wherein ABS [] or ABS () denotes the respective amount of the number enclosed by the bracket. The term "positive value" or "positive integer" may have the meaning "greater than zero" or "whole number greater than zero", where D 1 * cos (2 N-1 * φ) represents the component of the fundamental. The angle ( φ ) can assume values in the range of 0 ° and 360 ° and also as rotation angle or polar angle φ in relation to the axis. The coefficient D 1 can be a positive or a negative value.

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 φ sich ändernde Dicke nicht über die gesamte radiale Erstreckung des Magneten gemäß der Summendarstellung gegeben ist, sondern nur über einen vorgegebenen radialen Abschnitt, beispielsweise über einen Bereich, der durch einen inneren Radius und einen äußeren Radius begrenzt ist. In einer weiteren Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass die über den Rotationswinkel φ sich ändernde Dicke nur über einen Drehwinkelbereich (d.h. Umfangskreisbereich) und gleichzeitig dort über einen Radiusbereich, oder über die gesamte radiale Erstreckung des Magneten, der angegebenen Summendarstellung folgt.It is possible according to the invention that the angle of rotation φ changing thickness is not given over the entire radial extent of the magnet according to the summation, but only over a predetermined radial portion, for example over a range bounded by an inner radius and an outer radius. In a further embodiment it can also be provided that the over the rotation angle φ changing thickness only over a range of rotation angle (ie circumferential circle area) and at the same time there over a radius range, or over the entire radial extent of the magnet, the specified sum representation follows.

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 φ abhängen. Vorzugsweise können all diese Parameter bei der Gestaltung eines erfindungsgemäßen Magneten und abgestuft entsprechend ihrem Einfluss auf das vom Magneten beabstandet zu diesem erzeugte Magnetfeld optimiert werden.The quality of the sinusoidal profile of the field component can be determined by the measuring radius, ie the radial distance of the sensor to the axis, the measuring distance over the end face, the material homogeneity of the magnet, the homogeneity of the magnetization in the magnet and depending on the number of summation elements in the given Sum display for the variation of the thickness of the magnet over the rotation angle φ depend. Preferably, all of these parameters can be optimized in the design of a magnet according to the invention and graduated according to their influence on the magnetic field generated by the magnet spaced therefrom.

Zweckmäßigerweise kann der erfindungsgemäße Magnet als axial P-polig ausgebildet ist, wobei die Polzahl P durch P=2N festgelegt ist, und wobei N wie oben angegeben eine vorgegebene positive ganze Zahl ist. Insofern kann der erfindungsgemäße, axial magnetisierte Magnet an einer vorgegebenen Stirnseite eine Mehrzahl von Polwechsel zwischen Süd- und Nordpolen aufweisen, also je nach Gestaltung des Magneten 2, 4, 8, 16, 32, 64 oder 128 bzw. noch mehr Polwechsel. An der gegenüberliegenden Stirnseite kann der Magnet die gleiche Anzahl von Polwechsel aufweisen.Conveniently, the magnet according to the invention is designed as an axial P-pole, wherein the number of poles P is set by P = 2 N , and where N as stated above, is a given positive integer. In this respect, the inventive, axially magnetized magnet can have a plurality of pole changes between south and north poles at a predetermined end face, that is, depending on the design of the magnet 2 . 4 . 8th . 16 . 32 . 64 or 128 or even more pole changes. At the opposite end side, the magnet may have the same number of pole changes.

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°, φ ( n = 1 ) = ( 45 + 90 ) ° = 135 ° ,   φ ( n = 2 ) = ( 45 + 180 ) ° = 225 °

Figure DE102015104795B4_0002
und φ ( n = 3 ) = ( 45 + 270 ) ° = 315 °
Figure DE102015104795B4_0003
auf.An axially 4-pole magnetized magnet according to the invention corresponding to P = 4 has radially extending separating lines between different pole regions at φ (n = 0) = 45 °, φ ( n = 1 ) = ( 45 + 90 ) ° = 135 ° . φ ( n = 2 ) = ( 45 + 180 ) ° = 225 °
Figure DE102015104795B4_0002
and φ ( n = 3 ) = ( 45 + 270 ) ° = 315 °
Figure DE102015104795B4_0003
on.

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(φ) in Abhängigkeit des Rotationswinkels φ auf die besagte ebene Stirnfläche beziehen.Preferably, one of the end faces of the magnet according to the invention can be made substantially planar, wherein the axis of the magnet can extend perpendicular thereto. In such an embodiment, the variable thickness D ( φ ) as a function of the angle of rotation φ refer to said flat face.

Zweckmäßigerweise kann der Quotient D2 /D1 aus den beiden Entwicklungskoeffizienten D2 und D1 im Intervall von -0,2 bis -0,05 und der Quotient D3 /D1 der beiden Entwicklungskoeffizienten D3 und D1 im Intervall 0,1 bis 0,01 liegen. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Gestaltung eines erfindungsgemäßen axial zweipolig magnetisierten Magneten herausgestellt, bei dem die Dicke so variiert, dass die Quotienten D2/D1 =-0,12 und D3 /D1 =0,04 betragen.Conveniently, the quotient D 2 / D 1 from the two development coefficients D 2 and D 1 in the interval from -0.2 to -0.05 and the quotient D 3 / D 1 the two development coefficients D 3 and D 1 in the interval 0.1 to 0.01. Particularly advantageous is a design of an axial two-pole magnetized magnet according to the invention has been found in which the thickness varies so that the quotients D 2 / D 1 = -0.12 and D 3 / D 1 = 0.04.

Um einen noch symmetrischeren Verlauf der Feldkomponente in axialer Richtung bereitzustellen, kann die Dicke D in Abhängigkeit des Rotationswinkels φ unter Berücksichtigung weiterer ungeradzahliger harmonischer Entwicklungsglieder eingestellt sein. Dies betrifft beispielsweise das Glied D4*cos(2N-1*7φ) sowie gegebenenfalls D5 *cos(2N-1*9φ). Diese Glieder werden zur Bestimmung von D mit den weiteren, obenstehend angegebenen Summengliedern addiert, von der Summe der Betragswert ermittelt und dann zu der Konstanten D0 addiert.In order to provide an even more symmetrical course of the field component in the axial direction, the thickness D depending on the rotation angle φ be adjusted in consideration of other odd-numbered harmonic development members. This applies, for example, the term D 4 * cos (2 N-1 * 7φ) and optionally D 5 * cos (2 N-1 * 9φ). These terms are added to determine the sum of the other sum members given above, from the sum of the magnitude value and then to the constant D 0 added.

Zweckmäßigerweise kann der Koeffizient D4 negativ und der Koeffizient D5 Null oder positiv sein.Conveniently, the coefficient D 4 negative and the coefficient D 5 Be zero or positive.

Zweckmäßigerweise liegt der Quotient D4 /D1 im Bereich zwischen -0,005 und -0,05 und der Quotient D5 /D1 im Bereich von 0 bis 0,02. Besonders zweckmäßig kann der Quotient D4 /D1 -0,02 und der Quotient D5 /D1 0,01 betragen.Conveniently, the quotient D 4 / D 1 in the range between -0.005 and -0.05 and the quotient D 5 / D 1 in the range of 0 to 0.02. Particularly useful may be the quotient D 4 / D 1 -0.02 and the quotient D 5 / D 1 0.01.

Vorzugsweise können die Koeffizienten D1 , D2 , D3 und gegebenenfalls D4 und D5 so gewählt werden, dass der Verlauf des axialen Magnetfeldes des erfindungsgemäßen Magneten, d.h. der Verlauf des Magnetfeldes parallel zur Achse am Messort über dem Magneten über einen Umfangskreis mit konstantem Radius einen Klirrfaktor, d.h. einen Oberschwingungsgehalt, von weniger als 2 %, insbesondere weniger als 1 % oder gar weniger als 0,5 % in Bezug auf einen idealen sinusförmigen Verlauf aufweist. Dabei kann bei hoher Stoffhomogenität des Magneten und vollständiger Magnetisierung durch Berücksichtigung von weiteren Summengliedern bzw. diesbezüglichen Koeffizienten die Symmetrisierung der Feldstärke in Abhängigkeit des Rotationswinkels φ noch weiter verbessert werden.Preferably, the coefficients D 1 . D 2 . D 3 and optionally D 4 and D 5 be chosen so that the course of the axial magnetic field of the magnet according to the invention, ie the course of the magnetic field parallel to the axis at the measuring location over the magnet over a circle circle with constant radius harmonic distortion, ie a harmonic content of less than 2%, in particular less than 1 % or even less than 0.5% with respect to an ideal sinusoidal course. In this case, with high homogeneity of the magnet and complete magnetization by taking into account further summation elements or related coefficients, the symmetrization of the field strength as a function of the rotation angle φ be further improved.

Insbesondere durch Anpassung der Entwicklungskoeffizienten D0 , D1 , D2 , D3 und gegebenenfalls D4 und D5 innerhalb der angegebenen Bereiche an den eingestellten Messradius und den Messabstand kann das vom Magneten am Ort des Sensors erzeugte axiale Magnetfeld optimal an den gewünschten sinusförmigen Verlauf angenähert werden.In particular, by adjusting the development coefficients D 0 . D 1 . D 2 . D 3 and optionally D 4 and D 5 Within the specified ranges at the set measuring radius and the measuring distance, the axial magnetic field generated by the magnet at the location of the sensor can be optimally approximated to the desired sinusoidal course.

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 Ra und der Dicke D(0°) entsprechend Dmax zwischen 1 und 10, insbesondere zwischen 2 und 6 liegen. In ähnlicher Weise kann der Absolutbetrag des Quotienten aus dem Außenradius Ra und dem Koeffizienten D1 etwa zwischen 1 und 10, insbesondere etwa zwischen 2 und 6 liegen.In principle, the magnet according to the invention can be implemented in a large number of configurations adapted to the respective application. In particular, in disc, ring or cylindrical magnets, the quotient of the outer radius R a and the thickness D (0 °) accordingly D max between 1 and 10, especially between 2 and 6. Similarly, the absolute value of the quotient may be the outer radius R a and the coefficient D 1 are between about 1 and 10, in particular between about 2 and 6.

Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, den Koeffizienten D0 , d. h. die Dicke D(90°)=D(270°) bei einem axial 2-polig magnetisierten erfindungsgemäßen Magneten so einzustellen, dass bei der Handhabung des Magneten, insbesondere bei der Montage keine Bruchgefahr besteht, sondern dass der Magnet als einteilig zusammenhängendes Teil hergestellt und verarbeitbar ist.Conveniently, the coefficient can be provided D 0 , ie the thickness D (90 °) = D (270 °) in an axially 2-pole magnetized magnet according to the invention to adjust so that when handling the magnet, in particular during assembly there is no risk of breakage, but that the magnet as a one-piece coherent part is manufactured and processable.

In solchen Fällen, bei welchen D0 in der Entwicklung von D(φ) klein ist, sodass eine Bruchgefahr besteht, kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass die Dicke D des Magneten ein bestimmtes Minimum nicht unterschreitet, d.h. in bestimmten Winkelbereichen der besagten Summen- bzw. Entwicklungsformel nicht folgt.In such cases, in which D 0 in the development of D ( φ ) is small, so there is a risk of breakage, it may be expediently provided that the thickness D of the magnet does not fall below a certain minimum, ie does not follow in certain angular ranges of said sum or development formula.

Es kann vorgesehen sein, in solchen Rotationswinkelbereichen, bei welchen D(φ) gemäß der Entwicklungsformel kleiner als eine vorgegebene Minimaldicke Dmin berechnet wird, die Dicke D auf einen Wert >Dmin nach unten zu begrenzen. Damit weist die Magnetdicke in diesen Rotationswinkelbereichen, d.h. im Falle eines axial 2-polig magnetisierten Magneten in Bereichen um die Winkel φ=90° und φ = 270°, eine Abweichung von der Reihenentwicklung ab. Dies kann zum Teil durch Anpassung der Parameter D0, D1, D3, D5 etc. innerhalb der oben angegebenen erfindungsgemäßen Parameterbereiche kompensiert werden, ohne eine wesentliche Einschränkung bezüglich der Genauigkeit bei der Lage- oder Winkelermittlung hinzunehmen. Die Kompensation ist besonders wirksam, wenn die Dicke D in Abhängigkeit des Rotationswinkels über einen geringen Teil des Winkelintervalls von 360° nicht der angegebenen Reihenentwicklung entspricht, beispielsweise im Falle eines axial 2-polig magnetisierten Magneten im Bereich von 70° bis 110° und 250° bis 290°, insbesondere in den Bereichen zwischen 80° und 100° sowie 260° und 280°. Axial höherpolig magnetisierte erfindungsgemäße Magnete können in dieser Hinsicht entsprechend ausgebildet sein.It can be provided in such rotation angle ranges, in which D ( φ ) is calculated smaller than a predetermined minimum thickness Dmin according to the development formula, the thickness D to a value> Dmin down limit. Thus, the magnet thickness in these rotation angle ranges, ie in the case of an axially 2-pole magnetized magnet in areas around the angle φ = 90 ° and φ = 270 °, a deviation from the series development. This can be done in part by adjusting the parameters D0 . D1 . D3 . D5 etc. can be compensated within the above-specified parameter ranges according to the invention, without accepting a significant restriction with regard to the accuracy in the position or angle determination. The compensation is especially effective when the thickness D depending on the angle of rotation over a small part of the angular interval of 360 ° does not correspond to the specified series development, for example in the case of an axially 2-pole magnetized magnet in the range of 70 ° to 110 ° and 250 ° to 290 °, especially in the areas between 80 ° and 100 ° and 260 ° and 280 °. Axially higher pole magnetized magnets according to the invention can be designed accordingly in this regard.

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 φ veränderlichen Magnetfeldstärke ausgebildet ist. Zweckmäßigerweise kann der Magnet als Ringmagnet mit einem Träger, beispielsweise aus Kunststoff oder Metall, z.B. durch Aufspritzen oder Verklebung verbunden sein, der den Magneten axial und ggf. in Teilbereichen am Umfang hält, wobei der Träger an der Drehwelle stoff- oder kraftschlüssig befestigt ist. Dabei können die Sensorelemente ortsfest, beispielsweise am Gehäuse und beabstandet zu einer Stirnseite des Magneten befestigt sein, sodass sich der Magnet unter bzw. über den Sensorelementen dreht.For example, a device for eccentric angle detection comprise at least one mounted on a rotary shaft, axially multipolar, in particular two-pole magnetized magnet according to the present invention, the axial magnetic field is detected by several front end sensor elements, with their measurement signals, the rotational position of the rotary shaft can be determined, wherein the magnet as described for providing one over the angle of rotation φ variable magnetic field strength is formed. Conveniently, the magnet may be connected as a ring magnet with a carrier, for example made of plastic or metal, for example by spraying or gluing, which holds the magnet axially and possibly in partial areas on the circumference, wherein the carrier is fixed to the rotating shaft material or non-positively. In this case, the sensor elements may be stationary, for example, fixed to the housing and spaced from one end face of the magnet, so that the magnet rotates below or above the sensor elements.

Der Träger und/oder die Drehwelle können dabei auch ein ferromagnetisches Metall umfassen, insbesondere daraus bestehen, bei Anpassung der Parameter D0, D1, D3, D4, D5 etc. innerhalb der erfindungsgemäßen Parameterbereiche.The carrier and / or the rotary shaft can also comprise a ferromagnetic metal, in particular consist of, when adjusting the parameters D0 . D1 . D3 . D4 . D5 etc. within the parameter ranges according to the invention.

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 in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Magneten zur Drehwinkelerfassung an einer Welle in einer Prinzipdarstellung,
  • 3 den Verlauf des Magnetfeldes am Ort eines Sensors bei der Drehwinkelerfassung gemäß 2,
  • 4 entsprechend 2 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 nach 5
zeigt.The invention will be explained in the following by describing some embodiments with reference to the attached figures, wherein
  • 1 an inventively designed axially two-pole magnetized magnet in a perspective view,
  • 2 an arrangement for using the in 1 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 to 2 .
  • 4 corresponding 2 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 after 5
shows.

Der in 1 dargestellte Magnet 10 ist aus einem kunststoffgebundenen Hartferritwerkstoff hergestellt und weist eine ringartige Grundform mit einem Mittenloch 11 auf. Die Gestaltung des erfindungsgemäßen Magneten soll im Folgenden in Bezug auf das angegebene Koordinatensystem beschrieben werden.The in 1 illustrated magnet 10 is made of a plastic-bonded Hartferritwerkstoff and has a ring-like basic shape with a center hole 11 on. The design of the magnet according to the invention will be described below with reference to the indicated coordinate system.

Der Körper des Magneten 10 weist ein Mittenloch auf und erstreckt sich zwischen dem inneren Radius r1 und dem äußeren Radius r2, wobei das Verhältnis im angegebenen Beispiel etwa 2:1 beträgt.The body of the magnet 10 has a center hole and extends between the inner radius r1 and the outer radius r2 , wherein the ratio in the example given is about 2: 1.

Eine Stirnseite 12 des Magneten ist eben gestaltet und liegt in der Darstellung der 1 in der XY-Ebene des angegebenen Koordinatensystems. Die der Stirnseite 12 gegenüber liegende Stirnseite des Magneten 10 stellt eine gekrümmte Fläche 13 dar und ist in Abhängigkeit des Rotationswinkels φ strukturiert, sodass die Dicke D des Magneten 10, d.h. die Erstreckung in z-Richtung, mit dem Rotationswinkel φ variiert. Dabei wird der Winkel φ in der xy-Ebene gemessen und beschreibt insofern den Drehwinkel um die z-Achse, siehe den beispielhaft angegebenen Radiusvektor r in 1. Die Dickenstrukturierung des Magneten 10 ist in der beschriebenen Ausführungsform in radialer Richtung symmetrisch, d.h. der Magnet weist - abgesehen vom Mittenloch - in eine beliebige radiale Richtung, d.h. für φ = konstant, immer die gleiche Dicke auf, unabhängig vom Abstand zur Mitte.A front page 12 The magnet is flat and lies in the representation of 1 in the XY plane of the specified coordinate system. The front side 12 opposite end face of the magnet 10 represents a curved surface 13 and is dependent on the angle of rotation φ structured so the thickness D of the magnet 10 , ie the extension in the z-direction, with the rotation angle φ varied. This is the angle φ Measured in the xy plane and thus describes the angle of rotation about the z-axis, see the example given radius vector r in 1 , The thickness structuring of the magnet 10 is symmetrical in the described embodiment in the radial direction, that is, the magnet has - apart from the center hole - in any radial direction, ie for φ = constant, always the same thickness, regardless of the distance to the center.

Der erfindungsgemäß gestaltete Magnet 10 ist axial zweipolig magnetisiert, d.h. die Magnetisierung im Innern des Magneten verläuft parallel zur z-Achse, wobei jeder der beiden Stirnseiten jeweils hälftig einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen Südpol bereitstellt. Diese beiden Pole an einer Stirnfläche sind naturgemäß zu den beiden Polen der anderen Stirnfläche um 180 Grad versetzt.The inventively designed magnet 10 is axially double-pole magnetized, ie the magnetization in the interior of the magnet is parallel to the z-axis, each of the two end faces in each case provides half a magnetic north pole and a magnetic south pole. These two poles on one end face are naturally offset by 180 degrees to the two poles of the other end face.

Der Dickenverlauf des Magneten in Abhängigkeit des Rotationswinkels φ kann beschrieben werden durch: D ( φ ) = D 0 + A B S [ D 1 * cos ( φ ) + D 2 * cos ( 3 φ ) + D 3 * cos ( 5 φ ) + D 4 * cos ( 7 φ ) ] .

Figure DE102015104795B4_0004
The thickness of the magnet as a function of the angle of rotation φ can be described by: D ( φ ) = D 0 + A B S [ D 1 * cos ( φ ) + D 2 * cos ( 3 φ ) + D 3 * cos ( 5 φ ) + D 4 * cos ( 7 φ ) ] ,
Figure DE102015104795B4_0004

Im dargestellten Beispiel der 1 sind die Parameter r1=8mm, r2=15mm, D0=0,5mm, D1=6mm, D2/D1=-0,133, D3/D1=+0,055, D4/D1=-0,0267, wobei das Magnetfeld durch die beiden Sensoren gemessen wird auf einem Radius r = 12 mm zur Achse und einer Höhe von 1 mm über der höchsten Erhebung auf der wellenförmigen Struktur auf der zum Sensor liegenden Stirnseite 13.In the example shown the 1 The parameters are r1 = 8mm, r2 = 15mm, D0 = 0.5mm, D1 = 6mm, D2 / D1 = -0.133, D3 / D1 = + 0.055, D4 / D1 = -0.0267, with the magnetic field passing through the two Sensors measured is at a radius r = 12 mm to the axis and a height of 1 mm above the highest elevation on the undulating structure on the front side facing the sensor 13 ,

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 D0 , während die größte Dicke Dmax bei φ = 0° und φ = 180° eingestellt ist.In the illustrated orientation of the magnet, the dividing line between north and south poles on the radius vectors is φ = 0 ° and φ = 270 °. The dividing plane between the two poles of the two-pole magnet is formed by this dividing line and the axis z. There is the thickness D 0 while the largest thickness D max is set at φ = 0 ° and φ = 180 °.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann die Dicke D des erfindungsgemäßen Magneten auch in radialer Richtung, d.h. mit radialem Abstand zur Mitte, variieren. Beispielsweise kann ein solcher Magnet wiederum ringartig aufgebaut sein, wobei die Dicke über einen radialen Abschnitt deltaR, der erfindungsgemäßen Abhängigkeit D(φ) folgt und radial außerhalb dieses Abschnittes anders verläuft, z.B. konstant ist oder einer anderen erfindungsgemäßen Entwicklung D(φ) mit unterschiedlichem D0 folgt.In an embodiment, not shown, the thickness D of the magnet according to the invention also in the radial direction, ie with a radial distance to the center, vary. By way of example, such a magnet can in turn be of annular construction, the thickness being distributed over a radial section deltaR, the dependency D (according to the invention). φ ) and radially outside of this section is different, eg constant or another development according to the invention D ( φ ) with different D 0 follows.

2 zeigt in einer Prinzipdarstellung die Verwendung eines Magneten gemäß 1, hier mit D0 = 0, zur Erfassung der Drehstellung einer Welle 30. In der beschriebenen Ausführungsform ist der Magnet 40 auf einem Träger 50 angeordnet, welcher je nach Ausführungsform beispielsweise aus einem ferromagnetischen oder magnetischen Material bestehen kann. Der Träger 50 ist ringförmig ausgebildet mit zwei ebenen Stirnflächen 52, 53, wobei auf letzterer der Magnet 40 mit seiner ebenen Stirnfläche 42 aufliegt. Die Verwendung des Trägers kann je nach Anwendung den Vorteil aufweisen, dass sich die Handhabbarkeit des Magneten, insbesondere bei der Montage an der Welle vereinfacht. Ferner kann bei dieser Gestaltung das nullte Glied D0 auf 0 gesetzt werden, was in bestimmten Anwendungen vorteilhaft sein kann. Der Träger 50 ist mit dem Magneten 40 fest verbunden und beispielsweise durch Kleben an der Welle 30 befestigt. Träger 50 und Magnet 40 werden insofern mit der Welle 30 mitbewegt. 2 shows a schematic representation of the use of a magnet according to 1 , herewith D 0 = 0, for detecting the rotational position of a shaft 30 , In the described embodiment, the magnet is 40 on a carrier 50 arranged, which may for example consist of a ferromagnetic or magnetic material depending on the embodiment. The carrier 50 is annular with two flat faces 52 . 53 , where on the latter the magnet 40 with its flat face 42 rests. Depending on the application, the use of the carrier may have the advantage that the handling of the magnet, in particular during assembly on the shaft, is simplified. Furthermore, in this design, the zeroth member D 0 on 0 which may be advantageous in certain applications. The carrier 50 is with the magnet 40 firmly connected and, for example by gluing on the shaft 30 attached. carrier 50 and magnet 40 become so with the wave 30 moved.

Über der gekrümmten Fläche 43 des Magneten sind umfänglich um 90° beabstandet zwei magnetfeldempfindliche Sensoren 20, 21 an einem zur Welle ortsfesten Bauteil wie einem Gehäuse befestigt. Die Sensoren können das Magnetfeld z.B. mit Hilfe des Hall-Effektes oder magnetoresistiv erfassen. In der beschriebenen Ausführungsform sind beide Sensoren auf gleicher axialer Höhe zur Welle 30 platziert und identisch aufgebaut und orientiert, wobei der Magnet während seiner Bewegung die beiden Sensoren nicht berührt.Over the curved surface 43 of the magnet are circumferentially spaced by 90 ° two magnetic field sensitive sensors 20 . 21 attached to a stationary to the shaft component such as a housing. The sensors can detect the magnetic field, for example by means of the Hall effect or magnetoresistive. In the described embodiment, both sensors are at the same axial height to the shaft 30 placed and identically constructed and oriented, the magnet does not touch the two sensors during its movement.

3 zeigt die Variation des an einem Sensor 20, 21 gemessenen magnetischen Feldes bei der Drehung des Magneten 40 über einen Vollkreis, ermittelt für einen Magneten aus kunststoffgebundenem anisotropen Hartferrit und dem Messabstand sowie den Abmessungen gemäß der Parameterangaben zu 1. Erkennbar entspricht der Verlauf der Magnetfeldkomponente in z-Richtung, d.h. in axialer Richtung, über den Rotationswinkel in sehr guter Näherung einem sinusförmigen Verlauf, was die nachfolgende Signalverarbeitung zur Bestimmung des Drehwinkels der Welle 30 wesentlich erleichtert. Da die Signale beider Sensoren 20, 21 um 90° phasenverschoben sind, ergibt sich der Drehwinkel φ auf einfache Weise durch eine Arkustangensbildung des Verhältnisses des Sinuswellensignals durch das Kosinuswellensignal. 3 shows the variation of the on a sensor 20 . 21 measured magnetic field during the rotation of the magnet 40 over a full circle, determined for a magnet made of plastic-bonded anisotropic hard ferrite and the measuring distance as well as the dimensions according to the parameter data for 1 , Recognizable corresponds to the course of the magnetic field component in the z-direction, ie in the axial direction, over the rotation angle in a very good approximation a sinusoidal course, which is the subsequent signal processing for determining the rotation angle of the shaft 30 much easier. Because the signals of both sensors 20 . 21 phase-shifted by 90 °, the angle of rotation results φ in a simple way by arctangent forming the ratio of the sine wave signal through the cosine wave signal.

4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Anordnung zur Drehwinkelbestimmung einer Welle unter Verwendung eines Magneten, wie er in Bezug auf 1 beschrieben wurde. Bei dieser Ausführungsform ist der Magnet 10 selbst an der Welle 30 befestigt, beispielsweise durch ein Klebeverfahren. Da hier D0 ≠ 0, kann der Magnet ohne Träger gehandhabt werden. Auch dieser Magnet erzeugt an jedem der Sensoren 20, 21, jedoch phasenverschoben, ein im Wesentlichen sinusförmiges Signal, das einen extrem geringen Anteil an Oberwellen aufweist mit den beschriebenen Vorteilen bezüglich der Genauigkeit bei der Bestimmung des Drehwinkels und des zeitlichen Ansprechverhaltens einer solchen Vorrichtung. 4 shows a second embodiment of an arrangement for determining the rotational angle of a shaft using a magnet, as in relation to 1 has been described. In this embodiment, the magnet 10 even on the wave 30 attached, for example by an adhesive method. Here D 0 ≠ 0, the magnet can be handled without a carrier. This magnet also generates on each of the sensors 20 . 21 but out of phase, a substantially sinusoidal signal having an extremely small amount of harmonics with the described advantages in accuracy in determining the angle of rotation and the temporal response of such a device.

Die oben beschriebene weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäß gestalteten Magneten, bei welchem die Dicke nur über einen radialen Abschnitt deltaR einer erfindungsgemäßen Abhängigkeit D(φ) folgt, jedoch in anderen radialen Bereichen unterschiedlich wie z.B. konstant sein kann oder einer anderen Entwicklung D(φ), z.B. mit unterschiedlichem D0 ≠ 0 folgt, kann in einer Anwendung gemäß der 2 und 4 einerseits wie beschrieben zur Erfassung des Drehwinkels einer Welle verwendet werden. Darüber hinaus kann damit auch erfasst werden, wenn sich die Welle aus einer vorgegebenen Lage in Querrichtung zur Achse bewegt.The above-described further embodiment of a magnet designed according to the invention, in which the thickness is limited only over a radial section deltaR of a dependency D (FIG. φ ), but may be different in other radial regions, such as constant, or some other development D ( φ ), eg with different ones D 0 ≠ 0 follows, in an application according to the 2 and 4 on the one hand as described used for detecting the rotation angle of a shaft. In addition, it can also be detected when the shaft moves from a predetermined position in the transverse direction to the axis.

Die mit Bezug auf die 2 und 4 beschriebenen Drehwinkelerfassungen sind insbesondere im Bereich der Automobiltechnik z.B. bei der Erfassung von Verbrennungsmotor- oder Antriebskomponenten und der elektrischen Antriebstechnik einsetzbar. Sie können beispielsweise zur Erfassung der Drehung einer Kurbel- oder Nockenwelle in einem Motor oder zur sensorgesteuerten elektrischen Kommutierung bei Elektromotoren eingesetzt werden.The referring to the 2 and 4 rotation angle detectors described are particularly useful in the field of automotive technology, for example in the detection of internal combustion engine or drive components and the electric drive technology. For example, you can capture the rotation of a Crankshaft or camshaft used in a motor or for sensor-controlled electrical commutation in electric motors.

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. 5 zeigt in einer Aufsicht einen axial 4-polig magnetisierten Ringmagneten 100 mit einem Mittenloch 110 und zwei Südpol- und zwei Nordpol-Abschnitten (S, N) an der sichtbaren Stirnseite, wobei die Z- und damit Drehachse senkrecht zur Zeichnungsebene verläuft. Auch die Magnetisierung im Innern des Magneten 100 verläuft wiederum parallel zur Drehachse, d.h. in der Figur senkrecht zur Zeichnungsebene.As stated above, the invention is not limited to an axially 2-pole magnetized embodiment of the magnet, but instead the magnet can also have more than two poles on one end face. 5 shows in a plan view an axially 4-pole magnetized ring magnet 100 with a center hole 110 and two South Pole and two North Pole sections ( S . N ) on the visible end face, wherein the Z axis and thus axis of rotation perpendicular to the plane of the drawing. Also the magnetization inside the magnet 100 in turn runs parallel to the axis of rotation, ie in the figure perpendicular to the plane of the drawing.

In der beschriebenen Ausführungsform ist der Magnet 100 in radialer Richtung gleich aufgebaut, d.h. D(φ) hängt nicht von der Entfernung zur Mitte des Magneten, sondern allein vom Winkel (φ) ab. Die der in der 5 sichtbaren Stirnseite gegenüberliegende Stirnseite ist wie die des Magnetes der 1 eben. Mit P=4 und damit N=2 ergibt sich die Dickenstrukturierung D(φ) in z-Richtung unter Berücksichtigung von Summenglieder bis zur fünften Harmonischen zu D ( φ ) = D 0 + A B S [ D 1 * cos ( 2 * φ ) + D 2 * cos ( 2 * 3 φ ) + D 3 * cos ( 2 * 5 φ ) ] .

Figure DE102015104795B4_0005
In the described embodiment, the magnet is 100 constructed in the radial direction, ie D ( φ ) does not depend on the distance to the center of the magnet, but solely on the angle ( φ ). The in the 5 visible front side opposite end face is like that of the magnet of the 1 just. With P = 4 and thus N = 2, the thickness structuring D ( φ ) in the z direction, taking into account summing elements up to the fifth harmonic D ( φ ) = D 0 + A B S [ D 1 * cos ( 2 * φ ) + D 2 * cos ( 2 * 3 φ ) + D 3 * cos ( 2 * 5 φ ) ] ,
Figure DE102015104795B4_0005

Wie aus 5 ersichtlich, weist der axial 4-polig magnetisierte, erfindungsgemäße Magnet 100 entsprechend P=4 und N=2 radial verlaufende Trennlinien zwischen unterschiedlichen Polbereichen bei φ(n=0)=45°, φ(n=1)=(45+90)° =135°, φ(n=2)=(45+180)°=225° und φ(n=3)=(45+270)°=315° auf. An diesen Winkeln 45°, 135°, 225° und 315° beträgt die Dicke des Magneten D(φ)=D0. In entsprechender Weise beträgt an den Winkeln 0°, 90°, 180° und 270° die Dicke des Magneten D(φ)=Dmax, wobei Dmax die größte Dicke des Magneten, d.h. seine größte Erstreckung in z-Richtung angibt. Wie der Fachmann erkennt, können auch die höherpoligen erfindungsgemäßen Magnete vorteilhaft aufgrund ihrer rein sinusförmigen Magnetfeldkomponente in z-Richtung für die mit Bezug auf axial zweipolig magnetisierten Magnete oben beschriebenen Anwendungen eingesetzt werden.How out 5 can be seen, the axially 4-pole magnetized magnet according to the invention 100 corresponding to P = 4 and N = 2 radially extending separating lines between different pole regions at φ (n = 0) = 45 °, φ (n = 1) = (45 + 90) ° = 135 °, φ (n = 2) = ( 45 + 180) ° = 225 ° and φ (n = 3) = (45 + 270) ° = 315 °. At these angles 45 °, 135 °, 225 ° and 315 °, the thickness of the magnet D (φ) = D 0 . Correspondingly, at the angles 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °, the thickness of the magnet D (φ) = D max , where D max indicates the largest thickness of the magnet, ie its largest extension in the z-direction. As the person skilled in the art realizes, the higher-pole magnets according to the invention can also advantageously be used on the basis of their purely sinusoidal magnetic field component in the z-direction for the applications described above with respect to axially two-pole magnetized magnets.

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

Claims (14)

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 D0 und des Betrages einer Summe von Kosinusfunktionen mit einer Grundschwingung und ihrer ungeradzahligen Harmonischen, umfassend zumindest Glieder bis zur fünften Harmonischen gemäß D ( φ ) = D 0 + A B S [ D 1 * cos ( 2 N 1 * φ ) + D 2 * cos ( 2 N 1 * 3 φ ) + D 3 * cos ( 2 N 1 * 5 φ ) ] ,
Figure DE102015104795B4_0006
wobei N eine vorgegebene positive ganze Zahl, D0 Null oder ein positiver, der Quotient D2/D1 ein negativer und der Quotient D3/D1 ein positiver Wert ist, ABS(D1)≥ABS(D2)≥ABS(D3) gilt und wobei ABS[ ] bzw. ABS( ) den jeweiligen Betrag der durch die Klammer umfassten Zahl bezeichnet.
Axial multi-pole magnetized magnet (10, 40, 100) which has a thickness D (φ) varying over the angle of rotation (φ) at least in a radial region, the thickness D (φ) resulting from the addition of a constant D 0 and the magnitude of a sum of cosine functions having a fundamental and its odd-numbered harmonics, comprising at least members up to the fifth harmonic according to D ( φ ) = D 0 + A B S [ D 1 * cos ( 2 N - 1 * φ ) + D 2 * cos ( 2 N - 1 * 3 φ ) + D 3 * cos ( 2 N - 1 * 5 φ ) ] .
Figure DE102015104795B4_0006
where N is a predetermined positive integer, D 0 is zero or a positive, the quotient D 2 / D 1 is a negative, and the quotient D 3 / D 1 is a positive value, ABS (D 1 ) ≥ABS (D 2 ) ≥ABS (D 3 ) and where ABS [] or ABS () denotes the respective amount of the number enclosed by the bracket.
Magnet (10, 40, 100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet axial P-polig ausgebildet ist, wobei die Polzahl P durch P=2N festgelegt ist, und jeweils eine Trennlinie zwischen Nord- und Südpol durch einen Radiusvektor zu φ(n)=((180/P)+n*(360/P))° bestimmt ist, wobei n über eine Menge von natürlichen Zahlen einschließlich Null {0;1;2;....(P-1)} verläuft.Magnet (10, 40, 100) after Claim 1 , characterized in that the magnet is formed axially P-pole, wherein the pole number P is defined by P = 2 N , and in each case a dividing line between the north and south poles by a radius vector to φ (n) = ((180 / P) + n * (360 / P)) ° where n is over a set of natural numbers including zero {0; 1; 2; .... (P-1)}. Magnet (10, 40, 100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnseite des Magneten eben ist.Magnet (10, 40, 100) after Claim 1 or 2 , characterized in that an end face of the magnet is flat. Magnet (10, 40, 100) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient D2/D1 im Intervall -0,2 bis -0,05 und der Quotient D3/D1 im Intervall 0,1 bis 0,01 liegt.Magnet (10, 40, 100) after Claim 1 . 2 or 3 , characterized in that the quotient D 2 / D 1 in the interval -0.2 to -0.05 and the quotient D 3 / D 1 in the interval 0.1 to 0.01. Magnet (10, 40, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke D(φ) durch Berücksichtigung weiterer Summenglieder D4 und D5 gemäß der Formel D ( φ ) = D 0 + A B S [ D 1 * cos ( 2 N 1 * φ ) + D 2 * cos ( 2 N 1 * 3 φ ) + D 3 * cos ( 2 N 1 * 5 φ ) + D 4 * cos ( 2 N 1 * 7 φ ) + D 5 * cos ( 2 N 1 * 9 φ ) ]
Figure DE102015104795B4_0007
bestimmt ist, wobei D3 negativ und D5 Null oder positiv ist.
Magnet (10, 40, 100) according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness D (φ) by taking into account further summing elements D 4 and D 5 according to the formula D ( φ ) = D 0 + A B S [ D 1 * cos ( 2 N - 1 * φ ) + D 2 * cos ( 2 N - 1 * 3 φ ) + D 3 * cos ( 2 N - 1 * 5 φ ) + D 4 * cos ( 2 N - 1 * 7 φ ) + D 5 * cos ( 2 N - 1 * 9 φ ) ]
Figure DE102015104795B4_0007
where D 3 is negative and D 5 is zero or positive.
Magnet (10, 40, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass D4/D1 im Bereich zwischen -0,005 und -0,05 und D5/D1 im Bereich von 0 bis 0,02 liegen.Magnet (10, 40, 100) according to one of the preceding claims, characterized in that D 4 / D 1 in the range between -0.005 and -0.05 and D 5 / D 1 in the range of 0 to 0.02. Magnet (10, 40, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Koeffizienten D1, D2, D3, sowie gegebenenfalls D4 und D5 so gewählt sind, dass der Verlauf des axialen Magnetfeldes des erfindungsgemäßen Magneten über dem Magneten über einen Umfangskreis mit konstantem Radius einen Klirrfaktor von weniger als 2 %, insbesondere weniger als 1 % in Bezug auf einen idealen sinusförmigen Verlauf aufweist.Magnet (10, 40, 100) according to one of the preceding claims, characterized in that coefficients D 1 , D 2 , D 3 , and optionally D 4 and D 5 are selected so that the course of the axial magnetic field of the magnet according to the invention over the Magnet over a circumferential circle with a constant radius has a harmonic distortion of less than 2%, in particular less than 1% with respect to an ideal sinusoidal course. Magnet (10, 40, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das s der Quotient aus Außenradius Ra und Dicke D(φ) bei φ=0° zwischen 2 und 6 liegt.Magnet (10, 40, 100) according to one of the preceding claims, characterized in that s is the quotient of outer radius R a and thickness D (φ) at φ = 0 ° between 2 and 6. Magnet (10, 40, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet als einteilig zusammenhängendes Teil hergestellt ist, und die Dicke D des Magneten in solchen Drehwinkelbereichen, bei welchen sich D(φ) kleiner als eine vorgegebene kleinste Dicke Dmin des Magneten berechnet, auf einen Wert ≥ Dmin nach unten begrenzt bleibt.Magnet (10, 40, 100) according to one of the preceding claims, characterized in that the magnet is made as a one-piece continuous part, and the thickness D of the magnet in such Rotation angle ranges in which D (φ) calculated smaller than a predetermined minimum thickness Dmin of the magnet remains limited to a value ≥ Dmin down. Magnet (10, 40, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet aus einem kunststoffgebundenen Magnetwerkstoff, vorzugsweise Hartferritwerkstoff, besteht.Magnet (10, 40, 100) according to one of the preceding claims, characterized in that the magnet consists of a plastic-bonded magnetic material, preferably hard ferrite material. Vorrichtung zur Winkelerfassung mit mindestens einem in Einbaulage an einer Drehwelle (30) befestigten axial mehrpolig magnetisierten Magneten (10, 40), dessen über den Drehwinkel (φ) veränderliches Magnetfeld in axialer Richtung oder einen diesbezüglichen Magnetfeldgradienten stirnseitig durch mehrere magnetfeldempfindliche und in Einbaulage außeraxial und ortsfest zur Drehwelle und zueinander umfänglich beabstandet angeordnete Sensorelemente (20, 21) erfasst wird, sowie einer Einrichtung zur Ermittlung der Drehstellung der Drehwelle auf der Grundlage der Messsignale der Sensorelemente (20, 21), dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (10, 40, 100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.Device for angle detection with at least one mounted in a mounting position on a rotary shaft (30) axially multipolar magnetized magnet (10, 40), over the angle of rotation (φ) variable magnetic field in the axial direction or a related magnetic field gradient frontally by several magnetic field sensitive and in mounting position off-axis and stationary to the rotary shaft and mutually circumferentially spaced arranged sensor elements (20, 21) is detected, and a means for determining the rotational position of the rotary shaft on the basis of the measurement signals of the sensor elements (20, 21), characterized in that the magnet (10, 40, 100) according to one of Claims 1 to 10 is trained. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (40) als Ringmagnet auf einen Träger (50) aufgespritzt ist, der diesen axial und in Teilbereichen am Außenumfang hält, und mit dem er an der Drehwelle (30) stoff- oder kraftschlüssig befestigt ist.Device after Claim 11 , characterized in that the magnet (40) is sprayed as a ring magnet on a support (50) which holds this axially and in some areas on the outer circumference, and with which it is fixed to the rotating shaft (30) material or non-positively. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12 zur Drehwinkelerkennung von Kurbel- oder Nockenwellen im Motor von Kraftfahrzeugen.Use of a device according to one of Claims 11 or 12 for detecting the rotation angle of crankshafts or camshafts in the engine of motor vehicles. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12 zur Bereitstellung einer sensorgesteuerten elektrischen Kommutierung bei Elektromotoren.Use of a device according to one of Claims 11 or 12 for providing sensor-controlled electrical commutation in electric motors.
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