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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor, mit dem beispielsweise ein Drehwinkel zwischen einer Welle und einem weiteren Bauteil bestimmt werden kann.
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Stand der Technik
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Um Drehwinkel zu messen, sind beispielsweise Drehwinkelsensoren bekannt, bei denen ein Magnet über einen entsprechenden Magnetfeldsensor gedreht wird. Die Messung des Magnetfeldvektors erlaubt dann einen Rückschluss auf den Drehwinkel. Derartige Sensoren reagieren auch auf externe Magnetfelder, die beispielsweise durch einen Stromfluss von benachbart angeordneten Stromkabeln verursacht werden und können sehr störempfindlich sein.
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Ein weiterer Typ Drehwinkelsensor nutzt einen Wirbelstromeffekt aus. Dabei wird beispielsweise ein metallisches Target über Sensorspulen bewegt, die mit einer Wechselspannung versorgt werden und in dem Target einen Wirbelstrom induzieren. Dies führt zur Reduzierung der Induktivitäten der Sensorspulen und erlaubt, über eine Frequenzänderung auf den Drehwinkel zu schließen. Beispielsweise sind die Spulen Bestandteil eines Schwingkreises, dessen Resonanzfrequenz sich bei einer Veränderung der Induktivität verschiebt. Dieser Typ von Drehwinkelsensor kann jedoch eine hohe Querempfindlichkeit gegenüber Einbautoleranzen (vor allem ein Verkippen des Targets) aufweisen. Auch kann die erzeugte Frequenz durch externe elektromagnetische Felder gestört werden (Injection Locking), da üblicherweise mit Frequenzen im Bereich von einigen zehn MHz gearbeitet wird.
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Aus den Druckschriften
US 7 191 759 B2 ,
US 7 276 897 B2 ,
EP 0 909 955 B1 ,
US 6 236 199 B1 und
EP 0 182 085 B1 sind außerdem Drehwinkelsensoren auf Basis von gekoppelten Spulen bekannt. In diesen Druckschriften wird in einer einzigen Erregerspule ein elektromagnetisches Wechselfeld aufgebaut, das in mehrere Empfangsspulen koppelt und dort jeweils eine Spannung induziert. Für die Messung des Drehwinkels wird ein drehbar gelagertes, elektrisch leitfähiges Target verwendet, das in Abhängigkeit seiner Winkelposition die induktive Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfangsspulen beeinflusst.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, einen Drehwinkel zwischen einer Welle und einem weiteren Bauteil auf eine Art und Weise zu bestimmen, so dass Störungen von außen und/oder Bauteiltoleranzen nur wenig Einfluss auf eine Messung haben.
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Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor, der insbesondere in einer Umgebung mit hohen elektromagnetischen Störfeldern eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann der Drehwinkelsensor im Motorraum oder in der Nähe des Motorraums eines Fahrzeugs verwendet werden, beispielsweise zur Bestimmung einer Position einer Drosselklappe; einer Rotorposition eines BLDC-Motors, einer Position eines Fahrpedals oder einer Position einer Nockenwelle.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Drehwinkelsensor ein Statorelement mit wenigstens zwei Spulen; ein bezüglich des Statorelements drehbar gelagertes Rotorelement, das dazu ausgeführt ist, abhängig von einem Drehwinkel unterschiedlich stark mit jeder der wenigstens zwei Spulen induktiv zu koppeln bzw. mit einem Induktionselement die wenigstens zwei Spulen unterschiedlich zu überdecken; und eine Auswerteeinheit zum Bestimmen des Drehwinkels zwischen dem Rotorelement und dem Statorelement. Das Statorelement, das auch die Auswerteeinheit (beispielsweise ein IC, also ein integrierter Schaltkreis, oder ein ASIC, also ein anwenderspezifischer integrierter Schaltkreis) tragen kann, kann beispielsweise gegenüber dem Ende einer Welle angeordnet sein, auf dem das Rotorelement befestigt ist. Das Rotorelement kann ein Target bzw. Induktionselement tragen, das mit der Welle mitbewegt wird, die Spulen überdeckt und dadurch die Induktivität der Spulen verändert.
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Die wenigstens zwei Spulen sind in einem Sternpunkt zusammengeschaltet und sind beispielsweise über den Sternpunkt mit einer Masse bzw. einem Neutralleiter verbunden. Die Auswerteeinheit ist dazu ausgeführt, jede der wenigstens zwei Spulen mit einer Einzelwechselspannung einer mehrphasigen Wechselspannung zu versorgen und einen Betrag und/oder eine Phase des Sternpunktpotentials, beispielsweise über einen Strom zwischen dem Sternpunkt und der Masse, zu ermitteln und daraus den Drehwinkel zu bestimmen (dies kann z.B. durch das Messen, Ermitteln bzw. Erfassen der am Messwiderstand abfallenden Spannung mit ihrem Betrag und/oder ihrer Phase erfolgen). Ein Anschluss jeder der Spulen ist mit dem Sternpunkt verbunden, der jeweils andere Anschluss wird mit einer Einzelwechselspannung der Wechselspannung (gegen die Masse) versorgt. Die Wechselspannung kann beispielsweise eine Frequenz unter einem MHz sein, was ein Injection Locking vermeiden kann. Die Phasen der Einzelwechselspannungen der mehrphasigen Wechselspannung sind dabei gegenübereinander verschoben.
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Durch die sich verändernden Induktivitäten der Spulen bei Drehung des Rotorelements ergeben sich in Summe unterschiedliche Ausgleichströme von dem Sternpunkt zur Masse, die vom Drehwinkel abhängen, weil die Induktivitäten der Spulen nicht mehr identisch sind.
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Zwischen dem Sternpunkt und der Masse kann beispielsweise ein Messwiderstand vorhanden sein, der einen Strom vom Sternpunkt zur Masse (stark) begrenzt. Dieser Messwiderstand kann beispielswiese Bestandteil eines zur Auswertung verwendeten ICs sein (d.h. dessen Innenwiderstand), kann aber auch als diskretes Bauelement vorliegen.
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Durch Messen dieser Ströme (beispielsweise über eine Spannung am Messwiderstand) kann die Auswerteeinheit den aktuellen relativen Drehwinkel zwischen dem Rotorelement und dem Statorelement bestimmen. Beispielsweise kann der Strom bzw. der Ausgleichstrom durch den Sternpunkt ein (in der Regel sinusförmiger) Wechselstrom mit Betrag und Phase sein, wobei die Auswerteeinheit aus dem Betrag und/oder der Phase den Drehwinkel bestimmen kann.
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Da der Drehwinkelsensor so auf einfache Weise den Drehwinkel über eine relative Veränderung der Induktivitäten erfasst, können elektromagnetische Felder, die über die Spulen weitestgehend homogen sind, die Messung nur gering beeinflussen. Damit ist der Drehwinkelsensor gegenüber elektromagnetischen Störungen robust. Da auf eine zusätzliche Erregerspule, die meistens außerhalb der Sensorspulen verläuft, verzichtet werden kann, ist der Bauraum für den Sensor gering.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Statorelement wenigstens drei Spulen. Die Auswerteeinheit ist dazu ausgeführt, eine wenigstens dreiphasige Wechselspannung zu erzeugen. Die Phasen der Einzelwechselspannungen können beispielsweise jeweils um 120° phasenverschoben sein. Dreiphasige Spannungssysteme sind häufig vorhanden und können auch in einem Fahrzeug auf einfache Art und Weise erzeugt werden.
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Bei lediglich zwei Spulen können die beiden Einzelwechselspannungen der Wechselspannung gegenläufig sein (180° phasenverschoben). In diesem Fall ist der Sternpunkt einfach der Verbindungspunkt der beiden Spulen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung addieren sich die Einzelwechselspannungen der Wechselspannung bei gleicher Induktivität der Spulen zu 0. Mit anderen Worten heben sich die Spannungen an den äußeren Anschlüssen der Spulen gegenseitig auf (beispielsweise bei drei um 120° phasenverschobenen Einzelwechselspannungen gleichen Betrags). Am Sternpunkt heben sich die Einzelwechselspannungen dann auf, wenn die Spulen gleiche Induktivität aufweisen. Ändern sich diese Induktivitäten durch Drehung des Rotorelements, fließt ein Ausgleichsstrom in den Sternpunkt, der mit einem Messwiderstand zwischen Sternpunkt und Masse in eine einfach zu messende Spannung umgewandelt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteeinheit dazu ausgeführt, aus dem Betrag und/oder der Phase des Sternpunktpotentials einen axialen Abstand zwischen dem Statorelement und dem Rotorelement zu bestimmen. Neben dem aktuellen Drehwinkel kann auch der Abstand der beiden Bestandteile (beispielsweise durch eine Mittelung über die Zeit) bestimmt werden, um so systematische Fehler bei der Winkelbestimmung zu reduzieren.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Spulen planare Spulen. Unter einer planaren Spule ist dabei eine Spule zu verstehen, deren Wicklungen bzw. Windungen alle im Wesentlichen in einer Ebene liegen. Eine planare Spule kann beispielsweise nur 1% der Höhe ihres Durchmessers aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Spulen auf und/oder in einer Leiterplatte angeordnet. Beispielsweise können die Wicklungen bzw. Windungen alle auf den beiden Seiten einer Leiterplatte aufgebracht sein. Bei einer Leiterplatte mit mehreren Ebenen können die Wicklungen bzw. Windungen auch innerhalb der Leiterplatte verlaufen. Die Leiterplatte kann auch Bauteile und/oder ein IC für die Auswerteeinheit tragen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung überdecken sich die Spulen gegenseitig in einer axialen Richtung zumindest teilweise. Die Spulen können im Statorelement im Wesentlichen in einer Ebene (beispielsweise auf oder innerhalb einer Leiterplatte) angeordnet sein, wobei sie in Umfangsrichtung gegenübereinander verschoben sind. Jeder der Spulen kann im Wesentlichen in einer Ebene orthogonal zu der axialen Richtung angeordnet sein. Dass sich zwei Spulen in axiale Richtung wenigstens teilweise überdecken, kann so verstanden werden, dass sich die beiden Spulen, wenn sie in der axialen Richtung betrachtet werden, zumindest teilweise überdecken. Dies kann auch so verstanden werden, dass die beiden Spulen bei Projektion in axiale Richtung auf eine Ebene orthogonal zur axialen Richtung sich zumindest teilweise überdecken.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist jede der Spulen wenigstens zwei in Umfangsrichtung aufeinander abfolgende Windungen bzw. Segmente auf. Die Spulen können aus axialer Sicht (d.h. mit Blickrichtung in Richtung der Drehachse des Rotorelements) mehrere Schleifen aufweisen. Eine Windung bzw. ein Segment kann dabei eine oder mehrere Leiterschleifen der Spule umfassen, die eine von der Spule umlaufene Fläche ganz umrunden. Die Windungen können in einer Ebene verlaufen, die im Wesentlichen orthogonal zur Drehachse des Rotorelements verläuft.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist jede der Spulen wenigstens eine erste Windung und wenigstens eine zweite Windung auf, wobei die wenigstens eine erste Windung und die wenigstens eine zweite Windung gegenläufig orientiert sind. Wenn eine Spule mit einer Wechselspannung versorgt wird, erzeugt sie ein elektromagnetisches Wechselfeld, das bei den ersten Windungen (im Wesentlichen) in eine erste Richtung und bei den zweiten Windungen (im Wesentlichen) in eine zweite, entgegengesetzte Richtung orientiert ist. Die erste und zweite Richtung können im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotorelements verlaufen.
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Die von der Spule erzeugten Wechselfelder induzieren Ströme im Rotorelement (abhängig von der Stellung des Rotorelements), die wiederum Wechselfelder erzeugen, die mit der Spule bzw. deren Windungen wechselwirken und somit die Induktivität verändern.
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Ein externes elektromagnetisches Feld, das auf die Spule wirkt und das im Wesentlichen homogen durch zwei entgegengesetzt orientierte Windungen verläuft, erzeugt Ströme in der Spule, die sich (bei gleich großer Induktivität der Windungen) im Wesentlichen aufheben. Auf diese Weise können externe Störfelder ausgeglichen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind erste Windungen und zweite Windungen einer Spule in Umfangsrichtung des Statorelements abwechselnd zueinander angeordnet. Auf diese Weise entsteht pro Spule eine Kette von Windungen, die aufeinander abfolgend gegenläufig orientiert sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die von den ersten Windungen umlaufene Fläche gleich einer von den zweiten Windungen umlaufene Fläche. Wenn jede der Windungen die gleiche Anzahl an Leiterschleifen aufweist, führt dies dazu, dass im Wesentlichen homogene Störfelder bereits von der Spule unterdrückt werden. Dabei ist möglich, dass eine oder mehrere Spulen unterschiedlich große Windungen aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umlaufen Windungen einer Spule unterschiedlich große Flächen. Bei mehreren Windungen pro Spule ist es auch möglich, dass die Spulen unterschiedlich große Windungen aufweisen, so dass sich zwar die Spulen überdecken, die Windungen jedoch zueinander versetzt angeordnet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind Windungen der Spulen zueinander versetzt angeordnet. Dadurch überdeckt das Rotorelement bzw. ein darauf befindliches Induktionselement die sich zumindest teilweise überdeckenden Windungen verschiedener Spulen unterschiedlich stark, so dass sich unterschiedliche Induktivitäten der betreffenden Spulen ergeben.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Spulen in lediglich einem Winkelbereich des Statorelements angeordnet. Beispielsweise können die Spulen um den Mittelpunkt der Drehachse des Rotorelement um α/N (N Zahl der Spulen, α = Sensierbereich des Sensors, <= 360°) zueinander versetzt angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass sich die Spulen vollständig überdecken und lediglich ihre Windungen zueinander versetzt angeordnet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umrundet jede der Spulen das Statorelement komplett. Alle Spulen können entweder entlang eines Kreissegmentbogens (< 360°) oder eines vollen Kreisbogens (= 360°) um das Statorelement angeordnet sein. Es ist zu verstehen, dass in diesem Fall eine Fläche, die von der Spule umlaufen wird, nicht die Achse bzw. das Zentrum des Statorelements überdecken muss. D.h., die Spule kann lediglich in einem Randbereich des Statorelements angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Rotorelement wenigstens ein Induktionselement bzw. Target auf, das in einem Winkelbereich des Rotorelements angeordnet ist. Mit anderem Worten umläuft das Induktionselement das Rotorelement nur teilweise. Genauso wie die Spulen kann das Induktionselement lediglich in einem Randbereich des Rotorelements vorgesehen sein. Das Induktionselement kann ein metallisches Target sein, das auf dem Rotorelement drehbar in axialer Richtung dem Statorelement gegenüberliegend angeordnet ist. Das Induktionselement kann aus Vollmaterial oder aus einem Leiter auf einer Leiterplatte hergestellt sein. Das Induktionselement kann auch durch Aussparungen in einem Vollmaterial wie beispielsweise Fräsungen oder als Stanzteil bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung überdeckt das Induktionselement in axialer Richtung im Wesentlichen lediglich eine Windung einer Spule. Das Induktionselement und die Windung der Spule können im Wesentlichen in einer Ebene orthogonal zu der axialen Richtung angeordnet sein. Dass sich das Induktionselement und die Windung in axiale Richtung wenigstens teilweise überdecken, kann so verstanden werden, dass sie sich, wenn sie in der axialen Richtung betrachtet werden, zumindest teilweise überdecken. Dies kann auch so verstanden werden, dass sie sich bei Projektion in axiale Richtung auf eine Ebene orthogonal zur axialen Richtung zumindest teilweise überdecken.
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Auf diese Weise ändert das Induktionselement nur die Induktivität höchstens einer Windung und der Drehsensor erhält eine maximale Auflösung. Es ist auch möglich, dass das Rotorelement mehrere Induktionselemente umfasst, die beispielsweise im gleichen Abstand in Umfangsrichtung um die Drehachse angeordnet sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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1 zeigt schematisch einen Drehwinkelsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt schematisch einen Drehwinkelsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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3A, 3B und 3C zeigen schematisch Spulenlayouts für den Drehwinkelsensor aus der 2.
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4 zeigt ein Induktionselement für den Drehwinkelsensor aus der 2.
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5 zeigt schematisch einen Drehwinkelsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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6A, 6B und 6C zeigen schematisch Spulenlayouts für den Drehwinkelsensor aus der 5.
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7 zeigt Induktionselemente für den Drehwinkelsensor aus der 5. Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Drehwinkelsensor 10 aus einem Statorelement 12 und einem Rotorelement 14. Das Rotorelement 14 kann auf einer Welle 16 eines Bauteils, wie etwa einer Drosselklappe, einem Motor, einer Nockenwelle, eines Fahrpedals usw., befestigt sein oder von dieser Welle 16 bereitgestellt werden. Die Welle 16 ist um die Achse A drehbar und das Statorelement 12 liegt dem Rotorelement 14 in der entsprechenden axialen Richtung gegenüber. Beispielsweise ist das Statorelement 12 an einem Gehäuse des Bauteils befestigt.
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Das Statorelement 12 umfasst eine Leiterplatte 18, auf der eine Mehrzahl von Spulen 20 in der Ebene der Leiterplatte 18 angeordnet sind. Die Leiterplatte 18 kann eine mehrlagige Leiterplatte 18 sein und die Leiter der Spulen 20 können sich auf den beiden Seiten der Leiterplatte 18 und zwischen den einzelnen Lagen der Leiterplatte 18 befinden. Auf der Leiterplatte 18 können sich weitere Bauelemente für eine Auswerteeinheit 22 befinden. Die Auswerteeinheit 22 kann die Spulen 20 mit einem mehrphasigen Wechselstrom versorgen und auch durch Messungen einen relativen Drehwinkel zwischen dem Statorelement 12 und dem Rotorelement 14 bestimmen.
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Das Rotorelement 14 umfasst ein oder mehrere Induktionselemente 24, die in axialer Richtung den Spulen 20 gegenüberliegen. Die Induktionselemente 24 können, wie in der 1 gezeigt, auf einer weiteren Leiterplatte angeordnet sein, die an der Welle 16 befestigt ist. Es ist auch möglich, dass das oder die Induktionselemente durch Bearbeiten eines Endes der Welle 16 erzeugt werden.
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Wenn die Auswerteeinheit 22 die Spulen 20 mit Wechselspannung versorgt, erzeugen diese ein Magnetfeld, das wiederum in dem Induktionselement 24, das aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist, Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme erzeugen wiederum Magnetfelder, die mit den Spulen 20 wechselwirken und die Induktivität der Spulen 20 verändern. Basierend auf diesen veränderten Induktivitäten kann die Auswerteeinheit 22 den Drehwinkel bestimmen.
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Im Folgenden wird der Drehwinkelsensor 10 mit drei Spulen 20, die mit einer dreiphasigen Wechselspannung versorgt werden, beschrieben. Dies lässt sich generell auf eine Wechselspannung mit zwei oder mehr als drei Einzelwechselspannungen verallgemeinern.
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Die 2 zeigt einen Drehwinkelsensor 10 mit einer ersten Spule 20a, einer zweiten Spule 20b und einer dritten Spule 20c. Die drei Spulen 20a, 20b, 20c überdecken lediglich einen Winkelbereich um die Achse A kleiner als 360° (hier etwa 120°). Zur besseren Übersichtlichkeit überdeckt jede der Spulen nicht den kompletten Winkelbereich.
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Die drei Spulen sind an ersten Anschlüssen 26 mit der Auswerteeinheit 22 verbunden und werden dort von der Auswerteeinheit 22 mit einer dreiphasigen Wechselspannung V1, V2, V3 versorgt. Die anderen Anschlüsse 28 sind in einem Sternpunkt 30 miteinander verbunden, der über einen Messwiderstand Rm mit einer Masse oder einem Neutralleiter 32 verbunden ist, die oder der auch von der Auswerteeinheit 22 bereitgestellt werden kann. Die Spannung Vm über den Messwiderstand Rm kann von der Auswerteeinheit 22 gemessen bzw. bestimmt bzw. erfasst werden.
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Die Einzelwechselspannungen V1, V2, V3 der Wechselspannung können die gleiche Frequenz und die gleiche Amplitude aufweisen und dabei jeweils um 120° phasenverschoben sein. Wenn die erste Spule 20a, zweite Spule 20b und dritte Spule 20c die gleiche Induktivität aufweisen liegen am Sternpunkt 30 dann drei um 12° phasenverschobene Spannungen an, die sich gegenseitig aufheben und es findet in diesem Fall kein Stromfluss zwischen dem Sternpunkt 30 und dem Neutralleiter 32 statt.
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Da die erste Spule 20a, zweite Spule 20b und dritte Spule 20c mit drei, um 120° verschobenen, Wechselspannungen versorgt werden, fließt ohne Induktionselement 24 auch kein Strom über den Sternpunkt 30 in den Neutralleiter 32, da die Spulen identische Induktivitäten aufweisen. Durch das leitfähige Induktionselement 24 auf dem Rotorelement 14, das den drei Spulen 20a, 20b, 20c in axialer Richtung gegenüberliegt, ändern sich deren Induktivitäten abhängig vom Drehwinkel und es kommt zu einer Verschiebung des Potentials des Sternpunkts 32 und einem Ausgleichstrom zwischen dem Sternpunkt 30 in dem Neutralleiter 32. Die Auswerteeinheit 20 kann den Betrag und/oder die Phase des Ausgleichstroms (über die Messung der am Widerstand Rm abfallenden Spannung) bestimmen und daraus den Abstand des Rotorelements 14 von dem Statorelement 12 und den entsprechenden Drehwinkel zwischen dem Rotorelement 14 und dem Statorelement 12 ermitteln.
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Die 2 zeigt weiter, dass die drei Spulen 20a, 20b, 20c als planare Spulen mit mehreren in einer Ebene liegenden Windungen 34 ausgeführt sind. Die drei Spulen 20a, 20b, 20c sind in Umfangsrichtung zueinander versetzt auf dem Statorelement 12 angeordnet.
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Die 3A, 3B und 3C zeigen schematisch mögliche Spulenlayouts für die drei Spulen 20a, 20b, 20c. Die Spule 20a aus der 3A umfasst je einmal eine erste Windung 34a und eine zweite Windung 34b. Beide Windungen 34a, 34b sind gleich groß bzw. umlaufen die gleiche Fläche. Die beiden Windungen sind entlang der Umfangrichtung gegeneinander versetzt.
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Die Spulen 20b und 20c aus den 3B und 3C umfassen je zwei erste Windungen 34a und je eine zweite Windung 34b. Die zweite Windung 34b ist in Umfangsrichtung zwischen den ersten Windungen 34a angeordnet. Die ersten Windungen 34a sind unterschiedlich groß und/oder jeweils kleiner als die zweite Windung 34b. Die Summe der von den ersten Windungen 34a umschlossenen Flächen entspricht der von der zweiten Windung 34b umschlossenen Fläche.
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Die in den 3A, 3B und 3C gezeigten Spulen 20a, 20b, 20c können in einem Drehwinkelsensor so verbaut werden, dass sie sich vollständig überdecken. Jede der Spulen 20a, 20b, 20 wird dabei mit einer Einzelwechselspannung V1, V2, V3 versorgt, so wie es in der 2 gezeigt ist. Auf diese Weise sind die Windungen 34a, 34b der Spulen 20b, 20c, die verschieden große Flächen umlaufen, gegenüber den Windungen 34a, 34b der Spule 20a versetzt, so dass sich eine Windung 34a, 34b einer Spule 20a, 20b, 20c jeweils immer nur teilweise mit einer Windung 34a, 34b einer anderen Spule überdeckt. Auf diese Weise kann eine maximale Winkelauflösung für den von den drei Spulen 20a, 20b, 20c überdeckten Winkelbereich erzielt werden.
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Jede der Spulen 20a, 20b, 20c umfasst gegenläufige Windungen, die in erste Windungen 34a mit einer ersten Orientierung und in zweite Windungen 34b mit einer zweiten, gegenläufigen Orientierung unterteilt werden können. Die Windungen 34a, 34b jeder Spule sind in Umfangsrichtung um die Achse A aufeinander abfolgend angeordnet, so dass sich eine Kette von Windungen mit abwechselnder Orientierung ergibt.
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Die ersten Windungen 34a und die zweiten Windungen 34b umlaufen jeweils die gleiche Fläche, so dass ein homogenes (Stör-)Magnetfeld durch jede der Spulen 20a, 20b, 20c zwar einen Strom in der jeweiligen Windung 34a, 34b erzeugt, wobei sich die einzelnen Ströme jedoch in einer Spule 20a, 20b, 20c gegenseitig aufheben.
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4 zeigt ein Induktionselement 24 und aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich eine Spule, die erste Spule 20a. Die folgenden Ausführungen können jedoch auch für die zweite Spule 20b und die dritte Spule 20c gelten. Wie die 4 zeigt, ist das Induktionselement 24 in etwa so groß wie eine Windung, d.h. überdeckt aus axialer Sicht betrachtet bzw. in einer Projektion entlang der axialen Richtung in etwa die gleiche Fläche entlang des Umfangs. Jede der Windungen 34a, 34b erzeugt ein Magnetfeld, das wiederum in dem Induktionselement 24 Wirbelströme erzeugt, die wiederum ein Magnetfeld erzeugen, die in der jeweiligen Windung Ströme erzeugen und so die Induktivität der jeweiligen Windung 34a, 34b und somit die Gesamtinduktivität der Spule 20a, 20b, 20c verändern. Abhängig von der Winkelstellung des Rotorelements 14 mit dem Induktionselement ändert sich somit die Induktivität der Spulen 20a, 20b, 20c. Da die Windungen 34a, 34b der verschiedenen Spulen 20a, 20b, 20c versetzt zueinander angeordnet sind, ändert das Induktionselement 24 die Induktivitäten jeder Spule 20a, 20b, 20c zusätzlich unterschiedlich, so dass sich eine gute Winkelauflösung des Drehwinkelsensors 10 ergibt.
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Die 5 bis 7 zeigen Darstellungen analog den 2 bis 4. Wenn nichts anderes beschrieben wird, gelten die Ausführungen zu den 2 bis 4 entsprechend.
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In den 5 bis 7 ist ein Drehwinkelsensor 10 gezeigt, dessen erste Spule 20a, zweite Spule 20b und dritte Spule 20c das Sensorelement 12 vollständig umgeben. Die Spulen 20a, 20b, 20c sind identisch aufgebaut. Genauso wie bei der 2 sind die Spulen 20a, 20b, 20c auf dem Statorelement 12 zueinander versetzt angeordnet. Die jeweils 6 Windungen 34a, 34b der Spulen 20a, 20b, 20c umlaufen jeweils alle die gleiche Fläche, um äußere Störfelder zu kompensieren. Die Anzahl der Windungen ist nicht auf 6 beschränkt, sollte jedoch eine gerade Zahl sein, um Störfelder zu kompensieren. Aus der Anzahl der Windungen und dem Öffnungswinkel ergibt sich die Periodizität des Sensors.
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Die 7 zeigt eine Ausführungsform des Rotorelements 14 und aus Gründen der Übersichtlichkeit eine Ausführungsform lediglich der ersten Spule 20a des Statorelements 12. Die 7 zeigt, dass auf dem Rotorelement 14 auch drei Induktionselemente 24 angeordnet sein können. Durch die drei um 120° zueinander versetzten Induktionselemente 24, die jeweils in etwa eine Windung 34a, 34b überdecken, kann sich eine bessere Kompensation von Toleranzen bei einem Eindeutigkeitsbereich von 120° ergeben.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“ etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7191759 B2 [0004]
- US 7276897 B2 [0004]
- EP 0909955 B1 [0004]
- US 6236199 B1 [0004]
- EP 0182085 B1 [0004]
