DE102016002417B4

DE102016002417B4 - Winkelsensoranordnung und Elektrofahrrad mit einer solchen Winkelsensoranordnung

Info

Publication number: DE102016002417B4
Application number: DE102016002417.8A
Authority: DE
Inventors: Leo Aichriedler; Udo Ausserlechner; Peter Slama
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2036-03-03
Also published as: CN107150759A; DE102016002417A1; CN111003096A; CN107150759B; US10551216B2; US20170254671A1

Abstract

Winkelsensoranordnung, die folgendes umfasst: – eine drehbare Antriebswelle (101, 210, 410) für ein Elektrofahrrad, die entlang einer Drehachse (z) verläuft und eine Bohrung umfasst, die von einer ersten Stirnfläche der Welle (101, 210, 410) entlang der Drehachse (z) verläuft; – ein Magnetmodul (206, 306), das innerhalb der Bohrung angeordnet ist und mit der Antriebswelle (101, 210, 410) gekoppelt ist, wobei das Magnetmodul (106, 206) dafür konfiguriert ist, innerhalb der Bohrung ein Magnetfeld zu erzeugen; und – wenigstens ein Erfassungselement (102, 104), das dafür konfiguriert ist, in Ansprechen auf die Drehung der Antriebswelle (101, 210, 410) einen Drehwinkel der Antriebswelle (101) aus einer Drehung des Magnetfelds zu erfassen.

Description

Die vorliegende Offenbarung stellt eine Winkelsensoranordnung und ein Elektrofahrrad umfassend eine Winkelsensoranordnung bereit.
WO 2015/161 545 A1 offenbart ein Tretlager für ein Fahrrad mit einer Drehmoment- und Geschwindigkeitsmesseinheit.
DE 20 2010 017 365 U1 und DE 20 2010 017 369 U1 offenbaren Tretlagereinheiten mit einem Drehzahlsensor.
Darüber hinaus sind im Stand der Technik magnetische Resolver bekannt, um eine Winkelposition einer rotierbaren Achse zu ermitteln.
Sensoren werden in Erfassungssystemen genutzt, um Eigenschaften wie etwa Licht, Temperatur, Bewegung und dergleichen zu detektieren. Ein üblicherweise verwendeter Sensortyp ist ein Winkelsensor, der auf Magnetfeldern beruht. Der Winkelsensor misst eine Magnetfeldrichtung und berechnet auf der Grundlage der Feldrichtung einen Winkel. Andere magnetempfindliche Sensoren messen die Magnetflussdichte.
Allerdings sind solche magnetbasierten Sensoren anfällig für Störungen des Magnetfelds. Viele Systeme arbeiten in rauen Umgebungen wie etwa Kraftfahrzeugsystemen und weisen Komponenten auf, die das Magnetfeld stören und zu fehlerhaften Sensormessungen führen können.
Es gilt daher die Aufgabe zu lösen, Störungen zu mildern oder zu verhindern, um den Magnetsensorbetrieb, die Genauigkeit und die Robustheit gegen Positionierungstoleranzen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Winkelsensor gemäß dem Hauptanspruch und ein Elektrofahrrad gemäß Anspruch 20.
1A ist eine Darstellung eines integrierten Sensorsystems, das unter Verwendung von Magnetfeldern arbeitet.
1B ist eine Darstellung, die ein Elektrofahrrad zeigt, das ein integriertes Sensorsystem, das heißt ein Winkelerfassungssystem in der Welle, umfasst.
1C ist eine Darstellung, die einige (optionale) Komponenten darstellt, die in einem Elektrofahrrad in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung vorhanden sind.
2 ist eine Querschnittsansicht eines in eine Welle integrierten Sensorsystems mit einer Hohlwelle und mit einem ringförmigen Magnetmodul.
3 ist eine Querschnittsansicht eines in eine Welle integrierten Sensorsystems mit einer Hohlwelle und mit einem tablettenförmigen Magneten.
4 ist eine Querschnittsansicht eines integrierten Sensorsystems mit einer Vollwelle und mit einem ringförmigen Magnetmodul.
5 ist eine Querschnittsansicht eines integrierten Sensorsystems mit einer Vollwelle und mit einem tablettenförmigen Magneten.
6 ist eine Darstellung, die ein Sensormodulsystem zeigt.
7 ist eine Querschnittsansicht, die einen ringförmigen Magneten zeigt, der in einem Magnetmodul wie etwa in den oben beschriebenen Magnetmodulen genutzt werden kann.
8 ist eine Querschnittsansicht, die einen tabletten- oder zylinderförmigen Magneten darstellt, der in einem Magnetmodul wie etwa in den oben beschriebenen Magnetmodulen genutzt werden kann.
9 ist ein Ablaufplan, der ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung darstellt.
10 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Welle, die zusammen mit wie hier beschriebenen Sensorsystemen verwendbar ist.
11A stellt ein Szenario dar, das in numerischen Simulationen verwendet wird.
11B stellt einige Ergebnisse der Simulationen dar, die auf der Grundlage des in 11A dargestellten Szenariums berechnet wurden.
12 stellt eine Anordnung eines in eine Welle eingeführten Sensors in einer Querschnittsansicht dar.
12A stellt eine weitere Ausführungsform eines in eine Bohrung einer Welle integrierten Sensors dar.
12B stellt eine andere Ausführungsform eines in einen dünnwandigen Endabschnitt einer Welle mit einem Kragen integrierten Sensors dar.
12C stellt die Sättigung eines magnetisierbaren dünnwandigen Endabschnitts einer Welle wie in den Ausführungsformen aus 10, 12A und 12B dar.
12D stellt eine andere Ausführungsform eines in einen dünnwandigen Endabschnitt einer Welle mit einem abermals anderen Kragen integrierten Sensors dar.
12E stellt eine andere Ausführungsform eines in einen dünnwandigen Endabschnitt einer Welle mit einem alternativen Kragen integrierten Sensors dar.
13 stellt einen Aufbau für eine Sensorbaugruppe mit Anschlüssen dar.
14A–14D stellen Symmetriebetrachtungen für Magnet- und Sensoranordnungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung dar.
15A–15I stellen verschiedene Symmetrien zum Anordnen eines oder mehrerer Magnete innerhalb einer dünnwandigen Bohrung bei einem Endabschnitt einer Welle dar.
16 stellt einen geteilten Magneten innerhalb einer Bohrung dar.
17 stellt einen Magneten dar, der Nuten umfasst, der in eine Bohrung einer Welle eingeführt ist.
18 stellt eine Passform dar, um einen Magneten innerhalb einer Bohrung einer Welle zu orientieren.
19A stellt eine weitere Magnetausführungsform innerhalb einer Bohrung einer Welle dar.
19B stellt eine abermals andere Magnetanordnung innerhalb einer konischen Bohrung einer Welle dar.
20 stellt eine andere Magnetanordnung innerhalb einer Bohrung einer Welle dar.
21A, 21B und 21C stellen die Dichtung einer Öffnung einer Bohrung dar, die eine Magnetanordnung und ein Erfassungselement umfasst.
22A, 22B stellen Magnetanordnungen vom Halbach-Typ dar.
22C stellen eine abermals andere einteilige inhomogene Magnetanordnung dar.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei zur Bezugnahme auf gleiche Elemente überall gleiche Bezugszeichen verwendet sind und wobei die dargestellten Strukturen und Vorrichtungen nicht notwendig maßstabsgerecht sind.
Es sind Vorrichtungen, Systeme und Verfahren offenbart, die Winkelsensoren ermöglichen und die Störungen in Magnetfeldern mildern. Raue Umgebungen wie etwa Kraftfahrzeugsysteme weisen eine Vielzahl von Komponenten und Bedingungen auf, die sich auf Elektronik, Sensoren und Magnetfelder auswirken. Diese Störungen können zu fehlerhaften Messungen und zu Sensorfehlern führen und können dazu führen, dass Positionstoleranzen eingehalten werden müssen, um beim Betrieb des Sensors ein bestimmtes Präzisionsniveau zu erzielen. Winkelsensoren sind üblicherweise von Interesse, um eine Winkelposition eines Gegenstands, der sich um eine Achse dreht, zu identifizieren. In einigen Anwendungen kann es von Interesse sein, eine Winkelposition nur über 180 Grad, das heißt über eine halbe Drehung, eindeutig zu identifizieren. In anderen Anwendungen kann es allerdings von Interesse sein, eine Winkelposition eindeutig über 360 Grad, was einer vollen Drehung der Gegenstandsdrehung um die Achse entspricht, zu identifizieren.
Mit dem Aufkommen von Elektrofahrrädern ist eine neue Form des Pendelns verfügbar, die seither immer verbreiteter geworden ist. Sensoranordnungen, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung auch als Winkelerfassungssysteme in der Welle bezeichnet, können in Elektrofahrrädern verwendet werden. Somit lehrt die vorliegende Offenbarung eine Sensoranordnung, die eine drehbare Antriebswelle für ein Elektrofahrrad, ein Magnetmodul und wenigstens ein Erfassungselement umfasst.
Die drehbare Welle verläuft entlang einer Drehachse und umfasst eine Bohrung. Die Bohrung verläuft von einer ersten Stirnfläche oder von einem ersten Endabschnitt der Welle entlang der Drehachse. Das Magnetmodul ist innerhalb der Bohrung der Antriebswelle für das Elektrofahrrad angeordnet und mit der Antriebswelle gekoppelt. Das Magnetmodul ist dafür konfiguriert, innerhalb der Bohrung ein Magnetfeld zu erzeugen. Das wenigstens eine Erfassungselement ist dafür konfiguriert, in Antwort auf eine Drehung der Antriebswelle eine Drehung des Magnetfelds zu erfassen.
1 ist eine Darstellung eines integrierten Sensorsystems 100, das unter Verwendung von Magnetfeldern arbeitet. Das System 100 ist in vereinfachter Form gegeben, um das Verständnis zu erleichtern. Das System 100 kann in rauen Umgebungen, Kraftfahrzeugsystemen, Fahrzeugsystemen und dergleichen genutzt werden. Das System 100 kann in einer oder in mehreren Vorrichtungen oder Anordnungen hergestellt werden.
Hybridsysteme wie etwa Kraftfahrzeugsysteme weisen mechanische Komponenten und elektrische Komponenten auf. Die mechanischen Komponenten enthalten Kraftmaschinen, Motoren, Räder, Fluide, Bremssysteme, Aktuatoren und dergleichen. Die elektrischen Komponenten enthalten Sensoren, Verarbeitungseinheiten, Steuereinheiten und dergleichen. Die mechanischen Komponenten können Störungen für die elektrischen Komponenten erzeugen. Diese Störungen enthalten Leistungsstöße, Leistungsverlust, Leistungsspuren, Hochleistungsspuren, Schwingung, Fremdkörper, Metallspäne/Metallstücke, Fluidverunreinigung, Getriebefluidverunreinigung (sehr aggressiv), Unterbrechungsreiniger, Kühlmittel, Material, Schmutz und dergleichen. Je mehr Motoren, Aktuatoren und andere Komponenten es gibt, desto mehr Strom und Schwankungen sind vorhanden.
Andere Vorgehensweisen sind anfällig für Störungen und stellen keine Mechanismen gegen diese Störungen bereit.
Üblicherweise führt ein Winkelsensor eine Drehbewegung einer Achse oder einer Welle nach. Eine Vorgehensweise ist es, einen Sensor zu einem Ende einer Welle hinzuzufügen und den Sensor zu kapseln. Allerdings fügt die Kapselung Kosten und zusätzliche Verarbeitung hinzu und erfordert zusätzlichen Platz. Außerdem enthalten solche Vorgehensweisen zusätzlich das Platzieren eines Sensorelements an einem Ende einer Welle. Dies erhöht die Gesamtlänge der Welle oder der daran angebrachten Komponente, was zusätzlichen Fahrzeug-/Kraftmaschinenplatz erfordert. Um den Sensor an dem Ende der Welle zu montieren, sind zusätzliche Halterungen, Verbinder und dergleichen erforderlich. Diese können die Länge/den Platz, die verbraucht werden, weiter erhöhen und noch mehr Fahrzeug-/Kraftmaschinenplatz erfordern.
Das System 100 enthält ein optionales Sensormodul 102, ein Sensorelement 104 und ein Magnetmodul 106. Wie im Folgenden erläutert ist, kann das Sensormodul 102 in Form einer Baugruppe oder irgendeines anderen Hilfsmittels zum Platzieren des Sensors 104 sein. Das System 100 kann das Sensormodul 102 mit einer Abschirmung in Form eines Gehäuses, einer Welle oder einer anderen Komponente integrieren, um eine Selbstabschirmung bereitzustellen. Außerdem verbraucht das System 100 dadurch, dass es integriert ist, weniger Platz als andere Vorgehensweisen. Ferner nutzt das System 100 die Selbstabschirmung, um Komponenten mit niedrigeren Fähigkeiten zuzulassen, während eine geeignete oder gewählte Genauigkeit vorgesehen ist.
Das Sensormodul 102 kann in einigen Implementierungen dadurch, dass es in ein Gehäuse oder in eine andere Komponente integriert ist, eine integrierte Komponente sein. Das Sensormodul 102 enthält das integrierte Sensorelement 104. Außerdem kann das Modul 102 Leistungsregelungskomponenten, Signalerzeugungskomponenten, Speicherkomponenten und dergleichen enthalten. Obwohl dies nicht gezeigt ist, können andere Komponenten einschließlich Halterungen, Befestigungselementen, Verbindungen, einem Gehäuse und dergleichen enthalten sein. In einem Beispiel ist das Sensormodul 102 an einem Die mit einem Leiterrahmen gebildet. Das Sensormodul 102 ist unter Verwendung eines überspritzten Kunststoffs in einem Gehäuse eingeschlossen. Wie im Folgenden ausführlicher erläutert ist, sind Verbinder zu dem Leiterrahmen vorgesehen, wobei sie externe Verbindungen zu dem Sensormodul 102 bereitstellen. Das Sensormodul kann mit Komponenten wie etwa einem Gehäuse, einem Hebel, einem Arm, einem Achsschenkel und dergleichen gekoppelt oder darin integriert sein.
Das Sensorelement 104 misst eine Richtung eines Magnetfelds oder eine Richtung eines Flusses eines Magnetfelds. Daraufhin berechnet das Element 104 oder eine andere Komponente auf der Grundlage der Messung der Feldrichtung eine Eigenschaft wie etwa eine Winkel- oder Wellenposition. Das Sensorelement 104 ist dafür konfiguriert, eine Leistungsversorgung zu empfangen, Messwerte bereitzustellen und/oder Steuer- oder Kalibrierungsinformationen zu empfangen. In einem Beispiel ist zum Zuführen von Leistung und zum Übertragen von Messwerten eine einzelne Schnittstelle verwendet. In einem anderen Beispiel sind für die Leistung und/oder für die Kommunikation mehrere Drähte oder Anschlüsse verwendet.
Das Sensorelement 104 ist ein Absolutsensor oder Sensor vom 360-Grad-Typ, das heißt, er kann einen Fluss über eine volle Drehung unter irgendeinem Winkel eindeutig messen. Er ist von einem geeigneten Typ wie etwa von einem magnetoresistiven oder magnetempfindlichen Elementtyp.
Das Magnetmodul 106 ist an einer zu messenden Komponente befestigt oder angebracht oder damit integriert und ist dafür konfiguriert, in der Nähe des Sensorelements 104 ein Magnetfeld zu erzeugen. In einem Beispiel kann das Magnetmodul 106 diametral magnetisiert sein. Das Magnetmodul 106 kann Magnete einer Vielzahl von Größen und Formen enthalten. Einige Beispielformen enthalten Tabletten- oder Vollmagnete, Ringmagnete und dergleichen. Die Größen sind so gewählt, dass ein geeignetes Magnetfeld bereitgestellt wird. Üblicherweise enthalten die Größen eine Dicke und einen Durchmesser.
Störungen wie etwa die oben gezeigten können ein Magnetfeld, das durch das Sensorelement 104 gemessen wird, stören. Allerdings ist das Sensormodul 102 mit einer Komponente integriert, um das Modul 102 und das Element 104 abzuschirmen, ohne eine zusätzliche Kapselung oder andere Mechanismen zum Mildern der Störungen zu erfordern. Die Komponente, die die Abschirmung für das Sensorelement 104 und für das Magnetmodul 106 bereitstellt, enthält zum Beispiel einen drehbaren Gegenstand wie etwa eine Welle, einen Stab und dergleichen, der aus einem geeigneten Material besteht. In einem Beispiel enthält das geeignete Material ein verhältnismäßig weichmagnetisches Material mit einer Permeabilität größer als 1.
1B ist eine schematische Darstellung, die einige Elemente eines Elektrofahrrads zeigt, wie es dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt ist. Das Elektrofahrrad 10 umfasst einen Rahmen 11, eine Vorderradgabel 11a, eine Hinterradgabel 11c und eine Sattelstange 11b. Die Vorderradgabel 11a stützt eine Vorderradnabe 12a eines Vorderrads 13a, wobei jedes der Elemente nicht maßstabsgerecht, sondern nur zu Veranschaulichungszwecken gezeigt ist.
Der Fachmann auf dem Gebiet wird würdigen, dass ein Energiespeicher, der üblicherweise als eine (nachladbare) Batterie 14 implementiert ist, vorgesehen ist, um einen Fahrer (nicht gezeigt), der das Elektrofahrrad 10 fährt, zu unterstützen. Die Batterie 14 setzt einen Elektromotor 15 unter Strom, der den Schub des Fahrrads, wenn es gefahren wird, unterstützt.
Ein herkömmliches Fahrrad wird durch Kraft, die der Fahrer über eine Kurbelwelle 12c und eine Gangschaltung 24 auf die Hinterradnabe 12b ausübt, mit Leistung versorgt. Das Fahrrd kann ein festes Übersetzungsverhältnis von n Umdrehungen der Kurbelwelle 12c, die in m Umdrehungen der Hinterradnabe 12c umgewandelt werden, bereitstellen, wobei das Verhältnis n:m auch als ein Übersetzungsverhältnis bezeichnet wird. Die Gangschaltung 24 kann ein variables Übersetzungsverhältnis als eine Nabengangschaltung bereitstellen. Alternativ oder zusätzlich kann das variable Übersetzungsverhältnis unter Verwendung einer Kettenschaltung von Kettenrädern unterschiedlicher Größe bei der Kurbelwelle und/oder bei der Hinterradnabe 12b bereitgestellt werden. Wie im Gebiet bekannt ist, kann für die Kettenschaltung ein Kettenwechsler verwendet werden. Ein solches variables Übersetzungsverhältnis ist ebenfalls zusammen mit Elektrofahrrädern möglich.
Als ein nichteinschränkendes Beispiel ist der Motor 15 in 1B als um die Hinterradnabe 12b zentriert gezeigt. Der Motor 15 kann mit der Hinterradnabe 12b direkt in Eingriff sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Gangschaltung als Abschnitt des Motors 15 implementiert sein oder unter Verwendung einer herkömmlichen Gangschaltungsvorrichtung, wie sie von einem herkömmlichen Elektrofahrrad bekannt ist und zuvor kurz erläutert worden ist, erreichbar sein.
Für ein Elektrofahrrad gibt es eine Vielzahl von Optionen, wie der Motor 15 einen Fahrer durch Bereitstellen eines zusätzlichen Schubs unterstützt. Alternativ zu der beispielhaften Darstellung aus 1B könnte der Motor 15, wie im Gebiet bekannt ist, innerhalb der Sattelstange implementiert sein, wobei er mit der Kurbelwelle 12c in Eingriff ist.
Alternativ oder zusätzlich kann der Motor 15 mit der Vorderradnabe 12a in Eingriff sein. Ferner kann der Motor 15 des Elektrofahrrads entweder mit der Vorderradnabe 12a oder mit der Hinterradnabe über einen eigenen Riemen oder eine eigene Kette in Eingriff sein, wie es für sportliche Elektrofahrrädern von Interesse sein kann, wobei der herkömmliche Antriebsstrang des Elektrofahrrads unverändert gelassen ist.
1C zeigt eine schematische Darstellung, die den Motor 15 darstellt, der eine Antriebswelle 101 umfasst, für die eine Winkelmessung von Interesse ist, wobei die wie im Folgenden dargelegte Winkelmessanordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung verwendet ist.
Die Antriebswelle 101 des Elektrofahrrads kann mit einer optionalen Gangschaltung 24 koppeln, wobei sie wie zuvor erläutert entweder ein festes Übersetzungsverhältnis n:m oder ein variables Übersetzungsverhältnis bereitstellt. Üblicherweise stellt die Gangschaltung 24 eine Kopplung von der Antriebswelle 101 zu der Vorderradnabe 12a und/oder zu der Hinterradnabe 12b und/oder zu der Kurbelwelle 12c bereit.
2 ist eine Querschnittsdarstellung eines integrierten Sensorsystems 200 mit einer Hohlwelle und mit einem ringförmigen Magnetmodul. Das System 200 ist in einer vereinfachten Form gegeben, um das Verständnis zu erleichtern. Das System 200 kann in rauen Umgebungen, in Kraftfahrzeugsystemen, in Fahrzeugsystemen und dergleichen genutzt werden. Das System 200 kann in einer oder in mehreren Vorrichtungen hergestellt werden. Auf zusätzliche Einzelheiten einiger der Komponenten kann aus der obigen Beschreibung ähnlich bezeichneter Komponenten Bezug genommen werden.
Das System 200 enthält ein Gehäuse 212, ein Sensormodul 102, ein Sensorelement 104, ein Magnetmodul 206 und eine Welle 210. Das System 200 integriert das Sensormodul 102 mit der Welle 210, was das Sensormodul 102 und das Magnetmodul 206 vor Störungen abschirmt und durch das Magnetmodul 206 erzeugte Magnetfelder verstärkt.
Das Sensormodul 102 enthält das Sensorelement 104, das in einem Gehäuse gebildet ist. Das Gehäuse ist üblicherweise überspritzter Kunststoff, darauf aber nicht beschränkt. Das Sensorelement 104 kann mit einem Leiterrahmen konfiguriert sein. Wie hinsichtlich 13 ausführlicher erläutert wird, enthält das Modul 102 dann Verbindungen von dem Leiterrahmen des Sensorelements 104 zu Anschlüssen oder externen Verbindungen.
Das Gehäuse 212 kann Teil eines Getriebekastens, eines Raums, einer Antriebsstrang-Brennkraftmaschine und dergleichen sein. Das Gehäuse 212 ist so konfiguriert, dass es die Welle 210 aufnimmt und stützt. In einer Ausführungsform enthält das Gehäuse 212 eine ausgehöhlte Aussparung, in die die Welle 210 eingeführt ist. Um die Drehung der Welle 210 ohne übermäßige Reibung zu ermöglichen, sind Lager 202 oder eine andere Komponente/Vorrichtung konfiguriert. Außerdem kann das Gehäuse 212 eine Modulöffnung enthalten, in die ein Sensormodul 102 eingeführt oder in der es positioniert ist. Außerdem ist zu verstehen, dass das Sensormodul 102, wenn es in der Modulöffnung platziert ist, eine beabsichtigte Positionierung des tatsächlichen Sensorelements 104 relativ zu der drehbaren Welle 210 und einem Magneten 206, der Drehungen der Welle 210 für das Sensorelement 104 ”sichtbar” macht, erleichtert. Es wird angemerkt, dass das Sensormodul 102 aus dem Gehäuse 212 herausnehmbar ist. In einem anderen Beispiel ist das Sensormodul nicht herausnehmbar an dem Gehäuse 212 befestigt. In einem Beispiel stellt das Gehäuse 212 eine hermetische Abdichtung bereit, die das Sensormodul 102 vor Fremdkörpern und Verunreinigungen schützt. Außerdem kann das Gehäuse 212 so konfiguriert sein, dass es eine magnetische und/oder elektrische Abschirmung bereitstellt. Aspekte der Abschirmung des Sensorelements 104 und/oder des Magneten 206 vor irgendwelchen externen Magnetfeldern werden im Folgenden hinsichtlich 10–18 ausführlicher diskutiert.
Die Welle 210 ist von dem Gehäuse 212 getrennt. Ein erstes Ende der Welle ist an einem Motor oder an einem anderen drehbaren Gegenstand angebracht und ein zweites Ende befindet sich in der Nähe des Gehäuses 212. Das zweite Ende der Welle 210 kann mit Lagern 202 gekoppelt sein, um die Drehung zu ermöglichen. Die Welle 210 kann Teil eines Kraftfahrzeugsystems wie etwa eines Antriebsstrangs, eines Getriebesystems und dergleichen sein. Die Welle 210 ist allgemein ein langer zylindrischer Stab, der aus einem geeigneten Material wie etwa aus einem Metall, aus einem weichmagnetischen Material und dergleichen besteht. Einige Beispiele eines geeigneten Metalls enthalten Stahl und Aluminium. Ein Beispiel eines weichmagnetischen Materials enthält ein Material, das eine magnetische Permeabilität größer als 1 aufweist. Die Welle 210 dreht sich in einem Bereich von Umdrehungen pro Minute (min^–1) und in einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn. Die Umdrehungen pro Minute können niedrige Drehzahlbereiche wie etwa 0 bis 200 Umdrehungen pro Minute und hohe Drehzahlbereiche wie etwa jene, die 4000 Umdrehungen pro Minute übersteigen, enthalten.
Die Welle 210 ist mit einer Drehachse gezeigt, die als z gezeigt ist. Die Welle 210 dreht sich mit einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn um die Drehachse.
Die Welle 210 kann ausgehöhlt, voll oder auf andere Weise konfiguriert sein. In 2 ist die Welle 210 ausgehöhlt und weist eine ausgewählte Wanddicke auf. Alternativ kann die Welle 210 voll sein und wie in 2 gezeigt einen Endabschnitt mit einer verdünnten Wand umfassen. Wenigstens ein Abschnitt des Sensormoduls 102 und des Sensorelements 104 verläuft bei dem zweiten Ende teilweise in den offenen Abschnitt der Welle 210. Außerdem befindet sich das Magnetmodul 206 ebenfalls wenigstens teilweise innerhalb des offenen Abschnitts. Dadurch, dass die Welle ausgehöhlt ist, kann sie im Vergleich zu Vollwellen niedrigere Kosten und ein niedrigeres Gewicht aufweisen.
Das Magnetmodul 206 erzeugt ein Magnetfeld, das einen Fluss aufweist und für die Messung konfiguriert ist. In diesem Beispiel enthält das Magnetmodul 206 einen ringförmigen Magneten, der entlang einer Innenoberfläche der Welle 210, das heißt in 2 entlang einer Innenumfangsoberfläche, positioniert ist. Der ringförmige Magnet umgibt teilweise das Sensormodul 102 und umgibt das Sensorelement 104 hinsichtlich der Drehachse z.
In diesem Beispiel ist das Sensormodul 102 in das Gehäuse 212 integriert. Das Sensormodul 102 kann zwischen dem Sensormodul 102 und dem Gehäuse 212 (in 2 nicht gezeigt) einen O-Ring oder ein ähnliches Material zum Abdichten enthalten. Das Sensorelement 104 ist in der Nähe eines zweiten Endes des Moduls 102 positioniert. Üblicherweise misst das Sensorelement 104 das durch das Magnetmodul 206 erzeugte Magnetfeld, genauer eine Richtung des Magnetfelds, wenn es als ein Winkelsensor verwendet ist. Bei Drehung der Welle 210 erscheint das durch den Magneten erzeugte Magnetfeld für das Sensorelement 104 als ein sich drehendes Magnetfeld, das zum Überwachen einer Drehposition der Welle verwendet werden kann.
Die durch das Sensorelement 104 erhaltenen Messwerte werden zum Berechnen von Winkelmesswerten einschließlich der radialen Position der Welle, der Winkelposition der Welle, der Umdrehungen pro Minute, der Drehrichtung und dergleichen verwendet.
Eine Steuereinheit wie etwa eine elektronische Steuereinheit (ECU) kann die Messwerte und/oder Winkelinformationen von dem Sensormodul 102 empfangen.
3 ist eine Querschnittsansicht eines in eine Welle integrierten Sensorsystems 300 mit einer Hohlwelle oder wenigstens mit einem dünnwandigen Endabschnitt der Welle und mit einem tablettenförmigen Magneten. Um das Verständnis zu erleichtern, ist das System 300 in einer vereinfachten Form gegeben. Das System 300 kann in rauen Umgebungen, in Kraftfahrzeugsystemen, in Fahrzeugsystemen und dergleichen genutzt werden. Das System 300 kann in einer oder in mehreren Vorrichtungen hergestellt werden. Das System 300 ist ähnlich dem oben beschriebenen System 200, nutzt aber anstelle eines ringförmigen Magneten einen tablettenförmigen oder abgerundet geformten Magneten. Auf zusätzliche Einzelheiten für einige der Komponenten kann aus der obigen Beschreibung ähnlich bezeichneter Komponenten Bezug genommen werden.
Das System 300 enthält ein Gehäuse 212, ein Sensormodul 102, ein Sensorelement 104, ein Magnetmodul 306 und eine Welle 210. Das System 300 integriert das Sensormodul 102 in die Welle 210, die das Sensormodul 102 elektrisch, mechanisch und/oder magnetisch vor Störungen abschirmt.
Das Sensormodul 102 enthält das Sensorelement 104, das innerhalb eines Gehäuses gebildet ist. Das Gehäuse ist ein überspritzter Kunststoff. Üblicherweise ist das Sensorelement 104 mit einem Leiterrahmen konfiguriert. Das Modul 102 enthält Verbindungen von dem Leiterrahmen des Sensorelements 104 zu Anschlüssen oder externen Verbindungen.
Das Gehäuse 212 kann Teil eines Antriebsstrangs, eines Getriebesystems und dergleichen sein. Das Gehäuse 212 ist zum Aufnehmen und Stützen der Welle 210 konfiguriert. Das Gehäuse 212 enthält eine ausgehöhlte Aussparung, die als eine Gehäuseaussparung bezeichnet ist, in die die Welle 210 eingeführt ist. Die Lager 202 oder eine andere Komponente/Vorrichtung sind so konfiguriert, dass sie die Drehung der Welle 210 ohne übermäßige Reibung ermöglichen.
Die Welle 210 ist von dem Gehäuse 212 getrennt. Ein erstes Ende der Welle ist an einem Motor oder an einem anderen drehbaren Gegenstand befestigt und ein zweites Ende befindet sich in der Nähe des Gehäuses 212. Wie oben beschrieben ist, ist die Welle 210 allgemein ein langer zylindrischer Stab, der aus einem geeigneten Material besteht. Die Welle 210 dreht sich in einem Bereich von Umdrehungen pro Minute (min^–1) und in einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn. Die Umdrehungen pro Minute können niedrige Umdrehungsbereiche wie etwa 0 bis 200 Umdrehungen pro Minute und hohe Umdrehungsbereiche wie etwa die über 4000 Umdrehungen pro Minute enthalten.
Die Welle 210 kann ausgehöhlt, voll oder auf andere Weise konfiguriert sein. In 3 ist die Welle 210 wieder ausgehöhlt und weist eine ausgewählte Wanddicke auf. Ein Abschnitt des Sensormoduls 102 verläuft bei dem zweiten Ende teilweise in den offenen Abschnitt der Welle 210. Das Magnetmodul 306 befindet sich innerhalb des offenen Abschnitts der Welle.
Das Magnetmodul 306 erzeugt ein Magnetfeld, das einen Fluss aufweist und für die Messung konfiguriert ist. Die Welle 210 verstärkt das erzeugte Magnetfeld. In diesem Beispiel enthält das Magnetmodul 306 einen tablettenförmigen oder abgerundet geformten Magneten, der in der Welle 210 über die Öffnung positioniert ist. Der tablettenförmige Magnet ist entlang derselben Achse z wie das Sensormodul 102 und das Sensorelement 104 positioniert. Darüber hinaus weist der tablettenförmige Magnet einen Durchmesser und eine Dicke auf, die so gewählt sind, dass sie ein geeignetes Magnetfeld bereitstellen. Der Durchmesser kann kleiner als ein Durchmesser der Innenoberfläche der Welle 210 sein.
Das Sensormodul 102 ist wie oben beschrieben in das Gehäuse 212 integriert. Das Sensormodul 102 kann zwischen dem Sensormodul 102 und dem Gehäuse 212 einen O-Ring oder ein ähnliches Material zum Abdichten enthalten. Das Sensorelement ist in der Nähe eines zweiten Endes des Moduls 102 positioniert. Das Sensorelement 104 misst das Magnetfeld, genauer eine Orientierung des durch das Magnetmodul 306 erzeugten Magnetfelds.
Die durch das Sensorelement 104 erhaltenen Messwerte werden zum Berechnen der Azimutposition oder der Winkelposition der Welle, der Umdrehungen pro Minute (min^–1), der Drehrichtung und dergleichen verwendet.
Eine Steuereinheit wie etwa eine elektronische Steuereinheit (ECU) kann die Messwerte und/oder die Winkelinformationen von dem Sensormodul 102 empfangen.
4 ist eine Querschnittsansicht eines Sensorsystems 400 mit einer Vollwelle 410 und mit einem ringförmigen Magnetmodul 206. Um das Verständnis zu erleichtern, ist das System 400 in vereinfachter Form gegeben. Das System 400 kann in rauen Umgebungen, in Kraftfahrzeugsystemen, in Fahrzeugsystemen und dergleichen genutzt werden. Außerdem kann das System 400 in einer oder in mehreren Vorrichtungen hergestellt werden. Auf zusätzliche Einzelheiten für einige der Komponenten kann aus der obigen Beschreibung ähnlich bezeichneter Komponenten Bezug genommen werden.
Das System 400 enthält ein Gehäuse 212, ein Sensormodul 102, ein Sensorelement 104, ein Magnetmodul 206 und eine Welle 410. Das System 200 integriert das Sensormodul 102 in die Welle 410, die das Sensormodul 102 vor Störungen elektrisch, mechanisch und/oder magnetisch abschirmt.
Das Sensormodul 102 enthält wieder das Sensorelement 104, das optional in einem Gehäuse gebildet ist. In einem Beispiel ist das Gehäuse ein überspritzter Kunststoff. Das Sensorelement 104 kann mit einem Leiterrahmen konfiguriert sein. Das Modul 102 kann Verbindungen von dem Leiterrahmen des Sensorelements 104 zu Anschlüssen oder externen Verbindungen enthalten.
Das Gehäuse 212 kann Teil eines Antriebsstrangs, eines Getriebesystems und dergleichen sein. Das Gehäuse 212 ist dafür konfiguriert, die Welle 410 aufzunehmen und zu stützen. Das Gehäuse 212 enthält eine ausgehöhlte Aussparung, in die die Welle 410 eingeführt ist. Optionale Lager 202 oder eine andere Komponente/Vorrichtung sind dafür konfiguriert, die Drehung der Welle 410 ohne übermäßige Reibung zu ermöglichen.
Die Welle 410 ist von dem Gehäuse 212 getrennt. Ein erstes Ende der Welle ist an einem Motor oder an einem anderen drehbaren Gegenstand angebracht und ein zweites Ende befindet sich in der Nähe des Gehäuses 212. Die Welle 410 ist allgemein ein langer zylindrischer Stab, der aus einem geeigneten Material wie etwa einem Metall besteht. Oben sind einige Beispiele eines geeigneten Metalls gezeigt. Die Welle 410 dreht sich in einem Bereich von Umdrehungen pro Minute (min^–1) und in einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn. Die Umdrehungen pro Minute können niedrige Drehzahlbereiche wie etwa 0 bis 200 Umdrehungen pro Minute und hohe Drehzahlbereiche wie etwa jene über 4000 Umdrehungen pro Minute enthalten.
In diesem Beispiel ist die Welle 410 voll und weist einen ausgewählten Durchmesser auf. Das zweite Ende der Welle 410 enthält einen Wellenhohlraum 414. Der Hohlraum 414 wird innerhalb des zweiten Endes unter Verwendung eines geeigneten Mechanismus wie etwa Bohren gebildet. Der Hohlraum 414 weist einen Durchmesser und eine Tiefe auf. Wenigstens ein Abschnitt des Sensormoduls 102 verläuft in den Wellenhohlraum 414. Außerdem befindet sich das Magnetmodul 206 innerhalb des Wellenhohlraums. Dadurch, dass die Welle 410 voll ist, kann sie im Vergleich zu ausgehöhlten Wellen, wie sie hinsichtlich in 2 und 3 diskutiert sind, eine bessere Festigkeit aufweisen.
Das Magnetmodul 206 erzeugt ein Magnetfeld, das einen Fluss aufweist und für die Messung konfiguriert ist. In diesem Beispiel enthält das Magnetmodul 206 einen ringförmigen Magneten, der um eine Innenoberfläche des Wellenhohlraums 414 positioniert ist. Der ringförmige Magnet umgibt das Sensormodul 102 teilweise und umgibt das Sensorelement 104 in z-Richtung. Üblicherweise stellt der ringförmige Magnet 206 ein besseres Feld für die Messung hinsichtlich axialer Verlagerung als ein tablettenförmiger Magnet bereit.
In diesem Beispiel ist das Sensormodul 102 in das Gehäuse 212 integriert. Das Sensormodul 102 kann einen O-Ring oder ein ähnliches Material enthalten, um zwischen dem Sensormodul 102 und dem Gehäuse 212 abzudichten. Das Sensorelement ist in der Nähe eines zweiten Endes des Moduls 102 positioniert. Das Sensorelement 104 misst das durch das Magnetmodul 206 erzeugte Magnetfeld.
Die durch das Sensorelement 104 erhaltenen Messungen werden zum Berechnen der radialen Position der Welle, der Umdrehungen pro Minute (min^–1), der Drehrichtung und dergleichen verwendet. Eine Steuereinheit (nicht gezeigt) wie etwa eine elektronische Steuereinheit (ECU) kann die Messwerte und/oder die Winkelinformationen von dem Sensormodul 102 empfangen.
5 ist eine Querschnittsansicht eines in eine Welle integrierten Sensorsystems 500 mit einer Vollwelle 410 und einem tablettenförmigen Magneten 306. Zur Erleichterung des Verständnisses ist das System 500 in einer vereinfachten Form gegeben. Das System 500 kann in rauen Umgebungen, Kraftfahrzeugsystemen, Fahrzeugsystemen und dergleichen genutzt werden. Außerdem kann das System 500 in einer oder in mehreren Vorrichtungen hergestellt werden. Auf zusätzliche Einzelheiten für einige der Komponenten kann aus der obigen Beschreibung ähnlich bezeichneter Komponenten Bezug genommen werden.
Das System 500 enthält ein Gehäuse 212, ein Sensormodul 102, ein Sensorelement 104, ein Magnetmodul 306 und eine Welle 410. Das System 200 integriert das Sensormodul 102 und das Magnetmodul 306 in die Welle 410, die das Sensormodul 102 elektrisch, mechanisch und/oder magnetisch vor Störungen abschirmt.
Das Sensormodul 102 enthält das innerhalb eines Gehäuses gebildete Sensorelement 104. Das Gehäuse ist ein überspritzter Kunststoff. Das Sensorelement 104 kann mit einem Leiterrahmen konfiguriert sein. Das Modul 102 enthält Verbindungen von dem Leiterrahmen des Sensorelements 104 zu Anschlüssen oder externen Verbindungen.
Das Gehäuse 212 kann Teil eines Antriebsstrangs, eines Getriebesystems und dergleichen sein. Das Gehäuse 212 ist zum Aufnehmen und Stützen der Welle 410 konfiguriert. Das Gehäuse 212 enthält eine ausgehöhlte Aussparung, in die die Welle 410 eingeführt ist. Die Lager 202 oder eine andere Komponente/Vorrichtung sind dafür konfiguriert, die Drehung der Welle 410 ohne übermäßige Reibung zu ermöglichen.
Die Welle 410 ist von dem Gehäuse 212 getrennt. Ein erstes Ende der Welle 410 ist an einem Motor oder an einem anderen drehbaren Gegenstand angebracht und ein zweites Ende befindet sich in der Nähe des Gehäuses 212. Wie etwa oben gezeigt ist, ist die Welle 410 allgemein ein langer zylindrischer Stab, der aus einem geeigneten Material besteht. Die Welle 410 dreht sich in einem Bereich von Umdrehungen pro Minute (min^–1) und in eine Drehrichtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn. Die Umdrehungen pro Minute können niedrige Drehzahlbereiche und hohe Drehzahlbereiche und Varianten davon enthalten.
Die Welle 410 ist voll und weist einen ausgewählten Durchmesser auf. Das zweite Ende der Welle 410 enthält einen Wellenhohlraum 414. Der Hohlraum 414 wird innerhalb des zweiten Endes unter Verwendung eines geeigneten Mechanismus gebildet. Der Hohlraum 414 weist einen Durchmesser und eine Tiefe auf. Ein Abschnitt des Sensormoduls 102 verläuft teilweise in den Wellenhohlraum 414. Außerdem befindet sich das Magnetmodul 306 innerhalb des Wellenhohlraums.
Das Magnetmodul 306 erzeugt ein Magnetfeld, das einen Fluss aufweist und für die Messung konfiguriert ist. In diesem Beispiel enthält das Magnetmodul 306 einen tablettenförmigen Magneten, der in dem Wellenhohlraum 414 positioniert ist. Der tablettenförmige Magnet ist mit dem Sensor 104 auf einer Achse, das heißt in 5 auf der z-Achse, positioniert. Wie oben hinsichtlich 3 beschrieben ist, weist der tablettenförmige Magnet ferner einen Durchmesser und eine Dicke auf.
In diesem Beispiel ist das Sensormodul 102 in das Gehäuse 212 und in die Welle 410 integriert. Das Sensormodul 102 kann zwischen dem Sensormodul 102 und dem Gehäuse 212 einen O-Ring oder ein ähnliches Material zum Abdichten enthalten. Das Sensorelement 104 ist in der Nähe eines zweiten Endes des Moduls 102 positioniert. Das Sensorelement 104 misst das durch das Magnetmodul 206 erzeugte Magnetfeld oder eine Richtung des durch das Magnetmodul 206 erzeugten Magnetfelds. Das Magnetfeld von dem Magneten 206 ist für einen Sensor als ein sich drehendes Magnetfeld, das eine Winkelposition der Drehwelle 410 angibt, ”sichtbar”.
Wie bereits oben erläutert wurde, werden die durch das Sensorelement 104 erhaltenen Messwerte zum Berechnen der radialen Position der Welle, der Umdrehungen pro Minute (min^–1), der Drehrichtung und dergleichen verwendet. Eine Steuereinheit (nicht gezeigt) wie etwa eine elektronische Steuereinheit (ECU) kann die Messwerte und/oder die Winkelinformationen von dem Sensormodul 102 empfangen. Die Messwerte oder Informationen enthalten analoge oder digitale Ursprungsdaten, berechnete Winkelinformationen und dergleichen.
6 ist eine Darstellung, die ein Sensormodulsystem 600 zeigt. Das System 600 kann mit den obigen Systemen und Vorrichtungen verwendet werden und wird zur Erleichterung des Verständnisses gegeben.
Das System 600 enthält ein Sensormodul 102, eine Schnittstelle 616 und einen Controller oder eine Steuereinheit 614. Das Sensormodul 102 enthält ein Sensorelement 104. Das Sensorelement 104 ist eine magnetempfindliche Technologie wie etwa magnetoresistiv, Hall-Effekt und dergleichen. Das Sensorelement 104 ist dafür konfiguriert, ein Magnetfeld, eine Magnetflussdichte, eine Magnetfeldrichtung und dergleichen in der Nähe des Elements 104 zu messen. Das Sensorelement 104 ist auf einem Die gebildet und weist einen Leiterrahmen für Leistung und zur Bereitstellung von Messwerten auf.
Das Sensormodul 102 enthält ein Gehäuse 618, das aus einem geeigneten Material wie etwa überspritztem Kunststoff gebildet ist. Das Gehäuse 618 dichtet das Sensorelement 104 allgemein vor Fremdkörpern und anderen Störungen ab.
Die Schnittstelle 616 ist mit dem Sensorelement 104 verbunden. Die Schnittstelle 616 kann eine oder mehrere Drahte/Verbindungen zu dem Sensorelement 104 und extern zu dem Gehäuse 618 enthalten. Die Schnittstelle 616 ist zum Übertragen von Messergebnissen von dem Sensorelement 104 an den Controller 614 und zum Bereitstellen von Leistung für das Sensorelement 104 konfiguriert.
Der Controller 614 ist mit der Schnittstelle 616 verbunden und zum Steuern des Sensorelements 104 und zum Empfangen von Magnetfeld-/Magnetflussmessergebnissen von dem Sensorelement 104 konfiguriert. Der Controller 614 bestimmt Winkelinformationen um eine Komponente wie etwa eine Winkelposition, eine angewinkelte Position, eine Drehzahl, eine Beschleunigung und dergleichen. Die Komponente ist allgemein eine drehbare Komponente wie etwa eine Motorwelle, ein Rad, eine Antriebsstrangwelle, eine Getriebewelle und dergleichen. Insbesondere ist der Controller 614 dafür konfiguriert, die Winkelposition, die Winkelrichtung, die Umdrehungen pro Minute und dergleichen zu bestimmen.
7 ist eine Querschnittsansicht eines ringförmigen Magneten 700, der in einem Magnetmodul wie etwa in den oben beschriebenen Magnetmodulen genutzt werden kann. Der ringförmige Magnet 700 kann in den obigen Systemen genutzt werden, um ein Magnetfeld zur Messung von Winkelinformationen einschließlich der Position und der Umdrehungen pro Minute zu erzeugen.
Der Magnet 700 ist innerhalb eines Endes einer Welle eines Motors, eines Rads und dergleichen positioniert. Der Magnet erzeugt ein geeignetes Feld, das durch seine Zusammensetzung und seine Dimensionen bestimmt ist.
Die Dimensionen enthalten einen Außendurchmesser 720, eine Breitendicke 722 und einen Innendurchmesser 724. Die Differenz zwischen dem Innendurchmesser 724 und dem Außendurchmesser definiert eine Ringdicke. Allgemein ist das erzeugte Magnetfeld umso größer und das Sensorelement umso toleranter gegen Verlagerungen des Sensors relativ zu dem Magneten, auch als Positionierungstoleranzen bezeichnet, je größer die Breitendicke und die Ringdicke sind.
8 ist eine Querschnittsansicht eines tablettenförmigen oder abgerundet geformten Magneten 800, der in einem Magnetmodul wie etwa in den oben beschriebenen Magnetmodulen genutzt werden kann. Der tablettenförmige Magnet 800 kann in den obigen Systemen genutzt werden, um ein Magnetfeld zur Messung von Winkelinformationen einschließlich der Position und der Umdrehungen pro Minute zu erzeugen.
Der Magnet 800 kann innerhalb eines Endes einer Welle eines Motors, eines Rads und dergleichen positioniert sein. Der Magnet 800 erzeugt eine geeignete Magnetfeldverteilung oder einen geeigneten Magnetfeldfluss, die durch seine Zusammensetzung und Dimensionen bestimmt sind.
Die Dimensionen enthalten einen Durchmesser 820 und eine Dicke 822. Wie im Folgenden ausführlicher erläutert wird, ist das erzeugte Magnetfeld allgemein umso größer und kann das Sensorelement umso toleranter gegen Positionstoleranzen sein, je größer der Durchmesser 820 und je größer die Dicke 822 ist.
9 ist ein Ablaufplan, der ein Verfahren 900 zum Betreiben einer Sensorvorrichtung darstellt. Das Verfahren 900 führt ein Sensormodul in eine Welle ein oder integriert es in diese, um eine Abschirmung gegen Störungen bereitzustellen, und verstärkt optional die Erzeugung eines Magnetfelds. Das Verfahren 900 kann zusammen mit den obigen Systemen, Vorrichtungen und Varianten davon verwendet werden.
Das Verfahren 900 beginnt im Block 902, in dem ein Sensormodul in einer Welle und/oder einem Gehäuse konfiguriert oder positioniert wird. Die Welle stellt für das Sensormodul eine Abschirmung bereit, so dass Störungen wie etwa die oben Beschriebenen gemildert oder vermieden werden. Das Gehäuse kann eine Umhüllung oder eine Wand eines Raums wie etwa einer Kraftfahrzeuggetriebekomponente und dergleichen sein. Das Sensormodul kann überspritzt sein und ist üblicherweise aus dem Gehäuse entnehmbar. Das Sensormodul enthält ein Sensorelement (magnetoresistiv), das dafür konfiguriert ist, Magnetfelder in einer, in zwei oder in drei Achsen (1D, 2D, 3D) oder eine Richtung von Magnetfeldern zu messen.
Im Block 904 wird eine Welle dafür konfiguriert, eine Wellenaussparung zu besitzen, und wird innerhalb der Wellenaussparung ein Magnetmodul positioniert. Die Wellenaussparung kann durch Bohren oder durch einen anderen geeigneten Mechanismus in einer Vollwelle oder einer ausgehöhlten Welle gebildet werden. Das Magnetmodul enthält einen Magneten wie etwa einen ringförmigen Magneten oder einen tablettenförmigen Magneten.
Im Block 906 wird durch das Magnetmodul ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld dreht sich mit der Welle, während die Welle gedreht wird. Das Magnetmodul ist vor Störungen durch die Welle im Wesentlichen abgeschirmt und im Ergebnis wird das Magnetfeld ohne die Störungen erzeugt.
Im Block 908 wird das Magnetfeld durch das Sensormodul gemessen. Das Sensormodul wird durch die Welle abgeschirmt und wird im Ergebnis im Wesentlichen von Störungen abgeschirmt. Im Ergebnis sind Magnetfeldmessungen unter Verwendung einer Abschirmung allgemein genauer als nicht abgeschirmte Vorgehensweisen.
Im Block 910 werden Winkelinformationen durch eine Steuereinheit auf der Grundlage der Magnetfeldmesswerte bestimmt. Die Winkelinformationen enthalten zum Beispiel die Drehzahl der Welle, die Winkelposition der Welle und dergleichen. Es wird gewürdigt werden, dass die Winkelinformationen alternativ durch das Sensorelement hergeleitet werden können und dass die hergeleiteten Winkelinformationen an die ECU weitergeleitet werden.
Unter Betrachtung eines Aufbaus wie in 10 wird im Folgenden diskutiert, wie tief das Sensorelement (wie zum Beispiel hinsichtlich 1–6 diskutiert ist) vorzugsweise innerhalb der Achse oder des Rohrs 101 sein sollte. 10 zeigt eine Querschnittsansicht einer Welle 101 mit einer Bohrung an ihrem linken Ende. Ein Bohrungsdurchmesser ist Di. Die Welle 101 kann aus einem weichmagnetischen Material hergestellt sein. Das heißt, dass die relative Permeabilität μ_r größer als 100, üblicherweise zwischen 1000 und 10.000, ist und dass die Koerzitivkraft klein, üblicherweise kleiner als 1 kA/m, ist. Der Magnet (siehe zum Beispiel der Magnet 206 in 2 und 4, der Magnet 306 in 3 und 5, der Magnetring 700 in 7 oder die Magnettablette 800 aus 8) ist hier nicht gezeigt, da er für die folgende Regel, die gegeben wird, irrelevant ist.
Das Sensorelement 104 (in 10 nicht gezeigt) weist einen empfindlichen Fleck auf, der auf der Drehachse z durch ein Kreuz x bezeichnet ist. Unabhängig von einem gegebenen Magneten sollte der empfindliche Fleck des Magnetfelderfassungselements 104 (zum Beispiel des Sensorelements 104 jeweils aus 1–6) vorzugsweise in einer Entfernung da innerhalb der Bohrung sein, wobei da > 0,4·Di ist. Unter dieser Bedingung schirmt das permeable dünnwandige Wellenende externe Magnetfelder von dem Sensorelement 104 wirksam ab. Falls das Sensorelement 104 weiter als da = 0,4·Di eingeführt ist, verbessert sich die Abschirmung allgemein, für ein großes da allerdings nur mäßig. Falls das Sensorelement 104 weniger als da = > 0,4·Di eingeführt ist, ist bei dem Sensorort immer noch ein erheblicher Anteil irgendeines externen Magnetfelds vorhanden, wobei er die (Winkel-)Sensorfunktion des Sensorelements 104 verfälschen kann.
11A zeigt eine Konfiguration, die für numerische Simulationen verwendet wird, um den obigen Schätzwert der Einführung des Sensorelements 104, die kleiner als 0,4·Di sein soll, in die Bohrung eines dünnwandigen Endabschnitts einer drehbaren Welle 101 zu erreichen. Die in der Simulation angenommenen Parameter waren: ein Innendurchmesser Di = 22 mm der Welle, ein Außendurchmesser der Welle von 26 mm, eine relative Permeabilität μ_r der Achse wurde von 100 auf 7400 geändert. Das Rohr 101 verläuft entlang der z-Richtung von z = –50 mm bis +50 mm. Wegen Symmetriebetrachtungen ist in 11A nur 1/8 der Geometrie modelliert. In diesen Simulationen wurde ein magnetisches Störfeld in der B_x-Richtung angelegt und wurde angenommen, dass das Sensorelement 104 empfindlich für die B_x-Komponente ist.
11B stellt Ergebnisse einer Simulation auf der Grundlage der Parameter und des Aufbaus, wie sie in Verbindung mit 11A dargestellt sind, dar. In 11B ist ein Betrag des Verhältnisses der Komponente B_x, abgetastet bei dem Sensorort, über der angelegten Komponente B_x in einer großen Entfernung außerhalb des Rohrs aufgetragen.
Als Abszisse für die graphische Darstellung aus 11B ist ein Verhältnis der z-Position über dem Durchmesser (bei z = 0,05 m endet das Rohr) aufgetragen, was für die obigen in der Simulation verwendeten Parameter gleich (–1)·da/Di ist. Der Parameter, der in der Simulation aus 11B geändert wurde, war die relative Permeabilität μ_r.
Falls ein Testpunkt, das heißt die potentielle Sensorposition entlang der z-Achse, die Hälfte eines Durchmessers innerhalb des Rohrs 101 ist, ist die Abschirmung recht gut. Tief innerhalb des Rohrs 101 ist die Abschirmung in Übereinstimmung mit Kaden ”Wirbelströme und Schirmung in der Nachrichtentechnik”, S. 82, 1/(1 + μ_r· d / Di), wobei d eine Wanddicke bezeichnet. In Übereinstimmung mit 10 ist 2·d gleich (Außendurchmesser D – Innendurchmesser Di).
Aus dieser Formel kann die folgende Faustformel für den Winkelfehler gefolgert werden, wenn das Magnetfelderfassungselement tief innerhalb der Bohrung ist: ein Winkelfehler [°] = ca. (57/μ_r)·(Di/d)·(B_d/B_m), wobei das Störungsmagnetfeld B_d ist und das Magnetfeld des Magneten B_m ist. Üblicherweise sind die Störungsfelder bis zu 1,5 mT, ist das Feld des Magneten 40 mT und sollte der Winkelfehler kleiner als 0,2° sein.
Somit wird eine folgende Entwurfsregel erreicht: μ_r·d/Di > 10. Die relative Permeabilität μ_r der Abschirmung mal ihrer Dicke d, dividiert durch den Innendurchmesser, sollte größer als 10 sein.
Beispiel:
Das Rohr 101 weist einen Innendurchmesser von 22 mm und eine Wanddicke von 2 mm auf, das Feld des Magneten ist 40 mT und die Störung ist 1,5 mT. Falls der Sensor 11 mm innerhalb des Rohrs mit μ_r = 800 ist, ist die Abschirmung 3%, so dass die Störung innerhalb des Rohrs 0,03·1,5 mT = 0,045 mT beträgt. Dies gibt einen Winkelfehler von 0,045/40·180/pi = 0,065° und es gilt μ_r·d/Di = 800·2/22 = 73 > 10.
Falls μ_r um einen Faktor von 7,3 verringert würde, würde dies einen Grenzwert von μ_r·d/Di = 10 geben und auf den Winkelfehler von 0,065°·7,3 = 0,47° führen. Für eine bessere Abschirmung sind ein größeres μ_r und/oder eine dickere Wand des Rohrs 101 und/oder ein kleinerer Durchmesser Di der Bohrung jeweils von Vorteil.
Aus der obigen numerischen Simulation versteht der Durchschnittsfachmann, dass die Abschirmung für kleines μ_r kleiner als für großes μ_r ist – was trivial ist. Allerdings erkennt der Durchschnittsfachmann ferner, dass es für großes μ_r von größerem Interesse ist, das Sensorelement 104 tief genug in die Bohrung der Welle 101 einzuführen: Das heißt, falls das Sensorelement 104 nur 0,4·Di in die Bohrung eingeführt würde (was dem Abszissenwert (z – 0,05)/0,022 = –0,4 entspricht), ist die Abschirmung für μ_r = 7400 und μ_r = 3200 im Wesentlichen dieselbe, während die Kurve für μ_r = 7400 externe Felder mehr als 2,5-mal besser als für μ_r = 3200 abschirmt, falls das Sensorelement 104 um Di eingeführt würde (was dem Abszissenwert (z – 0,05)/0,022 = –1 entspricht).
Ein weiterer zu betrachtender Aspekt ist eine Wirkung von Wirbelströmen und/oder einer Hysterese für einen Aufbau, bei dem das Sensorelement 104 und/oder der Magnet innerhalb einer Bohrung entlang der Drehachse angeordnet sind.
Falls das Magneterfassungselement 104 entlang der Drehachse (die in 10 die z-Achse ist) positioniert ist und falls der Permanentmagnet an der drehbaren Welle angebracht ist, gibt es zwei Möglichkeiten für die Abschirmung des Magneterfassungselements 104 vor externen magnetischen Störungen:
(i) die Abschirmung kann in Bezug auf den Magneten in Ruhe sein, oder (ii) der Magnet und die Abschirmung können sich gegeneinander drehen.
Im Fall (i) kann die Abschirmung an dem Magneten oder an der Welle 101 angebracht sein, so dass sich der Magnet und die Abschirmung synchron um das (Magnetfeld-)Erfassungselement 104 drehen. Im Fall (ii) kann die Abschirmung an dem Sensorelement 104 oder an einem Stator wie etwa an einem Montagepunkt für die Welle, der sich mit der Welle dreht, angebracht sein.
Es ist bevorzugt, dass sich die Abschirmung nicht relativ zu dem Magneten bewegt. Ein solcher Aufbau verhindert, dass das starke Feld des Magneten (206 in 2, 4, 306 in 3, 5, 700 in 7 und 800 in 8) innerhalb der Abschirmung Wirbelströme erzeugt. Diese Wirbelströme sollten vermieden werden, da sie ein Sekundärmagnetfeld erzeugen, das zu einem Winkelfehler in der Winkelmessung des Sensors 104 führt. Die Wirbelströme führen zu einem Magnetfeld, das während der Drehung der Welle hinter dem sich drehenden Magnetfeld nacheilt, was umso kritischer ist, je schneller die Drehung der Welle 101 ist.
Darüber hinaus gibt es zwischen Wirbelströmen und Magnet eine kleine Kraft, die zum Beispiel in Form von Rotationsenergie, die in Wärme abgeleitet wird, stören könnte.
Ferner ist bei Verwendung einer Abschirmung eine genaue Relativpositionierung zwischen Abschirmung und Magnet von Interesse. Unter der Annahme, dass der Magnet und die Abschirmung nicht koaxial sind, kann dies das durch das Erfassungselement 104 erfasste Magnetfeld stören und zu Winkelfehlern führen. Allgemein ist es einfacher, eine genaue Position zwischen Abschirmung und Magnet zu definieren, falls sie sich nicht gegeneinander bewegen. Umgekehrt ist die relative Positionierung, zum Beispiel wegen Zwischenräumen in den Lagern 202, weniger genau, falls sie sich gegeneinander drehen.
Schließlich kann eine magnetische Hysterese der Abschirmung zu zusätzlichen Winkelfehlern für den gemessenen Winkel führen. Falls sich die Drehrichtung häufig ändert, kann die Abschirmung kleine magnetische Störungen zu dem durch den Magneten verursachten Magnetfeld hinzufügen. Wegen der Hysterese der magnetischen Abschirmung sind die magnetischen Störungen für die Drehung in Uhrzeigerrichtung und entgegen der Uhrzeigerrichtung üblicherweise verschieden, da die Hysterese der Abschirmung veranlasst, dass das Gesamtfeld hinter dem Feld des Magneten nacheilt.
In bestimmten Fällen könnte es immer noch bevorzugt sein, mit dem Sensor 104 eine magnetische Abschirmung zu verwenden, die in Ruhe ist, so dass sich der Magnet gegen die Abschirmung dreht: Ein solcher Aufbau ist von Interesse, falls das Trägheitsmoment der Welle 101 klein gehalten werden muss, so dass es unerwünscht ist, die Abschirmung an der Welle 101 anzubringen.
Weiter oben in dieser Offenbarung wurde das Erfassungselement 104 als eine integrierte Schaltung beschrieben. Als eine Alternative kann das Erfassungselement 104 als ein diskretes Element implementiert sein. Wie im Folgenden ausführlicher erläutert wird, haben beide Optionen ihre Vorteile.
Üblicherweise benötigt eine Winkelsensorschaltung, die das Erfassungselement 104 implementiert, wenigstens ein Magnetfelderfassungselement, um die Drehposition des Magneten auf der Grundlage des (sich drehenden) Magnetfelds bei der Sensorposition zu detektieren. Zu diesem Zweck können Magnetwiderstände wie AMRs (anisotrope Magnetwiderstände), GMRs (Riesenmagnetwiderstände), TMRs (Tunnelmagnetwiderstände), CMRs (kolossale Magnetwiderstände), Hall-Platten, Vertikal-Hall-Effektvorrichtungen, MAGFETs oder ein Magnetimpedanzsensorelement verwendet werden.
In vielen Fällen benötigt die Sensorschaltung sogar zwei oder mehr solche Sensorelemente, die in verschiedenen Richtungen ausgerichtet sind, um das Erfassungselement 104 zu implementieren: Die verschiedenen Richtungen sind: im Fall von Magnetwiderständen oder Hall-Effekt-Vorrichtungen ihre Referenzrichtungen (das heißt die Stromflussrichtung im Fall von AMRs, Hall-Effekt-Vorrichtungen und MAGFETs, während die Referenzrichtung eine Richtung der festen Magnetisierung im Fall von GMR, TMR, CMR ist). Die verschiedenen Richtungen müssen merklich verschieden sein, was wenigstens um 15° verschieden bedeutet.
In einem idealen Aufbau sind die verschiedenen Richtungen um 90° verschieden; mit Ausnahme von AMRs, wo sie um 45° verschieden sind. Im Vergleich zu dem Magneten sollten diese mehr als einen magnetischen Felderfassungselemente klein und nahe (im Vergleich zu einer charakteristischen Dimension des Magneten nahe) beieinander sein: Falls der Magnet eine Dimension von 10 mm hat, sollten alle Magnetfelderfassungselemente, die zum Berechnen des Winkels verwendet werden, wenn das Erfassungselement 104 implementiert ist, innerhalb eines Gebiets von < 0,5 mm (das heißt 1/20 des Magneten) liegen. Als eine bevorzugte obere Schranke ist zu sagen: Sie sollten nicht mehr als 1/10 der Größe des Magneten beabstandet sein. Die Größe des Magneten ist wie im Folgenden zu verstehen: Die Magnetanordnung ist üblicherweise durch drei räumliche Dimensionen charakterisiert. In Abhängigkeit von den Umständen können die drei räumlichen Dimensionen gleich sein, wobei diese Dimension in diesem Fall als eine Größe des Magneten angesehen werden kann. Falls die drei räumlichen Dimensionen des Magneten dagegen nicht gleich sind, können für den Rest dieser Offenbarung irgendwelche der drei räumlichen Dimensionen als repräsentativ für eine Größe des Magneten angesehen werden.
Für die Implementierung des Erfassungselements 104 ist es irrelevant, ob nur die Magnetfelderfassungselemente innerhalb der Bohrung 101 platziert sind oder ob Magnetfelderfassungselemente zuzüglich einer Signalaufbereitungsschaltungsanordnung innerhalb der Bohrung 101 platziert sind (am besten in 10 zu sehen). In dem ersten Fall kann das Erfassungselement 104 unter Verwendung diskreter Wandler implementiert sein, in dem letzteren Fall kann das Erfassungselement 104 unter Verwendung integrierter Sensoren implementiert sein.
Integrierte Sensoren sind so zu verstehen, dass sie eine integrierte Schaltung umfassen. Die integrierte Schaltung ist eine elektronische Schaltung, die den Sensorelementen Leistung zuführt und die ihre Ausgangssignale, zum Beispiel durch Vorverstärkung und A/D-Umsetzung und Kalibrierung gegenüber einer Temperaturdrift und dergleichen, optional aufbereitet.
In Abhängigkeit von den Umständen kann es von Interesse sein, den integrierten Sensor auf einem Einzelchip oder als eine Mehrchiplösung in einer gemeinsamen Baugruppe zu implementieren.
TMRs sind als diskrete Magnetfelderfassungsvorrichtungen ideal geeignet, da sie große Signale erzeugen, die über eine Entfernung von mehreren Zentimetern oder mehreren zehn Zentimetern an eine Signalaufbereitungsschaltung übertragen werden können. Außerdem ist es möglich, mehrere Chips in einer einzelnen elektronischen Baugruppe anzubringen und diese in die Bohrung der Welle 101 einzuführen.
Schließlich soll erwähnt werden, dass der integrierte Sensor, genauer ein Sensorchip, nicht auf die z-Achse oder auf irgendeine im Voraus definierte Orientierung innerhalb des Magneten oder innerhalb der Welle 101 ausgerichtet zu sein braucht, falls der integrierte Sensor, der das Erfassungselement 104 implementiert, ein 3D-Magnetfeldsensor ist. 3D-Magnetfeldsensoren sind als ein Sensor zu verstehen, der im Wesentlichen alle Komponenten des Magnetfeldvektors misst. Ein solcher 3D-Magnetfeldsensor kann aus einer Hall-Platte zum Detektieren zum Beispiel der x-Komponente des Magnetfeldvektors, aus einer Vertikal-Hall-Effekt-Vorrichtung zum Detektieren zum Beispiel der y-Komponente des Magnetfeldvektors zuzüglich einer Vertikal-Hall-Effekt-Vorrichtung zum Detektieren zum Beispiel der z-Komponente des Magnetfeldvektors, bestehen. Der Durchschnittsfachmann wird leicht andere mögliche Implementierungen eines 3D-Sensors, die hier der Kürze halber nicht erläutert werden sollen, würdigen.
Wie im Folgenden kurz diskutiert wird, wird der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ferner würdigen, dass ein beim Positionieren des Erfassungselements 104 innerhalb der Welle 210 verwendetes Lager 202 eine Wirkung auf eine Leistungsfähigkeit des Winkelsensors 104 haben kann.
12 stellt eine Querschnittsansicht des Endabschnitts der Welle 210 dar, die einen Magneten 206 umfasst. Das Lager 202 wird zum Montieren eines Gehäuses 212 verwendet, was wiederum beim Montieren des bzw. der Sensorelemente 104 hilft. Da das eine oder die mehreren Magnetfelderfassungselemente 104 und der Magnet 206 innerhalb der Bohrung bei dem Endabschnitt der Welle 210 platziert sind, besteht ein potentielles Risiko, dass das oder die Erfassungselemente 104 und/oder der Magnet 206 das Lager 202 (zum Beispiel ein Kugellager, darauf aber nicht beschränkt) der Welle 210, das üblicherweise ebenfalls in der Nähe des Endpunkts 210 der Welle ist, stören.
Andererseits verringert die Bohrung die Festigkeit der Welle 210. Falls eine Wanddicke ((D – Di)/2 in 10) ebenfalls niedrig ist, kann es geschehen, dass sich der Endabschnitt der Welle 210 unter starker Last verformt, was dazu führen kann, dass der Magnet 206 bricht oder sich löst und nicht mehr starr an der Welle 210 angebracht ist. Falls das Lager 202 versagt, kann es sich erwärmen, wobei dieser Temperaturanstieg verursachen kann, dass der Magnet 206 gestört wird oder zerfällt oder sich von dem Endabschnitt der Welle 210 löst. Üblicherweise nutzt das Lager 202 eine Art Fett, um die Reibung zu verringern, wobei dieses Fett die Sensorbaugruppe 102 und/oder den Magneten 206 erreichen kann, wo es zu einer unerwünschten chemischen Wechselwirkung (zum Beispiel zur Verringerung der Festigkeit des Klebstoffs, mit dem der Magnet 206 an der Welle 210 angebracht ist) führen kann.
Eine einfache Abhilfe gegen diese Probleme ist, das Sensorelement 104 und den Magneten tiefer in die Bohrung zu bewegen, was ohnehin empfohlen ist, um die elektromagnetische Abschirmung zu verbessern.
12A stellt eine erste Lösung zu einigen der wie oben diskutierten Probleme in Bezug auf das Lager 202 dar. 12A zeigt eine Querschnittsansicht eines Endabschnitts der Welle 101 parallel zu einer Drehachse, die als z-Achse angegeben ist.
In 12A ist ein Lager 202 weiter als in 12 über eine Welle 101 gezogen, das heißt, ist das Lager 202 weiter von der Bohrung entfernt positioniert. In dem Aufbau aus 12A gibt es zwei Magnete 206, die an einer Position des Erfassungselements 104 ein Magnetfeld erzeugen. Ohne Beschränkung können die Magnete 206 als einheitliches Glied implementiert sein oder mehr als zwei Glieder umfassen. Wie oben in Verbindung mit 10 diskutiert wurde, ist die Position des Erfassungselements 104 in einer Entfernung da von einer Öffnung der Bohrung beabstandet wieder durch ein Kreuz x bezeichnet.
Für die Anordnung aus 12A sind die Kraft und die mechanische Belastung, die von dem Magneten 206 erfahren werden und die durch das Lager 202 verursacht sind, minimiert. Mit anderen Worten, eine Wechselwirkung zwischen dem Lager 202 und dem Magneten 206 ist im Vergleich zu dem wie in 12 diskutierten Aufbau verringert. Eine thermische Kopplung zwischen dem Lager 202 und dem oder den Magneten 206 ist in dem Aufbau aus 12A im Vergleich zu dem Aufbau aus 12 minimiert. Die Welle 101 kann eine kleine Schulter 103 (zum Beispiel in radialer Richtung 1/10 mm) aufweisen, was vermeidet, dass der dünnwandige Teil der Welle 101 beschädigt wird, wenn das Lager 202 über die Welle 101 gezogen wird.
12B stellt eine Situation dar, nachdem an dem dünnwandigen Endabschnitt der Welle 101 wie in 12A dargestellt eine Hülse 214a angebracht worden ist. Der Kürze halber sind gleiche Elemente unter Verwendung gleicher Bezugszeichen dargestellt. Die Implementierung aus 12B soll gegenüber der Anordnung aus 12A wegen einer insgesamt erhöhten Wanddicke bei dem Endabschnitt der Welle 101 eine Abschirmung verbessern:
Es wird angemerkt, dass eine geringfügige Exzentrizität der Außenhülse 214a (zum Beispiel wegen Zusammenbautoleranzen – in 12B nicht gezeigt) einen Winkelfehler des Winkelsensors, das heißt des einen oder der mehreren Erfassungselemente 104, sehr wahrscheinlich nicht erhöht. Dies ist so, da die durch den verdünnten Wandabschnitt mit der Dicke d gebildete innere Abschirmung dominant ist. Das heißt, die innere Abschirmung schirmt den Magneten von der Außenhülse 214a ab, so dass irgendeine Wechselwirkung zwischen den Magneten 206 und der Hülse 214a durch die innere Abschirmung stark verringert ist. Allerdings wird angemerkt, dass die Außenhülse 214a die Abschirmwirksamkeit hinsichtlich externer magnetischer Störungen effizient erhöht.
Vorzugsweise sollte d2 > d gelten, das heißt, die Außenhülse 214a sollte eine größere Dicke d2 als der dünnwandige Endabschnitt der Welle 101 aufweisen. Allerdings verbessert die Außenhülse 214a die Abschirmung selbst dann, wenn d2 > d nicht gilt, allerdings mit niedrigerer Wirksamkeit.
Noch bevorzugter sollte da2 > da gelten, das heißt, die Außenhülse 214a ist in axialer Richtung länger als die Strecke da, um die das eine oder die mehreren Magnetfelderfassungselemente 104 in die Bohrung eingeführt sind. Allerdings verbessert die Außenhülse 214a die Abschirmung, wenn auch mit einer niedrigeren Wirksamkeit, selbst wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist.
Die Hülse 214a ist vorzugsweise ein weich(magnetisches) Material mit einer hohen relativen Permeabilität μ_r > 10, vorzugsweise μ_r > 100, noch bevorzugter μ_r > 1000 und nochmals bevorzugter μ_r > 10.000. Es wird angemerkt, dass die Hülse 214a aus einem anderen Material als die Welle 101 hergestellt sein kann. Damit die Hülse 214a und die Welle 101 aus verschiedenen Materialien hergestellt sind, ist aus den folgenden Gründen bevorzugt, dass die Hülse 214a ein größeres μ_r als die Welle 101 aufweist: Der (Permanent-)Magnet 206 weist eine starke Magnetisierung auf. Da der Magnet 206 nahe dem dünnwandigen Wellenendabschnitt mit der Wanddicke d ist, magnetisiert der Magnet 206 ebenfalls den dünnwandigen Endabschnitt der Welle 101. Diese Magnetisierung des dünnwandigen Endabschnitts verschlechtert die Abschirmkapazität davon: Der dünnwandige Wellenendabschnitt gelangt näher an die Sättigung, wodurch sich seine effektive Permeabilität für kleine überlagerte externe Magnetfelder verringert.
Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist Sättigung so zu verstehen, dass im Wesentlichen alle magnetischen Momente innerhalb eines Materials auf ein (starkes) Nettomagnetfeld ausgerichtet sind, so dass sie auf zusätzliche überlagerte kleine Magnetfelder nicht weiter ansprechen können.
Als Folge kann der dünnwandige Endabschnitt der Welle 101 nicht mehr gegen die überlagerten kleinen Magnetfelder abschirmen. Die Nettowirkung ist, dass diese Teile der Welle 101, die dem großen Magnetfeld ausgesetzt sind, weniger wirksam für die Abschirmung sind – das heißt so wirken, als ob die Wand des dünnwandigen Endabschnitts in einem magnetischen Sinn dünner würde. Je größer einer relative Permeabilität μ_r eines Material ist, desto kleiner sind die Magnetfelder, um das Material zu sättigen.
12C stellt diese Beziehung dar. B ist die Flussdichte in Einheiten von Tesla [T], H ist das Magnetfeld in Einheiten von Ampere pro Meter [A/m] und μ₀ ist die magnetische Permeabilität des Vakuums (= 4π·10^–7 [T]) und B_rem ist die Remanenz des Materials, die erhalten wird, falls alle internen Momente auf das Erregungs-H-Feld ausgerichtet sind: Je steiler die Kurve in der Nähe des Ursprungs H = 0 ist, desto größer ist die relative Permeabilität μ_r, wobei dies aber ebenfalls bedeutet, dass sich das Material bei kleineren Magnetfeldern H₁ < H₂ als für ein Material mit einem kleineren Anstieg in der Nähe des Ursprungs H = 0 sättigt, wie zum Vergleich durch die Strichlinie in 12C angegeben ist.
Ferner ist denkbar, dass die Hülse 214a (siehe 12B) in dem Aufbau aus 12B das einzige Teil ist, das magnetostatische Felder abschirmt. Eine solche Situation kann zum Beispiel auftreten, falls die Welle 101 aus einem nichtmagnetischen Material wie Aluminium oder Messing oder Kohlefaser hergestellt ist, während die Hülse 214a aus einem weichmagnetischen Material hergestellt ist. Unter diesen Bedingungen schirmt die Hülse 214a das eine oder die mehreren Magnetfelderfassungselemente 104 vor einer externen magnetischen Störung ab.
Außerdem minimiert die Abschirmung 214a die unerwünschte Wechselwirkung zwischen dem Lager 202 und dem Magneten 206. Es wird gewürdigt werden, dass das Lager 202 bewegliche Teile (zum Beispiel Kugeln) aufweist, die magnetisch sein können und somit wegen des Magnetfelds des Magneten 206 magnetisiert werden können. Als Folge kann das magnetisierte Lager 202 ein schlecht definiertes Magnetfeld erzeugen, das sich dem Feld des Magneten 206 an dem Ort des einen oder der mehreren Magnetfelderfassungselemente 104, wie er durch ein Kreuz x angegeben ist, der über eine Länge da in der Bohrung nach innen liegt, überlagert. Somit gibt das magnetisierte Lager 202 Anlass zu zusätzlichen Fehlern bei der Messung der Drehposition der Welle 101.
Es wird gewürdigt werden, dass der Magnet 206 aus 12B eine zylindrische Form aufweist, während der Magnet aus 12A zwei einzelne Magnete 206 umfasst. In beiden Fällen ist die Bohrung innerhalb des Endabschnitts der Welle durch ein Sackloch abgeschlossen. Ohne Beschränkung sind weitere Optionen denkbar und nicht beschränkend für die vorliegende Offenbarung.
12D zeigt eine andere Anordnung ähnlich der in Bezug auf 12A und B diskutierten. Der Kürze halber tragen gleiche Entitäten in 12D gleiche Bezugszeichen wie in 12A oder 12B. Insbesondere umfasst die Anordnung eines Sensors, der in eine Bohrung eines dünnwandigen Endabschnitts einer Welle 101 aus 12D eingeführt ist, eine Hülse 214b, die von der Hülse 214a aus 12B verschieden ist. Die Hülse aus 12D zeigt einen Zwischenraum in radialer Richtung mit der Breite gr. Der Zwischenraum kann zweckmäßig gerade mit Luft oder Kunststoff oder einem anderen nichtmagnetischen Material gefüllt sein. Der Zwischenraum gr hilft, die Abschirmwirksamkeit der Hülse 214b zu verbessern. Es ist vorteilhaft, eine Stärke des Magneten 206 so auf die Breite des radialen Zwischenraums gr einzustellen, dass das Magnetfeld des Magneten 206 die Hülse 214b nicht übermäßig sättigt. Ein solcher Aufbau erhöht die Abschirmwirksamkeit der Hülse 214b weiter.
12E stellt eine weitere Variante einer Hülse 214c dar. Die Anordnung aus 12E ist ähnlich der aus 12D und 12B, wobei der Kürze halber gleiche Elemente unter Verwendung gleicher Bezugszeichen bezeichnet sind. Während der radiale Zwischenraum gr der Hülse 214b in 12D in axialer Richtung über die volle Länge der Hülse 214b verläuft, verläuft der radiale Zwischenraum gr der Hülse 214c aus 12E nur teilweise entlang einer Länge des dünnwandigen Endabschnitts der Welle 101. Vorzugsweise kann der Zwischenraum gr wenigstens über eine Länge der Erfassungselemente 104 (die durch ein x entlang der Drehachse, eine Strecke da von der Öffnung der Bohrung, angegeben ist) verlaufen. Auf diese Weise schirmt die Hülse 214c wenigstens die Erfassungselemente 104 von irgendwelchen externen magnetischen Störungen wirksam ab. Bezüglich der Hülse 214b aus 12D kann eine Stärke des Magneten 206 auf eine Breite des radialen Zwischenraums gr eingestellt werden, um die Hülse 214c nicht übermäßig zu sättigen.
Wenn eine Anordnung eines oder mehrerer Erfassungselemente 104 (die in 10, 12A, 12B, 12D und 12E durch x angegeben sind) innerhalb eines dünnwandigen Endabschnitts einer Welle 101 entworfen wird, können jeweilige Dimensionen der einzelnen Elemente betrachtet werden, um die Gesamtleistungsfähigkeit der Anordnung zu optimieren.
Im Allgemeinen sollte ein Innendurchmesser Di der Bohrung 101 so klein wie möglich sein, da dies erstens für eine gegebene Magnetmasse (oder äquivalent: für ein gegebenes Verhältnis des erzielbaren Magnetfelds gegenüber den Kosten des Magnetmaterials) zu kleineren Magneten mit größeren Magnetfeldern an einer Position des einen oder der mehreren Magnetfeldabschirmelemente führt. Zweitens werden externe Magnetfelder durch den dünnwandigen Endabschnitt der Welle 101 und/oder durch eine Hülse 214a, 214b, 214c umso effizienter abgeschirmt, je kleiner der Bohrungsinnendurchmesser Di ist.
Falls für das eine oder die mehreren Erfassungselemente 104 eine Standard-SMD-Sensorbaugruppe verwendet ist (am besten in 12 zu sehen, wo die SMD-Sensorbaugruppe 104 senkrecht zu der Drehachse orientiert ist), weist die SMD-Sensorbaugruppe seitliche Dimensionen von grob 5 mm × 6 mm auf. Falls die Baugruppe auf eine kleine Leiterplatte (PCB) gelötet ist und beide innerhalb der Welle angeordnet sind, verlangt dies einen minimalen Bohrungsinnendurchmesser des Magneten 206 von annähernd 12 mm. Der Bohrungsdurchmesser Di der Welle muss dann wenigstens 16 mm sein und der Wellenaußendurchmesser sollte wenigstens 18–20 mm sein.
Wie aus 13 entnommen werden kann, ist die Situation für Sensorbaugruppen mit Anschlüssen allerdings etwas anders: 13 stellt eine Querschnittsansicht durch die Welle 101 innerhalb des dünnwandigen Endabschnitts in der Nähe einer Position der Erfassungselemente innerhalb der Bohrung der Welle 101 dar.
Überall im Rest dieser Offenbarung sind Sensorbaugruppen mit Anschlüssen als eine Sensorbaugruppe zu verstehen, bei der wenigstens ein (in 13 als Chip angegebener) Halbleiterchip innerhalb der Baugruppe montiert ist und durch eine Schutzabdeckung wie etwa eine im Gebiet bekannte Gießformverbindung mc bedeckt ist. Für den Sensor mit Anschlüssen stehen ferner wenigstens zwei Sensorleitungen aus der Schutzabdeckung mc vor, wobei die Sensorleitungen mit dem Chip kontaktiert sind, um dem Chip elektrische Energie zuführen zu können und um ein Ausgangssignal von dem Chip zu erhalten. Es ist zweckmäßig, wenn die Leitungen direkt zu einer Seite der Baugruppe geführt sind.
Es wird angemerkt, dass die Leitungen an mehreren Flächen ihres Umfangs in die Schutzabdeckung mc eintreten könnten – allerdings ist es für die Leitungen nützlich, wenn sie sich zu einer Seite, das heißt zu dem offenen Ende der Welle 101, biegen. Natürlich ist der bevorzugte Fall der, dass alle Leitungen an einer Fläche der Baugruppe vorstehen. Es ist ebenfalls nicht notwendig, dass der eine oder die mehreren Chips wie in 13 dargestellt an einem Leiterrahmen angebracht sind. Der Leiterrahmen kann ein Die-Paddle, an das der Chip geklebt oder an dem er montiert ist, und Leitungen umfassen. Es ist zu verstehen, dass Leitungen erforderlich sind, um die Erfassungselemente 104 unter Strom zu setzen und um eine Ausgabe des Sensors zu erhalten. Alternativ können anstelle des Leiterrahmens einfache Drähte verwendet sein. Vielmehr ist festzustellen, dass der Leiterrahmen für alle überall in dieser Offenbarung diskutierten Erfassungselemente 104 optional ist.
Darüber hinaus kann der Chip auf verschiedene Arten kontaktiert sein: zum Beispiel durch Bonddrähte (bw), wie sie in 13 gezeigt sind, oder durch eine Flip-Chip-Anordnung an einem Leiterrahmen oder an anderen im Gebiet bekannten Mitteln zum Kontaktieren, die nicht wesentlich für die vorliegende Offenbarung sind und somit hier nicht ausführlich diskutiert sind.
Durch die Baugruppe für das eine oder die mehreren Magnetfelderfassungselemente 104 zuzüglich des notwendigen Zwischenraums zwischen dieser Baugruppe und der Innenbohrung des Magneten 206 ist eine untere Schranke für Di gegeben. Die kleinste mögliche Halbleiterchipgröße in diametraler Richtung ist etwa 1 mm. Dies gibt eine Baugruppengröße von 2,5 mm in diametraler Richtung. Somit ist der minimale Bohrungsdurchmesser für den Magneten 3 mm und ist daher der minimale Bohrungsdurchmesser Di des dünnwandigen Endabschnitts der Welle 5 mm. Um die mechanische Stabilität der Welle aufrecht zu erhalten, beträgt ein minimaler Außendurchmesser der Welle 6 mm.
Es wird angemerkt, dass die Magnetfelderfassungselemente 104 in 13 vorzugsweise eine Orientierung des Magnetfeldvektors detektieren, der auf eine Ebene projiziert ist, die senkrecht zu der z-Achse ist. Üblicherweise ist der Chip parallel zu der z-Achse angeordnet. Folglich kann die Projektion des Magnetfeldvektors auf eine Ebene, die senkrecht zu der z-Achse ist, in eine x- und in eine y-Komponente zerlegt werden, wobei die y-Komponente in einer Ebene zu dem Chip ist und die x-Komponente senkrecht zu dem Chip ist.
Falls nun entschieden wird, ein kartesisches Koordinatensystem mit Achsen (x, y, z) zu verwenden, müssen die Magnetfelderfassungselemente 106 folglich den Winkel zwischen der x- und der y-Komponente des durch den Magneten 206 erzeugten Magnetfelds detektieren können. Dies ist ein Winkel aus der Ebene in Übereinstimmung mit tan(Winkel) = B_x/B_y (da x senkrecht zu der Chipebene ist). Übliche magnetoresistive Elemente detektieren nur Winkel in der Ebene (das heißt Winkel zwischen y- und z-Komponenten von Magnetfeldern in Übereinstimmung mit tan(Winkel) = B_y/B_z). Winkel aus der Ebene können durch eine Kombination wenigstens einer Hall-Platte und einer Vertikal-Hall-Effekt-Vorrichtung detektiert werden.
Ferner ist zu verstehen, dass eine Platzierung der Erfassungselemente 104 in der Bohrung hinsichtlich des Magneten 206 so symmetrisch wie möglich sein sollte. Ebenso ist von Interesse, den Magneten 206 innerhalb der Bohrung so symmetrisch wie möglich zu platzieren.
14A stellt eine Querschnittsansicht eines dünnwandigen Endabschnitts der Welle 101 mit einem zylindrischen Magneten 206 dar. Es wird angemerkt, dass 14A wie die anderen Zeichnungen, auf die hier Bezug genommen wird, nicht maßstabsgerecht zu sein braucht. Eine Position der Erfassungselemente 104 ist durch ein Kreuz entlang der z-Achse angegeben. Tatsächlich ist die Position des Erfassungselements 104 in dem Aufbau aus 14A als Ursprung gewählt. Der Magnet 206 kann um die Sensorposition x in z-Richtung symmetrisch platziert sein. Für eine solche Platzierung ist die Länge S1 gleich S2. Falls ferner eine Öffnung des Magneten 206 konzentrisch mit der z-Achse ist, ist eine Entfernung S5, wie in 14A angegeben ist, gleich einer Entfernung S6. Sollte die Öffnung des Magneten dagegen nicht konzentrisch mit einem Außenumfang des Magneten 206 sein, kann die Entfernung S7 nicht gleich der Entfernung S8 aus 14A sein. Ferner ist zu verstehen, dass S5 nicht gleich S6 sein kann, falls die Innenbohrung des Magneten 206 und/oder ein Umfang des Magneten 206 elliptisch geformt oder nicht kreisförmig sind.
Vorzugsweise sollten im Wesentlichen so viele der oben erwähnten Gleichungen wie möglich gelten, das heißt S1 = S2, S3 = S4, S5 = S6 und S7 = S8. Die Motivation dafür, so viele der obigen Gleichungen wie möglich zu erfüllen, ist die Tatsache, dass ein höchstmögliches Niveau der Feldhomogenität des Magnetfelds erzielt werden kann. Dies ist eine andere Art der Formulierung, dass eine maximale Anzahl räumlicher Ableitungen des Magnetfelds bei der Sensorposition x verschwindet, falls die obigen Gleichungen erfüllt sind. Als Folge des Verschwindens von Magnetfeldableitungen haben (Zusammenbau-)Toleranzen in Richtung der verschwindenden Magnetfeldableitung keine Auswirkung auf eine Winkelmessung des Erfassungselements 104. Der Durchschnittsfachmann wird würdigen, dass die obigen Symmetriebetrachtungen unter der Annahme einer im Wesentlichen homogenen Magnetisierung des Magneten 206 gemacht sind.
14B–14D stellen Varianten des dünnwandigen Endabschnitts der Welle 101 mit dem Magneten 206 und einer Länge der um die Sensorposition x zentrierten Bohrung S3 + S4 dar. Der Kürze halber wird auf gleiche Elemente unter Verwendung derselben Bezugszeichen Bezug genommen.
In 14B endet die Bohrung in einer kegelförmigen Spitze, während die Bohrung aus 14C von dem Innendurchmesser Di zu einem minimalen Durchmesser Dm konisch ist, während sich die Bohrung aus 14D stattdessen von einem Innendurchmesser Di, der eine Schulter liefert, zu dem minimalen Durchmesser Dm ändert. Der Durchschnittsfachmann wird Wege würdigen, um die verschiedenen Formen des Abschließens der Bohrung an einem Ende, das von der Öffnung weg weist (in den Figuren rechts gezeigt), zu erzielen.
Es wird angemerkt, dass die dünnwandige Bohrung der Welle 101, der Magnet 206 sowie die Bohrung des Magneten bisher entlang der z-Achse gesehen als kreisförmig angesehen worden sind. Für diese Elemente sind eine sehr große Anzahl von Formen möglich, wobei im Folgenden in Verbindung mit 15A–15I nur eine Auswahl davon diskutiert wird. Diese Figuren stellen jeweils Querschnittsansichten in die Bohrung bei dem dünnwandigen Endabschnitt einer Welle in einer Ebene senkrecht zu der z-Drehachse dar.
15A zeigt einen Querschnitt einer Welle 101 mit kreisförmigem Außendurchmesser, einer kreisförmigen Bohrung und eines Magneten 206 sowohl mit einem kreisförmigen Außendurchmesser als auch mit einer kreisförmigen Bohrung, wobei alle kreisförmigen Bohrungen und/oder Umfänge konzentrisch zu der Drehachse z sind.
In 15B ist ein Außenumfang der Welle 101 zylindrisch, während eine Bohrung der Welle 101 elliptisch ist, wobei der Außenumfang des Magneten in die elliptische Bohrung passt. Ferner ist eine Bohrung des Magneten ebenfalls elliptisch, wobei aber die große und die kleine Halbachse der Wellenbohrung mit der großen und mit der kleinen Halbachse der elliptischen Bohrung des Magneten 206 nicht zusammenzufallen brauchen. In dem Aufbau aus 15B verläuft die große Halbachse des Außenumfangs des Magneten entlang der x-Richtung, während die große Halbachse der Bohrung des Magneten entlang der y-Richtung verläuft. Alternativ können beide große Halbachsen ebenfalls parallel oder unter irgendeinem anderen Winkel dazwischen sein.
15C zeigt eine zylindrische Welle 101, während eine Bohrung in dem dünnwandigen Endabschnitt der Welle eine quadratische oder rechteckige Form aufweist. Tatsächlich ist der Außenumfang des Magneten 206 an die Form der Bohrung der Welle 101 angepasst. Die Bohrung des Magneten 206 weist eine Kreisform auf. Wieder sind alle Formen auf der Drehachse z zentriert, was die vorliegende Offenbarung allerdings nicht beschränkt.
15D ist ähnlich 15C, wobei die Bohrung des Magneten 206 aber rechteckförmig oder quadratisch anstatt kreisförmig ist. Der Außenumfang des Magneten 206 ist an die Rechteckform der Bohrung der Welle 101 angepasst.
15E ist ähnlich 15C oder 15D. Allerdings weist die Bohrung des Magneten 206 in 15E eine sechseckige Form auf. Der Außendurchmesser des Magneten 206 ist wieder an die Rechteckform der Bohrung der Welle 101 angepasst.
In 15F weist eine Bohrung der Welle 101 einen fünfeckigen Umfang auf, während eine Bohrung des Magneten 206 eine sechseckige Form aufweist. Wie zuvor ist ein Innendurchmesser der Bohrung innerhalb der Welle 101 an einen Außendurchmesser des Magneten 206 angepasst.
In den 15G–15H weist eine Bohrung der Welle 101 eine andere Geometrie als ein Außendurchmesser des Magneten 206 auf. In 15G ist ein Innenumfang des dünnwandigen Endabschnitts der Welle 101 kreisförmig, während ein Außenumfang des Magneten 206 eine fünfeckige Form aufweist. Ein solcher Aufbau lässt zwischen dem Innenumfang der Bohrung der Welle und dem Außenumfang des Magneten 206 einen bestimmten Zwischenraum. Der Magnet 206 aus 15G umfasst eine sechseckige Bohrung.
In 15H ist ein Außenumfang der Welle 101 nicht kreisförmig, sondern sechseckig, während ein Umfang der Bohrung des dünnwandigen Endabschnitts der Welle 101 eine Kreisform aufweist. Ein Außenumfang des Magneten weist eine fünfeckige Form auf. Hinsichtlich 15H weist eine Bohrung des Magneten eine sechseckige Form auf.
In beiden Fällen aus 15G und 15H besteht zwischen dem jeweiligen Magneten 206 und der Bohrung der Welle ein Zwischenraum, wobei dieser Zwischenraum aber eine veränderliche Breite aufweist. Es wird gewürdigt werden, dass der Magnet 206 in die Bohrung der Welle 101 geklebt sein kann oder durch irgendein geeignetes Mittel mechanisch in der Bohrung befestigt sein kann.
In 5I gibt es zwischen dem Magneten 206 und der Bohrung der Welle 101 einen Zwischenraum mit konstanter Breite. Der Zwischenraum kann mit Luft oder mit Kunststoff oder mit einem anderen Material, das grundsätzlich nichtmagnetisch ist, oder mit etwas Klebstoff, um den jeweiligen Magneten 206 innerhalb der Bohrung der Welle 101 zu befestigen, gefüllt sein.
Ohne Beschränkung kann ein Magnet 206, wie er hier diskutiert ist, in 2, 3, 4, N Segmente zerlegt sein, die in einem Muster angeordnet sind, das eine Symmetrie derart aufweist, dass es, wenn es um einen Winkel von 360°/N um die Drehachse z gedreht wird, gleich der ursprünglichen Form ist, was hier auch als N-zählige Symmetrie bezeichnet ist. In 16 ist ein Magnet 206 mit N-zähliger Symmetrie, der Magnetsegmente 206a, 206b, 206c, 206d umfasst, für den Fall N = 4 im Querschnitt gezeigt. Ein solcher segmentierter Magnet 206 kann zum Beispiel durch einen wie im Gebiet bekannten Druckgussprozess hergestellt werden.
Der Fachmann auf dem Gebiet wird würdigen, dass es insbesondere hinsichtlich einer Azimutrichtung, die die Richtung der Drehung der Welle 101 ist, von Interesse ist, eine gut definierte Position des Magneten 206 innerhalb der Bohrung der Welle 101 sicherzustellen, um eine Drehposition der Welle 101 auf der Grundlage der (sich drehenden) Magnetfelder bei der Sensorposition zu bestimmen. Zu diesem Zweck ist es zweckmäßig, an dem Außenumfang des Magneten 206 eine oder mehrere Nuten 205a, 205b und 205c bereitzustellen. Die Nuten können mit Klebstoff gefüllt sein, der dazu verwendet ist, den Magneten in die Bohrung der Welle zu kleben. Die Nuten 205a, 205b, 205c können ebenfalls den Zweck besitzen, eine thermomechanische Belastung des Magneten 206 innerhalb der Bohrung der Welle 101 aufzunehmen, um die mechanische Belastung des Magneten 206 zu verringern. Dies hilft, einen Bruch des Magneten 206 zu vermeiden. Obwohl die Nuten 205a, 205b, 205c in 17 als Nuten des Magneten 206 dargestellt sind, können die Nuten alternativ oder zusätzlich an dem Innenumfang der Bohrung vorgesehen sein (in 17 nicht gezeigt).
18 stellt eine weitere Option dar, um eine definierte Azimutposition des Magneten 206 innerhalb der Welle 101 sicherzustellen. Als eine weitere Option ist es ebenfalls möglich, in den Magneten und in die Welle bestimmte eindeutige Asymmetrien einzuführen, die als Passformen 207 dienen, um eine Azimutposition des Magneten 206 relativ zu der Welle 101 zu definieren. 18 gibt wieder ein nichteinschränkendes Beispiel solcher absichtlichen Asymmetrien. Gleichfalls könnte der Magnet zusammen mit einer passenden Form der Bohrung innerhalb der Welle 101 eine Kegelstumpfform sein.
19A stellt eine weitere Ausführungsform eines Magneten 206 innerhalb der Welle 101 mit einem Außendurchmesser D dar. Während eine Bohrung in axialer Richtung der Welle 101 einen konstanten Innendurchmesser 2·S4 aufweist und der Magnet 206 einen entsprechenden Außendurchmesser aufweist, variiert der Innendurchmesser des Magneten 206 entlang der axialen Richtung z von 2·S5 bis 2·S3 mit S3 < S5 oder S3 > S5 (nicht gezeigt).
19B stellt eine weitere Variante eines Magneten 206 innerhalb der Welle 101 mit dem Außendurchmesser D dar. Für die beispielhafte Ausführungsform aus 19B ist der Innendurchmesser der Bohrung von 2·S4 bis 2·S6 konisch. Dementsprechend entspricht ein Außendurchmesser des Magneten 206 innerhalb der Bohrung dem Innendurchmesser der Bohrung entlang des axialen Verlaufs des Magneten 206. Es wird angemerkt, dass die konische Form des Außendurchmessers des Magneten 206 und des Innendurchmessers der Bohrung so gewählt werden kann, dass der Magnet 206 innerhalb der Bohrung an einer beabsichtigten axialen Position, das heißt zentriert um den empfindlichen Fleck einer durch das Kreuz in 19B angegebenen Sensoranordnung, angeordnet werden kann. Anders als in der in 19A dargestellten Ausführungsform sind für die Ausführungsform aus 19B keine weiteren Maßnahmen erforderlich, um den Magneten entlang der axialen Richtung z innerhalb der Bohrung an einer beabsichtigten Position anzuordnen. Anders als in der Ausführungsform aus 19A kann es reichen, den Magneten 206 in die Bohrung zu schieben, bis der Magnet, wenn er die beabsichtigte axiale Position erreicht hat, an der eine Außenseite des Magneten 206 wie in 19B gezeigt mit einer Innenseite der Bohrung zusammengefügt ist, seine Bewegung entlang der axialen Richtung z beendet.
20 stellt eine weitere Implementierung eines Magneten 206 innerhalb einer Bohrung einer Welle 101 dar. Allerdings umfasst der Innendurchmesser der Bohrung eine Stufe oder Schulter, die den Innendurchmesser der Bohrung von 2·S4 auf 2·S6 mit S6 < S4 ändert. Offensichtlich stellt die Schulter einen Anschlag bereit, um eine axiale Beweglichkeit des Magneten 206 in z-Richtung zu begrenzen.
Es wird gewürdigt werden, dass irgendwelche Sensor- und/oder Magnetanordnungen innerhalb einer Bohrung einer Welle, wie sie hier diskutiert sind, hinsichtlich der Messung einer Winkelposition einer drehbaren Welle oder einer Antriebswelle einer Kraftmaschine von besonderem Interesse sind. Beispiele, an die dabei zu denken ist, sind als nichteinschränkende Beispiele eine Antriebswelle einer Brennkraftmaschine, eine Getriebewelle eines Antriebsstrang-/Triebstrangsystems oder eine Antriebswelle eines Elektromotors, wie er in einem Elektrofahrzeug verwendet wird. Es ist zu verstehen, dass die drehbare Welle 101, wie sie in dieser Offenbarung betrachtet ist, dafür konfiguriert ist, ein Drehmoment von bis zu mehreren hunderten oder sogar tausenden Newtonmetern Nm zu übertragen. Somit muss die Welle 101, wie sie in dieser Offenbarung betrachtet ist, eine ausreichende Verwindungssteifigkeit aufweisen, um solche hohen Drehmomente zuverlässig zu liefern.
Der Durchschnittsfachmann wird ferner würdigen, dass es innerhalb eines Kraftmaschinenraums, zum Beispiel eines Elektrofahrzeugs, wesentliche räumliche Beschränkungen geben kann. Zur Steuerung des Elektromotors eines solchen Fahrzeugs muss eine Winkelposition der Antriebswelle mit hoher Genauigkeit bekannt sein. In Übereinstimmung mit dem Stand der Technik wurde diese Aufgabe unter Verwendung eines Resolvers, das heißt einer mechanischen Verlängerung der Antriebswelle, die die Winkelposition der Welle angeben würde, gelöst. Offensichtlich erfordert ein solcher Resolver als Zugeständnis zusätzlichen Platz innerhalb des Kraftmaschinenraums.
Ferner ist die Genauigkeit einer Winkelposition, wie sie durch den Resolver angegeben wird, von einer präzisen Anbringung des Resolvers, der die Antriebswelle 101 verlängert, abhängig. Irgendeine Verschlechterung oder Toleranz der Position des Resolvers relativ zu der Antriebswelle verschlechtert eine Präzision der Winkelposition der Antriebswelle, wie sie durch das Resolverelement angegeben wird. Vorteile eines Endabschnitts der Welle, der eine Bohrung in axialer Richtung der Antriebswelle umfasst, und der Bohrung, die das Winkelerfassungselement enthält, gegenüber einer im Gebiet bekannten Resolverlösung sind auch für Brennkraftmaschinen, angenommen zum Beispiel in einem durch eine solche Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeug, wesentlich.
Der Durchschnittsfachmann wird leicht würdigen, dass es für Antriebswellen 101, die ein hohes Drehmoment liefern, üblicherweise notwendige Zusammenbautoleranzen für einen Resolver gibt. Diese Toleranzen können durch statische oder dynamische Verformung der Welle, Positionierungstoleranzen beteiligter mechanischer Teile oder ebenso durch das Resolverelement verursacht sein.
Eine statische Verformung der Antriebswelle 101 kann eine Folge irgendeiner Verschlechterung der Welle oder von Gegenständen, die auf die Antriebswelle selbst auftreffen, sein.
Eine dynamische Verformung der Antriebswelle kann durch ein Ungleichgewicht der Antriebswelle, angenommen wegen einer Verformung, die durch ein zusätzliches Trägheitsmoment wegen einer solchen Verformung verursacht ist, verursacht sein. Offensichtlich wird eine solche statische und/oder dynamische Verformung auf das Resolverelement projiziert und die erzielbare Präzision der durch das Resolverelement angegeben Winkelposition verschlechtern.
Eine statische Verformung eines Resolverelements kann gleichfalls dadurch verursacht sein, dass ein Gegenstand auf den Resolver auftrifft und ihn verformt. Um nur ein Beispiel zu geben, kann eine solche Verformung potentiell verursachen, dass der Resolver relativ zu der Achse der Antriebswelle versetzt wird. Ferner kann eine solche Verformung ein Ungleichgewicht des Resolvers verursachen, das während der Drehung des Resolvers mit der Antriebswelle 101 Anlass zu einem zusätzlichen Trägheitsmoment gibt, was tatsächlich eine weitere Verschlechterung des Resolvers und/oder der Antriebswelle 101 unterstützen kann.
Der Durchschnittsfachmann wird würdigen, dass zusammen mit einer Antriebswelle, die eine Bewegung mit hohem Drehmoment überträgt, Hochleistungswälzlager von Interesse sein können. Solche Wälzlager erfordern ein wesentliches Lagerspiel gegenüber dem, welches für Präzisionslager, wie sie für die Übertragung einer Bewegung mit niedrigem Drehmoment in dem Bereich weniger Newtonmeter oder sogar noch unter einem Newtonmeter verwendet werden, üblicherweise der Fall wäre. Üblicherweise erhöht das Lagerspiel in Hochleistungslagern im Vergleich zu Präzisionslagern, wie sie für die Übertragung einer Bewegung mit niedrigem Drehmoment verwendet werden, das Spiel in radialer und axialer Richtung.
Somit wird für den Fachmann auf dem Gebiet sichtbar, weshalb es von Interesse ist, ein Lager 202 für die Antriebswelle 101 vorzusehen, wenn die Winkelerfassungslösung für eine Antriebswelle, die eine Drehung mit hohem Drehmoment liefert, wie sie hier offenbart ist und bereits hinsichtlich der 2–5, 12–12B, 12D und 12E beschrieben worden ist, verwendet wird.
Ferner wird der Durchschnittsfachmann würdigen, dass für die Bewegung mit hohem Drehmoment, das durch die Antriebswelle 101 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung geliefert wird, die Verwendung einer Vollwelle oder massiven Welle zweckmäßig ist. Mit einer Hohlwelle kann es sich als schwierig erweisen, die Bewegung mit hohem Drehmoment zuverlässig zu liefern, da eine Hohlwelle nicht die für eine solche Lieferung erforderliche Torsionssteifigkeit bereitstellen kann. Die vorliegende Offenbarung erzielt eine Winkelmessung mit höherer Genauigkeit, indem sie das Winkelerfassungselement in einer axialen Bohrung innerhalb eines Endabschnitts der Antriebswelle 101 platziert. Als ein Zugeständnis an die mechanische Stabilität kann insbesondere die Torsionssteifigkeit dieses ausgehöhlten Endabschnitts verringert sein. Somit kann es von Interesse sein, einen Abschnitt der Antriebswelle bereitzustellen, der massiv ist und durch ein Lager 202, wie es in den in 12A, B, D und 12E diskutierten Ausführungsformen gezeigt ist, gestützt ist. Für eine solche Anordnung ist das Lager 202 wegen der axialen Bohrung innerhalb des Endabschnitts der Welle 101 mit der Antriebswelle in einem Abschnitt mit verringerter Torsionssteifigkeit nicht in Eingriff.
Wie oben hinsichtlich der Verwendung des Resolvers diskutiert ist, ist eine Platzierung ”in der Welle” des (Winkel-)Erfassungselements 106, wie sie hier offenbart ist, von Vorteil, um zusätzliche mechanische Toleranzen, die durch statische oder dynamische Verformungen verursacht sind, zu verringern.
Es kann von Interesse sein, das Erfassungselement 106 vor rauen Umgebungen innerhalb des Kraftmaschinenraums von Fahrzeugen abzudichten. Solche rauen Umgebungen können zum Beispiel durch aggressive Flüssigkeiten wie etwa zum Beispiel Getriebeschmiermittel, wie es in Getriebekästen, die in durch eine Brennkraftmaschine fahrenden Fahrzeugen üblicherweise verwendet sind, vorhanden ist, um ein nichteinschränkendes Beispiel zu geben, verursacht sein, die das Erfassungselement 106 potentiell schädigen würden. Automatikgetriebekästen umfassen üblicherweise eine oder mehrere Antriebswellen 101, für die eine Winkelposition und/oder eine Winkelgeschwindigkeit von Interesse ist, um eine problemlose Gangschalterfahrung bereitzustellen.
Selbstverständlich kann irgendeine folgende Offenbarung, die das Erfassungselement 106 betrifft, ohne Beschränkung ebenfalls auf die Erfassungselemente 104, wie sie oben in Verbindung mit 1–6 und 12 diskutiert sind, angewendet werden.
Ferner kann es von Interesse sein, das (Winkel-)Erfassungselement 106 vor magnetischer Verschmutzung abzudichten, da es das Erfassungselement 106 auf der Grundlage eines magnetischen Erfassungsprinzips beeinflussen kann. Die magnetische Verschmutzung ist in Form von Eisenspänen, die in vielen Typen von Maschinen allgegenwärtig sind, bekannt. Falls eine solche magnetische Verschmutzung die Bohrung innerhalb der Antriebswelle 101 erreicht, verschlechtert sich die (Winkel-)Erfassung beträchtlich. Somit kann die Abdichtung der Bohrung für die wie hier offenbarte Wellen-(Winkel-)Erfassung von Interesse sein.
21A und 21B stellen Beispiele einer möglichen Abdichtung von Erfassungselementen 106 dar. Die in 21A und 21B gezeigten Anordnungen sind etwa ähnlich der in Verbindung mit 13 diskutierten Anordnung. Es ist eine Abdeckung 212 verwendet, um die axiale Bohrung innerhalb des Endabschnitts der Antriebswelle 101 zu schließen. Die Abdeckung kann aus einem Leiterplattenmaterial (PCB-Material) hergestellt sein, ist darauf aber nicht beschränkt. Gleiche Elemente in 21A und 21B tragen gleiche Bezugszeichen und sind hier nicht noch einmal ausführlich diskutiert, um eine übermäßige Menge an Wiederholung zu vermeiden. In der Ausführungsform aus 21A ist vorgeschlagen, einen an einer Oberfläche der Abdeckung 212 angebrachten Ring 208 zu verwenden. Es kann von Interesse sein, dass der Ring 208 mit einem Dichtungsglied 220 zusammengefügt ist. Eine Nut in Azimutrichtung kann das Dichtungsglied 220 aufnehmen. Das Dichtungsglied 220 kann als ein einfacher O-Ring oder als ein abgedichtetes Lager, wie es im Gebiet bekannt ist, implementiert sein, zum Beispiel als ein Lager implementiert sein, das eine Innendichtungslippe (nicht gezeigt) umfasst, um das Innere der Bohrung gegenüber einem Äußeren abzudichten. Ohne Beschränkung kann das abgedichtete Lager ferner eine Außendichtungslippe umfassen. Es wird angemerkt, dass das Dichtungsglied 220 unabhängig von einem Drehmoment, das die Antriebswelle 101 liefert, mit einem wesentlichen Teil des gelieferten Drehmoments in Azimutrichtung in Kontakt stehen kann. Geeignete Materialien und Dimensionen für das Dichtungsglied 220, damit es den wesentlichen Teil des gelieferten Drehmoments in Azimutrichtung aushält, sind im Gebiet bekannt. Ein nichteinschränkendes Beispiel für das Dichtungsglied 220 ist ein gepresster O-Ring mit geeigneten Dimensionen, der das Innere der Bohrung gegenüber einem Äußeren abdichtet.
Ferner ist es von Interesse, die Abdeckung 212 in der Weise anzubringen, dass sie nicht der Drehbewegung der Antriebswelle 101 folgt, sondern hinsichtlich der Azimutrichtung eine statische Position einnimmt, während sie das Innere der Bohrung gegenüber dem Äußeren abdichtet. Die statische Position oder Statorposition der Abdeckung 212 und somit des (Winkel-)Erfassungselements 216 relativ zu der Antriebswelle 101 kann unter Verwendung einer Halterstruktur (nicht gezeigt) erzielt werden.
21B offenbart eine weitere Ausführungsform einer möglichen Abdichtung des Erfassungselements 106 gegenüber einem Äußeren der Antriebswelle 101. Um einen Umfang eines hohlen Endabschnitts der Welle, das heißt der Antriebswelle 101, zu umschließen, ist eine Dichtung 214 genutzt, die mit der Abdeckung 212 verbindet. Es kann zweckmäßig sein, ein Dichtungsglied zu implementieren, das die Dichtung 214 und die Antriebswelle 101 in radialer Richtung (wie in 21B in vertikaler Richtung x angegeben ist) überbrückt. Hinsichtlich des Dichtungsglieds 220 aus 21A kann das Dichtungsglied 220, wie im Gebiet bekannt ist, als ein O-Ring oder als ein Lager, das wenigstens eine Dichtungslippe umfasst, implementiert sein.
In Übereinstimmung mit einer Variante des Dichtungsglieds 220 wie es hinsichtlich 21A und 21B diskutiert ist, kann die Abdeckung 212 der Drehbewegung der Antriebswelle 101 folgend implementiert sein. Ein solcher Entwurf zur Abdichtung der Erfassungselemente 106 würde die Anforderungen an das Dichtungsglied 220 lockern, da diese Elemente nicht mehr dem gelieferten Drehmoment ausgesetzt wären, sondern sich gleichzeitig mit der Antriebswelle 101 bewegen würden. Allerdings wird angemerkt, dass für einen solchen Aufbau ein weiteres Dichtungsglied 220 erforderlich wäre, das einen Abschnitt der PCB, der die Abdeckung 212 durchquert, umfasst. Dies ist von Interesse, um sicherzustellen, dass das (Winkel-)Erfassungselement 106 relativ zu der drehbaren Antriebswelle 101 im Wesentlichen in einer festen Winkelposition bleibt.
Obwohl eine in die Welle integrierte Anordnung oder Anordnung ”in der Welle” der (Winkel-)Erfassungselemente 106 innerhalb des Endabschnitts der Antriebswelle 101 im Vergleich zu einem Aufbau, der einen Resolver nutzt, radiale und/oder axiale Zusammenbautoleranzen zu verringern hilft, sind diese Zusammenbautoleranzen bei der Anordnung in der Welle, allerdings auf einem verringerten Niveau, immer noch vorhanden. Das heißt, für einen Resolver mit einer Exzentrizität von angenommen 0,5 mm hinsichtlich der Drehachse der Antriebswelle ist ein Winkelfehler, der mit dem Resolver erzielt wird, größer als ein Winkelfehler, der mit der Anordnung in der Welle mit einer Exzentrizität des Magneten von 0,5 mm relativ zu der Drehachse erzielt wird.
Um eine Verschlechterungswirkung der radialen und/oder axialen Zusammenbautoleranzen für die Anordnung in der Welle der Winkelerfassungselemente 106 innerhalb der Welle 101 weiter zu verringern, ist es eine Option, Magnetanordnungen 206 mit Magnetfeldern mit hoher Homogenität zu nutzen. Es ist festzustellen, dass Magnete hoher Homogenität mit irgendeiner der wie hier offenbarten Magnetanordnungen 206 in der Welle verwendet werden können.
22A stellt ein erstes Beispiel solcher Anordnungen 206 von Magneten hoher Homogenität dar. In 22A ist eine Querschnittsansicht einer Magnetanordnung gezeigt. Ein Kreuz in 22A gibt eine Position an, die einer Position der Drehachse der Antriebswelle entspricht, wenn der Magnet innerhalb der Bohrung der Antriebswelle (nicht gezeigt) angeordnet ist. Die Magnetanordnung aus 22A umfasst als ein nichteinschränkendes Beispiel acht Magnetglieder, die so angeordnet sind, dass sie einen Magnetring mit einer achteckigen Form bilden. Für jedes der Magnetglieder ist eine Richtung der Magnetisierung 206-1 bis 206-4 angegeben. Für eine solche Anordnung von Magnetgliedern bildet sich innerhalb des Magnetrings im Wesentlichen ein gleichförmiges Gesamtmagnetfeld 207, während außerhalb der ringförmigen Magnetanordnung 206 sehr wenig oder praktisch sogar kein Magnetfeld vorhanden ist. Solche Magnetanordnungen sind im Gebiet als Halbach-Magnete bekannt. Es kann zweckmäßig sein, die einzelnen Magnetelemente 206 zusammenzukleben, bevor oder nachdem jedes Segment magnetisiert wird. Stattdessen kann irgendeine andere Art der Anordnung der Magnetelemente 206 genutzt werden, sofern das Anordnen die Homogenität des Magnetfelds innerhalb der Ringstruktur nicht wesentlich behindert.
Der Fachmann auf dem Gebiet der Magnetanordnungen 206 vom Halbach-Typ wird würdigen, dass eine Ausdehnung der Halbach-Magnetanordnung 206 in axialer Richtung vorzugsweise größer als ein Innendurchmesser des Magneten vom Halbach-Typ in der radialen Richtung, noch bevorzugter größer als ein Außendurchmesser des Magneten vom Halbach-Typ in der radialen Richtung, ist. Solche Dimensionen helfen üblicherweise, die Magnetfeldhomogenität in radialer Richtung und in axialer Richtung ebenso zu verbessern.
22B stellt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Magneten 206 vom Halbach-Typ in einer Querschnittsansicht dar. Es wird angemerkt, dass der Magnet 206 aus 22B ein einheitliches Glied mit einer inhomogenen Magnetisierung umfasst, die innerhalb des gezeigten Querschnitts etwas ausgeglichen ist, so dass die meisten Magnetfeldlinien in der Mitte des Magneten 206 konzentriert sind, während das Äußere des ringförmigen Magneten praktisch frei von Magnetfeldern ist. Der Vorteil einer solchen wie hinsichtlich 22A, 22B diskutierten Anordnung vom Halbach-Typ für den Magneten 206 ist zweifach:
Zunächst ist das Erfassungselement 104 weniger empfindlich für Zusammenbautoleranzen in radialer und/oder in axialer Richtung, da der Sensor für eine solche Verlagerung in Anwesenheit solcher Zusammenbautoleranzen praktisch keine oder sehr wenig Änderung des Magnetfelds (der Magnetfeldrichtung) sieht. Somit wird es leichter, mehr als ein (Winkel-)Erfassungselement 104 innerhalb des Gebiets des im Wesentlichen homogenen Magnetfelds 207 (wie es in 22A–C angegeben ist) zu platzieren. Das mehr als eine Erfassungselement 104 sieht dann das gleiche Magnetfeld 207, das beim Aufbau eines redundanten und/oder verschiedenartigen Magnet-(Winkel-)Erfassungssystems von Interesse sein kann. Ein verschiedenartiges Magnet-(Winkel-)Erfassungssystem misst das Magnetfeld 207 mit den mehr als einen Erfassungselementen, von denen jedes ein unterschiedliches, das heißt verschiedenartiges Erfassungsprinzip, nutzt, wobei als nichteinschränkendes Beispiel angenommen das erste einen GMR-Sensor verwendet, das zweite einen Hall-Sensor verwendet.
Im Fall einer (vorübergehenden) Störung würde das mehr als eine verschiedenartige Erfassungselement auf die (vorübergehende) Störung wegen ihrer verschiedenartigen Erfassungsprinzipien anders ansprechen. Der Durchschnittsfachmann wird somit würdigen, dass die (vorübergehende) Störung bei Nutzung des mehr als einen verschiedenartigen Erfassungselements sichtbar wird. Stattdessen würden irgendwelche erfassten Daten wegen der (vorübergehenden) Störung nicht sichtbar, wenn nur redundant mehr als ein Erfassungselement verwendet würde, von denen alle ein gleiches, das heißt nicht verschiedenartiges, Erfassungsprinzip nutzen würden. Für das lediglich redundante mehr als eine Erfassungselement würden alle Erfassungselemente im Wesentlichen einen gleichen erfassten Wert zeigen, wie er durch dieselbe (vorübergehende) Störung verursacht würde – hier auch als Fehler mit gemeinsamer Ursache wegen der (vorübergehenden) Störung bezeichnet.
Als ein zweiter Vorteil des Magneten 206 vom Halbach-Typ ist der Raum außerhalb des Magneten 206 im Wesentlichen frei von irgendeinem Magnetfeld, was irgendwelche magnetischen Störungen, die von dem Magneten 206 auf irgendwelche magnetisch empfindliche Strukturen, die den Magneten 206 und somit die Antriebswelle 101 umgeben, geworfen werden, verringert. Darüber hinaus verschlechtert eine exzentrische Montage des Magneten innerhalb der Bohrung der Eisenwelle die Homogenität des Magnetfelds an den Erfassungselementen in der Mitte des Ringmagneten vom Halbach-Typ nicht, da der Magnet auf die Welle, die ihn umgibt, kein Magnetfeld ausübt.
Der Magnet 206 vom Halbach-Typ aus 22B kann unter Nutzung einiger Formtechniken oder Magnetisierungstechniken, die einen inhomogenen Magneten erzielen, wie sie in einer früheren Patentanmeldung des Anmelders, die am 29. Juli 2015 durch den Anmelder als US 14/812.907 eingereicht wurde, die hier in ihrer Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist, ausführlicher erläutert wurden, als ein einheitliches Glied gebildet werden.
22C stellt einen Querschnitt eines anderen Magneten 206 vom Halbach-Typ dar, wobei sich eine Magnetisierung innerhalb des ringförmigen Magneten nahezu kontinuierlich ändert, während das Magnetfeld innerhalb des Rings einen sehr hohen Grad an Homogenität zeigt.
Eine Sensoranordnung enthält ein Sensorelement und ein Magnetmodul. Das Sensorelement ist dafür konfiguriert, ein Magnetfeld zu messen, und ist innerhalb einer Welle positioniert. Die Welle ist so konfiguriert, dass sie das Magnetmodul und das Sensorelement abschirmt. Das Magnetmodul ist so konfiguriert, dass es das Magnetfeld erzeugt. Das Sensorelement ist wenigstens teilweise innerhalb der Welle positioniert.
Eine andere Sensoranordnung enthält ein Sensormodul, ein Gehäuse und eine Welle. Das Sensormodul ist so konfiguriert, dass es ein Magnetfeld misst. Das Gehäuse weist eine Modulöffnung und eine Gehäuseaussparung auf. Das Sensormodul ist innerhalb der Modulöffnung positioniert. Die Welle ist mit der Wellenaussparung gekoppelt und weist ein zum Erzeugen des Magnetfelds konfiguriertes Magnetmodul auf. Die Welle ist dafür konfiguriert, das Magnetmodul und das Sensormodul abzuschirmen.
Eine integrierte Sensorvorrichtung enthält ein Sensormodul, ein Gehäuse und ein Magnetmodul. Das Sensormodul ist dafür konfiguriert, ein Magnetfeld zu messen. Das Gehäuse weist eine Modulöffnung und eine Wellenaussparung auf und ist dafür konfiguriert, das Sensormodul abzuschirmen. Das Sensormodul ist innerhalb der Modulöffnung positioniert. Das Magnetmodul ist innerhalb einer Welle positioniert. Die Welle ist mit der Wellenaussparung gekoppelt. Das Magnetmodul ist dafür konfiguriert, das Magnetfeld zu erzeugen. Die Welle ist dafür konfiguriert, das Magnetmodul abzuschirmen.
Es wird ein Sensorsystem mit einem Sensormodul, einer Schnittstelle und einer Steuereinheit offenbart. Das Sensormodul befindet sich innerhalb eines Gehäuses und weist ein Sensorelement auf, das zum Bereitstellen von Messwerten eines Magnetfelds konfiguriert ist. Das Gehäuse schirmt das Sensormodul vor einer oder mehreren Störungen ab. Die Schnittstelle ist mit dem abgeschirmten Sensormodul gekoppelt und dafür konfiguriert, Magnetfeldmesswerte von dem abgeschirmten Sensormodul zu übertragen. Die Steuereinheit ist dafür konfiguriert, auf der Grundlage der Magnetfeldmesswerte Winkelinformationen zu bestimmen.
Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung offenbart. Ein Sensormodul wird in einem Gehäuse konfiguriert oder positioniert. Das Sensormodul wird durch das Gehäuse vor einer oder mehreren Störungen abgeschirmt. Eine Welle wird so konfiguriert, dass sie eine Wellenaussparung aufweist. Ein Magnetmodul wird innerhalb der Wellenaussparung positioniert. Das Magnetmodul wird durch die Welle vor der einen oder den mehreren Störungen abgeschirmt. Durch das Magnetmodul wird ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld wird durch das Sensormodul gemessen.
Obwohl ein bestimmtes Merkmal der Erfindung hier nur in Bezug auf eine von mehreren Implementierungen offenbart worden sein kann, kann ein solches Merkmal außerdem mit einem oder mit mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen, wie es für irgendeine gegebene oder bestimmte Anwendung gewünscht oder vorteilhaft ist, kombiniert werden. Darüber hinaus sollen die Begriffe ”enthaltend”, ”enthält”, ”aufweisend”, ”weist auf”, ”mit” oder Varianten davon in dem Umfang, in dem sie entweder in der ausführlichen Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet sind, auf ähnliche Weise wie der Begriff ”umfassend” inklusiv sein.

Claims

Winkelsensoranordnung, die folgendes umfasst: – eine drehbare Antriebswelle (101, 210, 410) für ein Elektrofahrrad, die entlang einer Drehachse (z) verläuft und eine Bohrung umfasst, die von einer ersten Stirnfläche der Welle (101, 210, 410) entlang der Drehachse (z) verläuft; – ein Magnetmodul (206, 306), das innerhalb der Bohrung angeordnet ist und mit der Antriebswelle (101, 210, 410) gekoppelt ist, wobei das Magnetmodul (106, 206) dafür konfiguriert ist, innerhalb der Bohrung ein Magnetfeld zu erzeugen; und – wenigstens ein Erfassungselement (102, 104), das dafür konfiguriert ist, in Ansprechen auf die Drehung der Antriebswelle (101, 210, 410) einen Drehwinkel der Antriebswelle (101) aus einer Drehung des Magnetfelds zu erfassen.
Winkelsensoranordnung nach Anspruch 1, wobei das Erfassungselement (104) einen empfindlichen Fleck (x) aufweist, wobei der empfindliche Fleck (x) innerhalb der Bohrung angeordnet ist und dem sich drehenden Magnetfeld ausgesetzt ist.
Winkelsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner ein Dichtungsglied (220) umfasst, das mit der Antriebswelle (101, 210, 410) koppelbar ist, um die Bohrung zu bedecken, wobei das Dichtungsglied (220) das innerhalb der Bohrung angeordnete Erfassungselement (102, 104) von einem Äußeren der Bohrung trennt.
Winkelsensoranordnung nach Anspruch 3, wobei das Dichtungsglied (220) mit einer Umfangsfläche des Endabschnitts der Antriebswelle (101) gekoppelt ist.
Winkelsensoranordnung nach Anspruch 3, wobei das Dichtungsglied (220) mit der ersten Stirnfläche der Antriebswelle (101, 210, 410) gekoppelt ist.
Winkelsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebswelle (101, 210, 410) dafür konfiguriert ist, ein hohes Drehmoment von wenigstens mehreren zehn Newtonmetern, vorzugsweise von mehreren hundert Newtonmetern, zu übertragen.
Winkelsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebswelle (101, 210, 410) dafür konfiguriert ist, eine Drehbewegung für den Vortrieb des Elektrofahrrads zu übertragen.
Winkelsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassungselement (102, 104) als eine Halbleitervorrichtung, die wenigstens einen Die umfasst, implementiert ist.
Winkelsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Magnetmodul (206, 306), ein Magnetfeld bereitstellt, das hauptsächlich innerhalb eines Außenumfangs des Magnetmoduls (206, 306) enthalten ist.
Winkelsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebswelle (101, 210, 410) ein weichmagnetisches Material oder Eisenmaterial umfasst, das magnetische Störungen von dem Erfassungselement (102, 104) abschirmt.
Winkelsensoranordnung nach Anspruch 9, wobei eine Dimension des Magnetmoduls (206, 306), in axialer Richtung größer als ein Innendurchmesser des Magnetmoduls (206, 306), vorzugsweise größer als ein Außendurchmesser des Magnetmoduls (206, 306), ist.
Winkelsensoranordnung nach Anspruch 9, wobei das Magnetmodul (206, 306), als ein einheitliches Glied implementiert ist.
Winkelsensoranordnung nach Anspruch 9, wobei das Magnetmodul (206, 306), im Wesentlichen eine Ringform aufweist und eine homogene Verteilung des Magnetflusses innerhalb eines Mittelgebiets der Magnetanordnung umfasst.
Winkelsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Verriegelungsmechanismus umfasst, der dafür konfiguriert ist, das Magnetmodul (206, 306), an einer definierten Position entlang der axialen Richtung innerhalb der Bohrung zu verriegeln.
Winkelsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Verriegelungsmechanismus umfasst, der dafür konfiguriert ist, das Magnetmodul (206), innerhalb der Bohrung an einer definierten Azimutposition relativ zu der axialen Richtung zu verriegeln.
Winkelsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Innendurchmesser der Bohrung von einem ersten Durchmesser bei der ersten Stirnfläche der Antriebswelle zu einem zweiten Durchmesser, der kleiner als der erste Durchmesser ist, konisch zuläuft.
Winkelsensoranordnung nach Anspruch 3, wobei das Dichtungsglied (220) ein abgedichtetes Lager umfasst.
Winkelsensoranordnung nach Anspruch 3, wobei das Dichtungsglied (220) relativ zu der Antriebswelle (101) fest angeordnet ist.
Winkelsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Magnetmodul (206, 306), eine Magnettablette ist.
Elektrofahrrad, das eine Winkelsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Elektrofahrrad nach Anspruch 20, das ferner eine Gangschaltung umfasst, die dafür konfiguriert ist, ein variables Übersetzungsverhältnis bereitzustellen.