DE102016009006A1

DE102016009006A1 - Wellenintegrierte Winkelabtastvorrichtung

Info

Publication number: DE102016009006A1
Application number: DE102016009006.5A
Authority: DE
Inventors: Leo Aichriedler; Udo Ausserlechner; Peter Slama
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2036-07-27
Also published as: DE102016009006B4; CN106404008A

Abstract

Eine Sensoranordnung enthält ein Sensorelement und ein Magnetmodul. Das Sensorelement ist konfiguriert, ein Magnetfeld zu messen und ist innerhalb einer Welle positioniert. Die Welle ist konfiguriert, das Magnetmodul und das Sensorelement abzuschirmen. Das Magnetmodul ist konfiguriert, das Magnetfeld zu erzeugen. Das Sensorelement ist wenigstens teilweise innerhalb der Welle positioniert.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortführung der US-Patentanmeldung US 14/474.638, eingereicht beim USPTO am 02. September 2014, die in ihrer Gesamtheit hier aufgenommen ist.
Die vorliegende Anmeldung ist ferner eine Teilfortführung der US-Patentanmeldung, laufende Nr. 14/812.907, mit dem Titel ”Magnetic Field Sensor”, eingereicht am 29. Juli 2015, die eine Teilfortführung von laufende Nr. 14/290.780, mit dem Titel ”Magnetic-Field Sensor”, eingereicht am 29. Mai 2014, ist, die eine Teilanmeldung der US-Patentanmeldung, laufende Nr. 12/130.678, mit dem Titel ”Magnetic-Field Sensor”, eingereicht am 30. Mai 2008, ist, die die Priorität der Deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2007 025 000.4 , die am 30. Mai 2007 eingereicht wurde, beansprucht, wobei hierdurch alle diese Anmeldungen durch Bezugnahme hier aufgenommen sind.
HINTERGRUND
Sensoren werden in Abtastsystemen verwendet, um Eigenschaften, wie z. B. Licht, Temperatur, Bewegung und dergleichen, zu detektieren. Ein im Allgemeinen verwendeter Sensortyp ist ein auf Magnetfeldern basierender Winkelsensor. Der Winkelsensor misst eine Richtung des Magnetfeldes und berechnet einen Winkel basierend auf der Feldrichtung. Andere magnetosensitive Sensoren messen die magnetische Flussdichte.
Derartige magnetbasierte Sensoren sind jedoch empfindlich gegen Störungen in dem Magnetfeld. Viele Systeme arbeiten in rauen Umgebungen, wie z. B. in Kraftfahrzeugsystemen, und weisen Komponenten auf, die das Magnetfeld stören können und zu fehlerhaften Sensormessungen führen können.
Es werden Techniken benötigt, um die Störungen abzuschwächen oder zu verhindern, um den Betrieb, die Genauigkeit und die Robustheit gegen Positionierungstoleranzen des Magnetsensors zu verbessern.
Einige Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung betreffen eine Sensoranordnung, die eine drehbare Antriebswelle, ein Magnetmodul und ein Abtastelement aufweist. Die drehbare Antriebswelle erstreckt sich entlang einer Drehachse und umfasst eine Bohrung, die sich von einer ersten Stirnfläche der Welle entlang der Drehachse erstreckt. Das Magnetmodul ist innerhalb der Bohrung angeordnet und an die Antriebswelle gekoppelt. Das Magnetmodul ist konfiguriert, ein Magnetfeld innerhalb der Bohrung zu erzeugen. Das Abtastelement ist konfiguriert, eine Drehung des Magnetfelds in Reaktion auf die Drehung der Antriebswelle abzutasten. In einigen Ausführungsformen weist das Abtastelement eine empfindliche Stelle auf, die innerhalb der Bohrung angeordnet ist und dem sich drehenden Magnetfeld ausgesetzt ist.
In einigen Ausführungsformen
In einigen Ausführungsformen ist ein Dichtungselement an die Antriebswelle koppelbar, um die Bohrung abzudecken. Das Dichtungselement trennt das innerhalb der Bohrung angeordnete Abtastelement von einem Äußeren der Bohrung. In einigen Ausführungsformen ist das Dichtungselement an eine Umfangsfläche des Endabschnitts der Antriebswelle gekoppelt. In einigen Ausführungsformen ist das Dichtungselement an die erste Stirnfläche der Antriebswelle gekoppelt. In einigen Ausführungsformen ist die Antriebswelle konfiguriert, ein hohes Drehmoment von wenigstens einigen zehn Newtonmetern, vorzugsweise einigen hundert Newtonmetern, zu übertragen. In einigen Ausführungsformen ist die Antriebswelle konfiguriert, eine Drehbewegung zum Antrieb eines Fahrzeugs zu übertragen. In einigen Ausführungsformen ist das Abtastelement als eine Halbleitervorrichtung, die wenigstens einen Die umfasst, implementiert. In einigen Ausführungsformen stellt die Magnetanordnung ein Magnetfeld bereit, das hauptsächlich innerhalb eines äußeren Umfangs der Magnetanordnung enthalten ist. In einigen Ausführungsformen umfasst die Antriebswelle ein weichmagnetisches oder eisenhaltiges Material, um die magnetischen Störungen von dem Abtastelement abzuschirmen. In einigen Ausführungsformen ist eine Abmessung der Magnetanordnung in einer axialen Richtung größer als ein Innendurchmesser der Magnetanordnung, vorzugsweise größer als ein Außendurchmesser der Magnetanordnung. In einigen Ausführungsformen ist die Magnetanordnung als ein einheitliches Element implementiert. In einigen Ausführungsformen weist die Magnetanordnung eine im Wesentlichen ringförmige Form auf, die eine homogene Verteilung des magnetischen Flusses innerhalb eines Mittenbereichs der Magnetanordnung umfasst. In einigen Ausführungsformen umfasst die Magnetanordnung einen Verriegelungsmechanismus, der konfiguriert ist, die Magnetanordnung innerhalb der Bohrung an einer definierten Position entlang der axialen Richtung zu arretieren. In einigen Ausführungsformen umfasst die Magnetanordnung einen Verriegelungsmechanismus, der konfiguriert ist, die Magnetanordnung innerhalb der Bohrung an einer definierten Azimutposition bezüglich der axialen Richtung zu arretieren. In einigen Ausführungsformen verjüngt sich ein Innendurchmesser der Bohrung von einem ersten Durchmesser an der ersten Stirnfläche der Antriebswelle bis zu einem zweiten Durchmesser, der kleiner als der erste Durchmesser ist. In einigen Ausführungsformen umfasst das Dichtungselement ein abgedichtetes Lager, so dass das abgedichtete Lager bezüglich der Antriebswelle drehbar ist. In einigen Ausführungsformen ist das Dichtungselement bezüglich der Antriebswelle fest angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist der Magnet oder die Magnetanordnung eine Magnetpille. In einigen Ausführungsformen lehrt die vorliegende Offenbarung ein Elektromotorsystem, das eine drehbare Motorantriebswelle, ein Magnetmodul und ein Abtastelement umfasst. Die drehbare Motorantriebswelle erstreckt sich entlang einer Drehachse und umfasst eine Bohrung, die sich von einer ersten Stirnfläche der Welle entlang der Drehachse erstreckt. Das Magnetmodul ist innerhalb der Bohrung angeordnet und an die Motorantriebswelle gekoppelt. Das Magnetmodul ist konfiguriert, ein Magnetfeld innerhalb der Bohrung zu erzeugen. Das Abtastelement ist konfiguriert, eine Drehung des Magnetfelds in Reaktion auf die Drehung der Motorantriebswelle abzutasten. In einigen Ausführungsformen lehrt die vorliegende Offenbarung ebenfalls ein Brennkraftmaschinensystem, das eine oder mehrere drehbare Antriebswellen, ein Magnetmodul und ein Abtastelement umfasst. Die wenigstens eine drehbare Antriebswelle erstreckt sich entlang einer Drehachse und umfasst eine Bohrung, die sich von einer ersten Stirnfläche der Welle entlang der Drehachse erstreckt. Das Magnetmodul ist innerhalb der Bohrung angeordnet und an die wenigstens eine Antriebswelle gekoppelt. Das Magnetmodul ist konfiguriert, ein Magnetfeld innerhalb der Bohrung zu erzeugen. Das Abtastelement ist konfiguriert, eine Drehung des Magnetfelds in Reaktion auf die Drehung der wenigstens einen Antriebswelle abzutasten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine graphische Darstellung eines integrierten Sensorsystems, das unter Verwendung von Magnetfeldern arbeitet.
2 ist eine graphische Querschnittsdarstellung eines wellenintegrierten Sensorsystems, das eine hohle Welle und ein ringförmiges Magnetmodul aufweist.
3 ist eine graphische Querschnittsdarstellung eines wellenintegrierten Sensorsystems, das eine hohle Welle und einen pillenförmigen Magneten aufweist.
4 ist eine graphische Querschnittsdarstellung eines integrierten Sensorsystems, das eine massive Welle und ein ringförmiges Magnetmodul aufweist.
5 ist eine graphische Querschnittsdarstellung eines integrierten Sensorsystems, das eine massive Welle und einen pillenförmigen Magneten aufweist.
6 ist eine graphische Darstellung, die ein Sensormodulsystem darstellt.
7 ist eine graphische Querschnittsdarstellung, die einen ringförmigen Magneten veranschaulicht, der in einem Magnetmodul, wie z. B. in den oben beschriebenen Magnetmodulen, verwendet werden kann.
8 ist eine Querschnittsansicht, die einen pillen- oder zylinderförmigen Magneten veranschaulicht, der in einem Magnetmodul, wie z. B. in den oben beschriebenen Magnetmodulen, verwendet werden kann.
9 ist ein Ablaufplan, der ein Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung veranschaulicht.
10 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Welle, die in Kombination mit den hier beschriebenen Sensorsystemen verwendbar ist.
11A veranschaulicht ein in numerischen Simulationen verwendetes Szenario.
11B veranschaulicht einige Ergebnisse der Simulationen, die basierend auf dem in 11A veranschaulichten Szenario berechnet worden sind.
12 veranschaulicht eine Anordnung eines in eine Welle eingesetzten Sensors in einer Querschnittsansicht.
12A veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines in eine Bohrung einer Welle integrierten Sensors.
12B veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Sensors, der mit einer Muffe in einen dünnwandigen Endabschnitt einer Welle integriert ist.
12C veranschaulicht die Sättigung eines magnetisierbaren dünnwandigen Endabschnitts einer Welle wie in den Ausführungsformen nach den 10, 12A und 12B.
12D veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Sensors, der mit einer noch weiteren Muffe in einen dünnwandigen Endabschnitt einer Welle integriert ist.
12E veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Sensors, der mit einer alternativen Muffe in einen dünnwandigen Endabschnitt einer Welle integriert ist.
13 veranschaulicht einen Aufbau für eine Sensorbaugruppe mit Anschlüssen.
14A–14D veranschaulichen Symmetrieüberlegungen für Magnet- und Sensoranordnungen gemäß der vorliegenden Offenbarung.
15A–15I veranschaulichen verschiedene Symmetrien zum Anordnen eines (von) Magneten innerhalb einer dünnwandigen Bohrung an einem Endabschnitt einer Welle.
16 veranschaulicht einen geteilten Magneten innerhalb einer Bohrung.
17 veranschaulicht einen Magneten, der Nuten umfasst, die in eine Bohrung einer Welle eingesetzt sind.
18 veranschaulicht einen Schlüssel, um einen Magneten innerhalb einer Bohrung einer Welle zu orientieren.
19A veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Magneten innerhalb einer Bohrung einer Welle.
19B veranschaulicht eine noch weitere Magnetanordnung innerhalb einer kegelförmigen Bohrung einer Welle.
20 veranschaulicht eine weitere Magnetanordnung innerhalb einer Bohrung einer Welle.
21A, 21B und 21C veranschaulichen das Abdichten einer Öffnung einer Bohrung, die eine Magnetanordnung und ein Abtastelement umfasst.
22A, 22B veranschaulichen Magnetanordnungen des Halbach-Typs. 22C veranschaulicht eine noch weitere einheitliche inhomogene Magnetanordnung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nun wird die vorliegende Erfindung bezüglich der beigefügten Figuren der Zeichnung beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um überall auf gleiche Elemente zu verweisen, und wobei die veranschaulichten Strukturen und Vorrichtungen nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet sind.
Hier sind Vorrichtungen, Systeme und Verfahren offenbart, die Winkelsensoren fördern und die Störungen in Magnetfeldern abschwächen. Raue Umgebungen, wie z. B. Kraftfahrzeugsysteme, weisen verschiedene Komponenten und Bedingungen auf, die Auswirkungen auf die Elektronik, die Sensoren und die Magnetfelder haben. Diese Störungen können zu fehlerhaften Messwerten, Sensorstörungen führen und erfordern es, Positionstoleranzen zu entsprechen, um ein bestimmtes Genauigkeitsniveau beim Betrieb des Sensors zu erreichen. Winkelsensoren sind typischerweise von Interesse, um eine Winkelposition eines Gegenstandes, der sich um eine Achse dreht, zu identifizieren. In einigen Anwendungen kann es von Interesse sein, eine Winkelposition nur über 180 Grad eindeutig zu identifizieren; d. h., um eine halbe Drehung. In anderen Anwendungen kann es jedoch von Interesse sein, eine Winkelposition eindeutig über 360 Grad zu identifizieren, was einer vollen Drehung der Drehung des Gegenstandes um die Achse entspricht.
1 ist eine graphische Darstellung eines integrierten Sensorsystems 100, das unter Verwendung von Magnetfeldern arbeitet. Das System 100 ist in einer vereinfachten Form bereitgestellt, um das Verständnis zu fördern. Das System 100 kann in rauen Umgebungen, Kraftfahrzeugsystemen, Fahrzeugsystemen und dergleichen verwendet werden. Das System 100 kann in einer oder mehreren Vorrichtungen oder Anordnungen hergestellt werden.
Hybridsysteme, wie z. B. 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, einen Leistungsverlust, Leistungsverläufe, Hochleistungsverläufe, Schwingungen, Trümmer, Metallspäne/-stücke, eine Fluidverunreinigung, eine Getriebefluidverunreinigung (sehr aggressiv), Bremsenreiniger, Kühlmittel, Material, Schmutz und dergleichen. Je mehr Motoren, Aktuatoren und andere Komponenten, desto mehr Strom und Fluktuationen sind vorhanden.
Andere Herangehensweisen sind empfindlich gegen Störungen und schaffen es nicht, Mechanismen gegen diese Störungen bereitzustellen.
Ein typischer Winkelsensor verfolgt eine Drehbewegung einer Achse oder einer Welle. Es ist eine Herangehensweise, einen Sensor zu einem Ende einer Welle hinzuzufügen und den Sensor einzukapseln. Die Einkapselung fügt jedoch Kosten und zusätzliche Verarbeitung hinzu und erfordert zusätzlichen Raum. Zusätzlich enthalten derartige Herangehensweise außerdem das Anordnen eines Sensorelements an einem Ende einer Welle. Dies vergrößert die Gesamtlänge der Welle oder der an ihr befestigten Komponente, was zusätzlichen Fahrzeug-/Kraftmaschinenraum erfordert. Es sind zusätzliche Halterungen, Verbinder und dergleichen erforderlich, um den Sensor am Ende der Welle anzubringen. Dies kann die verbrauchte Länge/den verbrauchten Raum weiter vergrößern und noch mehr Fahrzeug-/Kraftmaschinenraum erfordern.
Das System 100 enthält ein optionales Sensormodul 102, ein Sensorelement 104 und ein Magnetmodul 106. Das Sensormodul 102 kann sich in der Form einer Baugruppe oder irgendeiner anderen Hilfe zum Anordnen des Sensors 104 befinden, wie im Folgenden weiter erklärt wird. Das System 100 kann das Sensormodul 102 mit einer Abschirmung in der Form eines Gehäuses, einer Welle oder einer anderen Komponente, um eine Selbstabschirmung bereitzustellen, integrieren. Zusätzlich verbraucht das System 100 weniger Raum als andere Herangehensweisen, indem es integriert ist. Ferner verwendet das System 100 die Selbstabschirmung, um es zu ermöglichen, dass die Komponenten geringere Fähigkeiten aufweisen, während sie eine geeignete oder gewählte Genauigkeit bereitstellen.
Das Sensormodul 102 kann in einigen Implementierungen eine integrierte Komponente sein, die in ein Gehäuse oder eine andere Komponente integriert ist. Das Sensormodul 102 enthält das integrierte Sensorelement 104. Das Modul 102 kann außerdem Leistungsregelkomponenten, Signalerzeugungskomponenten, Speicherkomponenten und dergleichen enthalten. Es können andere Komponenten einschließlich Halterungen, Befestigungen, Verbindungen, eines Gehäuses und dergleichen enthalten sein, obwohl sie nicht gezeigt sind. In einem Beispiel ist das Sensormodul 102 auf einem Die, der einen Leitungsrahmen aufweist, ausgebildet. Das Sensormodul 102 ist unter Verwendung von überformtem Kunststoff in einem Gehäuse eingeschlossen. Es sind Verbinder zu dem Leitungsrahmen bereitgestellt, wobei sie die externen Verbindungen zu dem Sensormodul 102 bereitstellen, wie im Folgenden ausführlicher erklärt wird. Das Sensormodul kann an oder in Komponenten, wie z. B. ein Gehäuse, einen Hebel, einen Arm, einen Achsschenkel und dergleichen, gekoppelt bzw. integriert sein.
Das Sensorelement 104 misst eine Richtung eines Magnetfeldes oder eine Richtung eines Flusses eines Magnetfeldes. Das Element 104 oder eine andere Komponente berechnet dann eine Eigenschaft, wie z. B. einen Winkel oder eine Wellenposition, basierend auf der Messung der Feldrichtung. Das Sensorelement 104 ist konfiguriert, Versorgungsleistung zu empfangen, Messwerte bereitzustellen und/oder Steuer- oder Eichinformationen zu empfangen. In einem Beispiel wird für die Versorgungsleistung und das Übertragen der Messwerte eine einzige Schnittstelle verwendet. In einem weiteren Beispiel werden für die Leistung und/oder die Kommunikation mehrere Drähte oder Ports verwendet.
Das Sensorelement 104 ist ein Sensor des Absolut- oder 360-Grad-Typs, was bedeutet, dass er den Fluss an irgendeinem Winkel über eine volle Drehung eindeutig messen kann. Er ist von einem geeigneten Typ, wie z. B. die magnetoresistiven oder die magnetosensitiven Typen der Elemente.
Das Magnetmodul 106 ist an einer zu messenden Komponente angebracht oder befestigt oder mit einer zu messenden Komponente integriert und konfiguriert, ein Magnetfeld unmittelbar an dem Sensorelement 104 zu erzeugen. Das Magnetmodul 106 kann in einem Beispiel diametral magnetisiert sein. Das Magnetmodul 106 kann Magneten verschiedener Größen und Formen enthalten. Einige beispielhafte Formen enthalten Pillen- oder massive Magneten, Ringmagneten und dergleichen. Die Größen sind gewählt, um ein geeignetes Magnetfeld bereitzustellen. Die Größen enthalten typischerweise eine Dicke und einen Durchmesser.
Die Störungen, wie z. B. jene, die oben gezeigt worden sind, können ein Magnetfeld stören, das durch das Sensorelement 104 gemessen wird. Das Sensormodul 102 ist jedoch mit einer Komponente, um das Modul 102 und Element 104 abzuschirmen, integriert, ohne eine umfangreiche Einkapselung oder andere Mechanismen, um die Störungen abzuschwächen, zu erfordern. Die Komponente, die die Abschirmung für das Sensorelement 104 und das Magnetmodul 106 bereitstellt, enthält z. B. einen drehbaren Gegenstand, wie z. B. eine Welle, einen Stab und vergleichen, der ein geeignetes Material umfasst. In einem Beispiel enthält das geeignete Material ein relativ weichmagnetisches Material mit einer Permeabilität, die größer als 1 ist.
2 ist eine graphische Querschnittsdarstellung eines integrierten Sensorsystems 200, das eine hohle Welle und ein ringförmiges Magnetmodul aufweist. Das System 200 ist in einer vereinfachten Form bereitgestellt, um das Verständnis zu fördern. Das System 200 kann in rauen Umgebungen, Kraftfahrzeugsystemen, Fahrzeugsystemen und dergleichen verwendet werden. Das System 200 kann in einer oder mehreren Vorrichtungen hergestellt werden. Für zusätzliche Einzelheiten für einige der Komponenten kann auf die obige Beschreibung der ähnlich nummerierten Komponenten Bezug genommen werden.
Das System 200 enthält ein Gehäuse 208, ein Sensormodul 102, ein Sensorelement 104, ein Magnetmodul 206 und eine Welle 210. Das System 200 integriert das Sensormodul 102 mit der Welle 210, die das Sensormodul 102 und das Magnetmodul 206 von den Störungen abschirmt und die durch das Magnetmodul 206 erzeugten Magnetfelder verstärkt.
Das Sensormodul 102 enthält das innerhalb eines Gehäuses ausgebildete Sensorelement 104. Das Gehäuse ist typischerweise ein überformter Kunststoff, ist aber nicht darauf eingeschränkt. Das Sensorelement 104 kann mit einem Leitungsrahmen konfiguriert sein. Das Modul 102 enthält die Verbindungen von dem Leitungsrahmen des Sensorelements 104 zu den Ports oder den externen Verbindungen, wie hinsichtlich 13 ausführlicher erklärt wird.
Das Gehäuse 208 kann ein Teil eines Getriebekastens, eines Abteils, einer Antriebsstrang-Brennkraftmaschine und dergleichen sein. Das Gehäuse 208 ist konfiguriert, die Welle 210 aufzunehmen und zu stützen. Das Gehäuse 208 enthält in einer Ausführungsform eine ausgehöhlte Aussparung, in die die Welle 210 eingesetzt ist. Die Lager 212 oder eine weitere Komponente/Vorrichtung sind konfiguriert, die Drehung der Welle 210 ohne eine übermäßige Reibung zu fördern. Das Gehäuse 208 kann außerdem eine Modulöffnung enthalten, in die ein Sensormodul 102 eingesetzt ist oder in der ein Sensormodul 102 positioniert ist. Es wird erkannt, dass das Sensormodul, wenn es in der Modulöffnung angeordnet ist, eine vorgesehene Positionierung des tatsächlichen Sensorelements 104 bezüglich der drehbaren Welle 210 und eines Magneten 206, der die Drehungen der Welle 210 für das Sensorelement 104 ”sichtbar” macht, fördert. Es wird angegeben, dass das Sensormodul 102 von dem Gehäuse 208 abnehmbar ist. In einem weiteren Beispiel ist das Sensormodul nicht abnehmbar an dem Gehäuse 208 befestigt. In einem Beispiel stellt das Gehäuse 208 eine hermetische Abdichtung bereit, die das Sensormodul 102 vor Trümmern und Verunreinigungen schützt. Zusätzlich kann das Gehäuse 208 konfiguriert sein, eine magnetische und/oder elektrische Abschirmung bereitzustellen. Die Aspekte der Abschirmung des Sensorelements 104 und/oder des Magneten 206 von irgendwelchen externen Magnetfeldern werden im Folgenden bezüglich der 10–18 ausführlicher erörtert.
Die Welle 210 ist von dem Gehäuse 208 getrennt. Ein erstes Ende der Welle ist an einem Motor oder einem anderen drehbaren Objekt befestigt, während sich ein zweites Ende unmittelbar an dem Gehäuse 208 befindet. Das zweite Ende der Welle 210 kann an Lager gekoppelt sein, um die Drehung zu fördern. Die Welle 210 kann ein Teil eines Kraftfahrzeugsystems, wie z. B. eines Antriebsstrangs, eines Getriebesystems und dergleichen, sein. Die Welle 210 ist im Allgemeinen ein langer zylinderförmiger Stab, der ein geeignetes Material, wie z. B. ein Metall, ein weichmagnetisches Material und dergleichen, umfasst. Einige Beispiele eines geeigneten Metalls enthalten Stahl und Aluminium. Ein Beispiel eines weichmagnetischen Materials enthält ein Material, das eine magnetische Permeabilität aufweist, die größer als 1 ist. Die Welle 210 dreht sich in einem Bereich von Umdrehungen pro Minute (RPM) und in einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn. Die RPM können niedrige RPM-Bereiche, wie z. B. 0 bis 200 min^–1, und hohe RPM-Bereiche, wie z. B. jene, die 4.000 min^–1 übersteigen, enthalten.
Es ist gezeigt, dass die Welle 210 eine Drehachse aufweist, die als z gezeigt ist. Die Welle 210 dreht sich um die Drehachse mit einer Drehrichtung, die im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn sein kann.
Die Welle 210 kann ausgehöhlt, massiv oder anderweitig konfiguriert sein. In 2 ist die Welle 210 ausgehöhlt und weist eine ausgewählte Wanddicke auf. Alternativ kann die Welle 210 massiv sein und einen dünnwandigen Endabschnitt umfassen, wie in 2 gezeigt ist. Wenigstens ein Abschnitt des Sensormoduls 102 und des Sensorelements 104 erstreckt sich teilweise in den offenen Abschnitt der Welle 210 an dem zweiten Ende. Zusätzlich befindet sich des Magnetmodul 206 ebenso wenigstens teilweise innerhalb des offenen Abschnitts der Welle. Die Welle kann, indem sie ausgehöhlt ist, im Vergleich zu massiven Wellen niedrigere Kosten und ein geringeres 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 Innenfläche der Welle 210, nämlich einer inneren Umfangsfläche in 2, positioniert ist. Der ringförmige Magnet umgibt das Sensormodul 102 teilweise und umgibt das Sensorelement 104 bezüglich der Drehachse Z.
Das Sensormodul 102 ist in diesem Beispiel in das Gehäuse 208 integriert. Das Sensormodul 102 kann einen O-Ring oder ein ähnliches Material enthalten, um zwischen dem Sensormodul 102 und dem Gehäuse 208 abzudichten (was in 2 nicht gezeigt ist). Das Sensorelement 104 ist unmittelbar an einem zweiten Ende des Moduls 102 positioniert. Das Sensorelement 104 misst typischerweise das durch das Magnetmodul 206 erzeugte Magnetfeld, genauer eine Richtung des Magnetfeldes, wenn es als ein Winkelsensor verwendet wird. Bei der Drehung der Welle 210 erscheint das durch den Magneten erzeugte Magnetfeld für das Sensorelement 104 als ein sich drehendes Magnetfeld, das verwendet werden kann, um eine Drehposition der Welle zu überwachen.
Die durch das Sensorelement 104 erhaltenen Messwerte werden verwendet, um die Winkelmesswerte einschließlich der radialen Position der Welle, der Winkelposition der Welle, der Umdrehungen pro Minute (RPM), der Richtung der Drehung und dergleichen zu berechnen.
Eine Steuereinheit, wie z. B. eine elektronische Steuereinheit (ECU), kann die Messwerte und/oder die Winkelinformationen von dem Sensormodul 102 empfangen.
3 ist eine graphische Querschnittsdarstellung eines wellenintegrierten Sensorsystems 300, das eine hohle Welle oder wenigstens einen dünnwandigen Endabschnitt der Welle und einen pillenförmigen Magneten aufweist. Das System 300 ist in einer vereinfachten Form bereitgestellt, um das Verständnis zu fördern. Das System 300 kann in rauen Umgebungen, Kraftfahrzeugsystemen, Fahrzeugsystemen und dergleichen verwendet werden. Das System 300 kann in einer oder mehreren Vorrichtungen hergestellt werden. Das System 300 ist zum oben beschriebenen System 200 ähnlich, wobei es aber anstelle eines ringförmigen Magneten einen pillenförmigen oder rund geformten Magneten verwendet. Für zusätzliche Einzelheiten für einige der Komponenten kann auf die obige Beschreibung der ähnlich nummerierten Komponenten Bezug genommen werden.
Das System 300 enthält ein Gehäuse 208, 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 von den Störungen elektrisch, mechanisch und/oder magnetisch abschirmt.
Das Sensormodul 102 enthält das Sensorelement 104, das innerhalb eines Gehäuses ausgebildet ist. Das Gehäuse ist ein überformter Kunststoff. Das Sensorelement 104 ist typischerweise mit einem Leitungsrahmen konfiguriert. Das Modul 102 enthält die Verbindungen von dem Leitungsrahmen des Sensorelements 104 zu den Ports oder den externen Verbindungen.
Das Gehäuse 208 kann ein Teil eines Antriebsstrangs, eines Getriebesystems und dergleichen sein. Das Gehäuse 208 ist konfiguriert, die Welle 210 aufzunehmen und zu stützen. Das Gehäuse 208 enthält eine ausgehöhlte Aussparung, die als eine Gehäuseaussparung bezeichnet wird, in die die Welle 210 eingesetzt ist. Die Lager 212 oder eine andere Komponente/Vorrichtung sind konfiguriert, die Drehung der Welle 210 ohne übermäßige Reibung zu fördern.
Die Welle 210 ist von dem Gehäuse 208 getrennt. Ein erstes Ende der Welle ist an einem Motor oder einem anderen drehbaren Objekt befestigt, während sich ein zweites Ende unmittelbar an dem Gehäuse 208 befindet. Die Welle 210 ist im Allgemeinen ein langer zylinderförmiger Stab, der ein geeignetes Material umfasst, wie z. B. oben beschrieben worden ist. Die Welle 210 dreht sich in einem Bereich von Umdrehungen pro Minute (RPM) und in einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn. Die RPM kann niedrige RPM-Bereiche, wie z. B. 0 bis 200 min^–1, oder hohe RPM-Bereiche, wie z. B. jene, die 4.000 min^–1 übersteigen, enthalten.
Die Welle 210 kann ausgehöhlt, massiv oder anderweitig konfiguriert sein. In 3 ist die Welle 210 abermals ausgehöhlt, wobei sie eine gewählte Wanddicke aufweist. Ein Abschnitt des Sensormoduls 102 erstreckt sich teilweise in den offenen Abschnitt der Welle 210 an dem zweiten Ende. 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 pillenförmigen oder rund geformten Magneten, der über der Öffnung in der Welle 210 positioniert ist. Der pillenförmige Magnet ist entlang der gleichen Achse z wie das Sensormodul 102 und das Sensorelement 104 positioniert. Weiterhin weist der pillenförmige Magnet einen Durchmesser und eine Dicke auf, die gewählt sind, um ein geeignetes Magnetfeld bereitzustellen. Der Durchmesser kann kleiner als ein Durchmesser der Innenfläche der Welle 210 sein.
Das Sensormodul 102 ist in das Gehäuse 208 integriert, wie oben beschrieben worden ist. Das Sensormodul 102 kann einen O-Ring oder ein ähnliches Material enthalten, um zwischen dem Sensormodul 102 und dem Gehäuse 208 abzudichten. Das Sensorelement ist unmittelbar an einem zweiten Ende 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 verwendet, um eine Azimut- oder Winkelposition der Welle, die Umdrehungen pro Minute (RPM), die Richtung der Drehung und dergleichen zu berechnen.
Eine Steuereinheit, wie z. B. eine elektronische Steuereinheit (ECU), kann die Messwerte und/oder die Winkelinformationen von dem Sensormodul 102 empfangen.
4 ist eine graphische Querschnittsdarstellung eines Sensorsystems 400, das eine massive Welle 410 und ein ringförmiges Magnetmodul 206 aufweist. Das System 400 ist in einer vereinfachten Form bereitgestellt, um das Verständnis zu fördern. Das System 400 kann in rauen Umgebungen, Kraftfahrzeugsystemen, Fahrzeugsystemen und dergleichen verwendet werden. Das System 400 kann zusätzlich in einer oder mehreren Vorrichtungen hergestellt werden. Für zusätzliche Einzelheiten für einige der Komponenten kann auf die obige Beschreibung der ähnlich nummerierten Komponenten Bezug genommen werden.
Das System 400 enthält ein Gehäuse 208, 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 von den Störungen elektrisch, mechanisch und/oder magnetisch abschirmt.
Das Sensormodul 102 enthält abermals das Sensorelement 104, das optional innerhalb eines Gehäuses ausgebildet ist. Das Gehäuse ist in einem Beispiel ein überformter Kunststoff. Das Sensorelement 104 kann mit einem Leitungsrahmen konfiguriert sein. Das Modul 102 kann die Verbindungen von dem Leitungsrahmen des Sensorelements 104 zu den Ports oder den externen Verbindungen enthalten.
Das Gehäuse 208 kann Teil eines Antriebsstrangs, eines Getriebesystems und dergleichen sein. Das Gehäuse 208 ist konfiguriert, die Welle 410 aufzunehmen und zu stützen. Das Gehäuse 208 enthält eine ausgehöhlte Aussparung, in die die Welle 410 eingesetzt ist. Es sind optionale Lager 212 oder eine weitere Komponente/Vorrichtung konfiguriert, um die Drehung der Welle 410 ohne übermäßige Reibung zu fördern.
Die Welle 410 ist von dem Gehäuse 208 getrennt. Ein erstes Ende der Welle ist an einem Motor oder einem anderen drehbaren Gegenstand befestigt, während sich ein zweites Ende unmittelbar an dem Gehäuse 208 befindet. Die Welle 410 ist im Allgemeinen ein langer zylinderförmiger Stab, der ein geeignetes Material, wie z. B. ein Metall, umfasst. Einige Beispiele eines geeigneten Metalls sind oben gezeigt. Die Welle 410 dreht sich in einem Bereich von Umdrehungen pro Minute (RPM) und in einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn. Die RPM kann niedrige RPM-Bereiche, wie z. B. 0 bis 200 min^–1, oder hohe RPM-Bereiche, wie z. B. jene, die 4.000 min^–1 übersteigen, enthalten.
Die Welle 410 ist in diesem Beispiel massiv und weist einen ausgewählten Durchmesser auf. Das zweite Ende der Welle 410 enthält einen Wellenhohlraum 414. Der Hohlraum 414 wird unter Verwendung eines geeigneten Mechanismus, wie z. B. Bohren, innerhalb des zweiten Endes gebildet. Der Hohlraum 414 weist einen Durchmesser und eine Tiefe auf. Wenigstens ein Abschnitt des Sensormoduls 102 erstreckt sich in den Wellenhohlraum 414. Zusätzlich befindet sich das Magnetmodul 206 innerhalb des Wellenhohlraums. Die Welle 410 kann, indem sie massiv ist, im Vergleich zu den ausgehöhlten Wellen eine überragende Festigkeit aufweisen, wie hinsichtlich der 2 und 3 erörtert worden ist.
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 Innenfläche des Wellenhohlraums 414 positioniert ist. Der ringförmige Magnet umgibt das Sensormodul 102 teilweise und umgibt das Sensorelement 104 in der z-Richtung. Der ringförmige Magnet 206 stellt typischerweise ein besseres Feld zum Messen bezüglich der axialen Verschiebung als ein pillenförmiger Magnet bereit.
Das Sensormodul 102 ist in diesem Beispiel in das Gehäuse 208 integriert. Das Sensormodul 102 kann einen O-Ring oder ein ähnliches Material enthalten, um zwischen dem Sensormodul 102 und dem Gehäuse 208 abzudichten. Das Sensorelement ist unmittelbar an einem zweiten Ende des Moduls 102 positioniert. Das Sensorelement 104 misst das durch das Magnetmodul 206 erzeugte Magnetfeld.
Die durch das Sensorelement 104 erhaltenen Messungen werden verwendet, um die radiale Position der Welle, die Umdrehungen pro Minute (RPM), die Richtung der Drehung und dergleichen zu berechnen. Eine (nicht gezeigte) Steuereinheit, wie z. B. eine elektronische Steuereinheit (ECU), kann die Messwerte und oder die Winkelinformationen von dem Sensormodul 102 empfangen.
5 ist eine graphische Querschnittsdarstellung eines wellenintegrierten Sensorsystems 500, das eine massive Welle und einen pillenförmigen Magneten aufweist. Das System 500 ist in einer vereinfachten Form bereitgestellt, um das Verständnis zu fördern. Das System 500 kann in rauen Umgebungen, Kraftfahrzeugsystemen, Fahrzeugsystemen und dergleichen verwendet werden. Das System 500 kann zusätzlich in einer oder mehreren Vorrichtungen hergestellt werden. Für zusätzliche Einzelheiten für einige der Komponenten kann auf die obige Beschreibung der ähnlich nummerierten Komponenten Bezug genommen werden.
Das System 500 enthält ein Gehäuse 208, 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 von den Störungen elektrisch, mechanisch und/oder magnetisch abschirmt.
Das Sensormodul 102 enthält das Sensorelement 104, das innerhalb eines Gehäuses ausgebildet ist. Das Gehäuse ist ein überformter Kunststoff. Das Sensorelement 104 kann mit einem Leitungsrahmen konfiguriert sein. Das Modul 102 enthält die Verbindungen von dem Leitungsrahmen des Sensorelements 104 zu den Ports oder den externen Verbindungen.
Das Gehäuse 208 kann Teil eines Antriebsstrangs, eines Getriebesystems und dergleichen sein. Das Gehäuse 208 ist konfiguriert, die Welle 410 aufzunehmen und zu stützen. Das Gehäuse 208 enthält eine ausgehöhlte Aussparung, in die die Welle 410 eingesetzt ist. Die Lager 212 oder eine andere Komponente/Vorrichtung sind konfiguriert, die Drehung der Welle 410 ohne übermäßige Reibung zu fördern.
Die Welle 410 ist von dem Gehäuse 208 getrennt. Ein erstes Ende der Welle ist an einem Motor oder einem anderen drehbaren Gegenstand befestigt, während sich ein zweites Ende unmittelbar an dem Gehäuse 208 befindet. Die Welle 410 ist im Allgemeinen ein langer zylinderförmiger Stab, der ein geeignetes Material umfasst, wie z. B. oben gezeigt worden ist. Die Welle 410 dreht sich in einem Bereich von Umdrehungen pro Minute (RPM) und in einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn. Die RPM kann niedrige RPM-Bereiche und hohe RPM-Bereiche und deren Variationen enthalten.
Die Welle 410 ist massiv 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 erstreckt sich teilweise in den Wellenhohlraum 414. Zusätzlich 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 pillenförmigen Magneten, der in dem Wellenhohlraum 414 positioniert ist. Der pillenförmige Magnet ist auf einer Achse mit dem Sensor 104, nämlich der z-Achse in 5, positioniert. Ferner weist der pillenförmige Magnet einen Durchmesser und eine Dicke auf, wie oben bezüglich 3 beschrieben worden ist.
Das Sensormodul 102 ist in diesem Beispiel in das Gehäuse 208 und in die Welle 410 integriert. Das Sensormodul 102 kann einen O-Ring oder ein ähnliches Material enthalten, um zwischen dem Sensormodul 102 und dem Gehäuse 208 abzudichten. Das Sensorelement ist unmittelbar an einem zweiten Ende des Moduls 102 positioniert. Das Sensorelement 104 misst das Magnetfeld oder eine Richtung des Magnetfeldes, das durch das Magnetmodul 206 erzeugt wird. Das Magnetfeld von dem Magneten 206 ist für den Sensor als ein sich drehendes Magnetfelds ”sichtbar”, das eine Winkelposition der sich drehenden Welle 410 angibt.
Die durch das Sensorelement 104 erhaltenen Messwerte werden verwendet, um die radiale Position der Welle, die Umdrehungen pro Minute (RPM), die Richtung der Drehung und dergleichen zu berechnen, wie bereits oben erklärt worden ist. Eine (nicht gezeigte) Steuereinheit, wie z. B. eine elektronische Steuereinheit (ECU), kann die Messwerte und/oder die Winkelinformationen von dem Sensormodul 102 empfangen. Die Messungen oder die Informationen enthalten analoge oder digitale unbearbeitete Daten, berechnete Winkelinformationen und dergleichen.
6 ist eine graphische Darstellung, die ein Sensormodulsystem 600 darstellt. Das System 600 kann mit den obigen Systemen und Vorrichtungen verwendet werden und ist bereitgestellt, um das Verständnis zu fördern.
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 magnetosensitive Technik, wie z. B. magnetoresistiv, Hall-Effekt und dergleichen. Das Sensorelement 104 ist konfiguriert, ein Magnetfeld, eine magnetische Flussdichte, eine Magnetfeldrichtung und dergleichen unmittelbar an dem Element 104 zu messen. Das Sensorelement 104 ist auf einem Die ausgebildet und weist einen Leitungsrahmen für die Leistung und zum Bereitstellen der Messwerte auf.
Das Sensormodul 102 enthält ein Gehäuse 618, das aus einem geeigneten Material ausgebildet ist, wie z. B. einem überformten Kunststoff. Das Gehäuse 618 dichtet das Sensorelement 104 im Allgemeinen vor Trümmern und anderen Störungen ab.
Die Schnittstelle 616 ist mit dem Sensorelement 104 verbunden. Die Schnittstelle 616 kann einen oder mehrere Drähte/eine oder mehrere Verbindungen zu dem Sensorelement 104 und außerhalb des Gehäuses 618 enthalten. Die Schnittstelle 616 ist konfiguriert, die Messergebnisse von dem Sensorelement 104 zu dem Controller 614 zu übertragen und dem Sensorelement 104 Leistung zuzuführen.
Der Controller 614 ist mit der Schnittstelle 616 verbunden und ist konfiguriert, das Sensorelement 104 zu steuern und die Messergebnisse des Magnetfeldes/des magnetischen Flusses von dem Sensorelement 104 zu empfangen. Der Controller 614 bestimmt die Winkelinformationen über eine Komponente, wie z. B. die Winkelposition, die winkelige Position, die Drehzahl, die Beschleunigung und dergleichen. Die Komponente ist im Allgemeinen eine drehbare Komponente, wie z. B. eine Motorwelle, ein Rad, eine Antriebsstrangwelle, eine Getriebewelle und dergleichen. Insbesondere ist der Controller 614 konfiguriert, die Winkelposition, die Winkelrichtung, die RPM und dergleichen zu bestimmen.
7 ist eine Querschnittsansicht eines ringförmigen Magneten 700, der in einem Magnetmodul, wie z. B. den oben beschriebenen Magnetmodulen, verwendet werden kann. Der ringförmige Magnet 700 kann in den obigen Systemen verwendet werden, um ein Magnetfeld zum Messen der Winkelinformationen einschließlich der Position und der RPM zu erzeugen.
Der Magnet 700 ist innerhalb eines Endes einer Welle eines Motors, eines Rades und dergleichen positioniert. Der Magnet erzeugt ein geeignetes Feld, das durch seine Zusammensetzung und Abmessungen bestimmt ist.
Die Abmessungen enthalten einen Außendurchmesser 720, eine Breitendicke 722 und einen Innendurchmesser 724. Der Unterschied zwischen dem Innendurchmesser 724 und dem Außendurchmesser definiert eine Ringdicke. Je größer die Breitendicke und die Ringdicke sind, desto größer ist im Allgemeinen das erzeugte Magnetfeld und desto toleranter kann das Sensorelement gegen die Verschiebungen des Sensors bezüglich des Magneten, die außerdem als Positionierungstoleranzen bezeichnet werden, sein.
8 ist eine Querschnittsansicht eines pillenförmigen oder rund geformten Magneten 800, der in einem Magnetmodul, wie z. B. den oben beschriebenen Magnetmodulen, verwendet werden kann. Der pillenförmige Magnet 800 kann in den obigen Systemen verwendet werden, um ein Magnetfeld zum Messen der Winkelinformationen einschließlich der Position und der RPM zu erzeugen.
Der Magnet 800 kann innerhalb eines Endes einer Welle eines Motors, eines Rades und dergleichen positioniert sein. Der Magnet 800 erzeugt eine geeignete Magnetfeldverteilung oder einen geeigneten magnetischen Fluss, die durch seine Zusammensetzung und Abmessungen bestimmt sind.
Die Abmessungen enthalten einen Durchmesser 820 und eine Dicke 822. Je größer der Durchmesser 820 und je größer die Dicke 822 sind, desto größer ist im Allgemeinen das erzeugte Magnetfeld und desto toleranter kann das Sensorelement gegen Positionstoleranzen sein, wie im Folgenden ausführlicher erklärt wird.
9 ist ein Ablaufplan, der ein Verfahren 900 zum Betreiben einer Sensorvorrichtung veranschaulicht. Das Verfahren 900 setzt ein Sensormodul in eine Welle ein oder integriert ein Sensormodul in eine Welle, um eine Abschirmung gegen Störungen bereitzustellen, wobei es optional die Erzeugung eines Magnetfeldes verstärkt. Das Verfahren 900 kann im Zusammenhang mit den obigen Systemen, Vorrichtungen und deren Variationen verwendet werden.
Das Verfahren 900 beginnt in einem Block 902, wobei ein Sensormodul in einer Welle und/oder einem Gehäuse konfiguriert oder positioniert wird. Die Welle stellt eine Abschirmung für das Sensormodul bereit, so dass Störungen, wie z. B. jene, die oben beschrieben worden sind, abgeschwächt oder vermieden werden. Das Gehäuse kann ein Gehäuse oder eine Wand eines Abteils, wie z. B. eine Kraftfahrzeuggetriebekomponente, und dergleichen sein. Das Sensormodul kann überformt sein und ist typischerweise von dem Gehäuse abnehmbar. Das Sensormodul enthält ein (magnetoresistives) Sensorelement, das konfiguriert ist, die Magnetfelder in einer, zwei oder drei Achsen (1D, 2D, 3D) oder eine Richtung der Magnetfelder zu messen.
Im Block 904 wird eine Welle konfiguriert, so dass sie eine Wellenaussparung aufweist, wobei ein Magnetmodul innerhalb der Wellenaussparung positioniert wird. Die Wellenaussparung kann durch Bohren oder einen anderen geeigneten Mechanismus in einer massiven oder einer ausgehöhlten Welle gebildet werden. Das Magnetmodul enthält einen Magneten, wie z. B. einen ringförmigen Magneten oder einen pillenförmigen Magneten.
Im Block 906 wird durch das Magnetmodul ein Magnetfeld erzeugt. Wenn die Welle gedreht wird, dreht sich das Magnetfeld mit der Welle. Das Magnetmodul ist im Wesentlichen von den Störungen durch die Welle abgeschirmt, wobei im Ergebnis das Magnetfeld ohne die Störungen erzeugt wird.
Das Magnetfeld wird im Block 908 durch das Sensormodul gemessen. Das Sensormodul wird durch die Welle abgeschirmt, wobei es im Ergebnis im Wesentlichen von den Störungen abgeschirmt ist. Im Ergebnis sind die Magnetfeldmessungen unter Verwendung irgendeiner Abschirmung im Allgemeinen genauer als die nicht abgeschirmten Herangehensweisen.
Die Winkelinformationen werden im Block 910 durch eine Steuereinheit basierend auf den Magnetfeldmesswerten bestimmt. Die Winkelinformationen enthalten z. B. die Drehzahl der Welle, die Winkelposition der Welle und dergleichen. Es wird erkannt, dass die Winkelinformationen alternativ durch das Sensorelement abgeleitet werden können und dass die abgeleiteten Winkelinformationen zu der ECU weitergeleitet werden.
Es wird ein Aufbau wie in 10 betrachtet, wobei im Folgenden erörtert wird, wie tief sich das Sensorelement (wie z. B. bezüglich der 1-6 erörtert worden ist) vorzugsweise innerhalb der Achse oder des Rohrs 101 befinden 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. Dies bedeutet, dass die relative Permeabilität μ_r größer als 100 ist, typischerweise zwischen 1000 und 10000 liegt, und die Koerzitivfeldstärke klein ist, typischerweise kleiner als 1 kA/m ist. Der Magnet (siehe z. B. den Magneten 206 in den 2 und 4, den Magneten 306 in den 3 und 5, den Magnetring 700 in 7 oder die Magnetpille 800 nach 8) ist hier nicht gezeigt, weil er für die folgende Regel, die angegeben wird, irrelevant ist.
Das (in 10 nicht gezeigte) Sensorelement 104 weist eine empfindliche Stelle auf, die durch ein Kreuz x auf der Drehachse z bezeichnet ist. Ungeachtet eines gegebenen Magneten sollte sich die empfindliche Stelle des Magnetfeld-Abtastelements 104 (z. B. des Sensorelements 104 jeweils nach den 1–6) vorzugsweise in einer Entfernung da innerhalb der Bohrung befinden, wobei da > 0,4·Di gilt. Unter dieser Bedingung schirmt das permeable dünnwandige Wellenende äußere Magnetfelder effektiv von dem Sensorelement 104 ab. Falls das Sensorelement 104 weiter als da = 0,4·Di eingesetzt ist, verbessert sich die Abschirmung im Allgemeinen, jedoch nur mäßig für große da. Falls das Sensorelement 104 weniger als da = 0,4·Di eingesetzt ist, ist ein signifikanter Anteil irgendeines äußeren Magnetfelds immer noch an dem Sensorort vorhanden, wobei er die (Winkel-)Sensorfunktion des Sensorelements 104 verfälschen kann.
11A zeigt eine Konfiguration, die für numerische Simulationen verwendet wird, um die obige Schätzung der Einfügung da des Sensorelements 104, die kleiner als 0,4·Di ist, in die Bohrung eines dünnwandigen Endabschnitts der drehbaren Welle 101 zu erreichen. Die in der Simulation angenommenen Parameter waren: ein Innendurchmesser Di = 22 mm der Welle und ein Außendurchmesser der Welle von 26 mm, wobei eine relative Permeabilität μ_r der Achse von 100 bis 7400 variiert wurde. Das Rohr 101 erstreckt sich entlang der z-Richtung von z = –50 mm bis +50 mm. Aufgrund von Symmetrieüberlegungen wurde in 11A nur 1/8 der Geometrie modelliert. In diesen Simulationen wurde ein Störmagnetfeld in der B_x-Richtung angelegt, wobei angenommen wurde, dass das Sensorelement 104 für die B_x-Komponente empfindlich ist.
11B veranschaulicht die Ergebnisse einer Simulation basierend auf den Parametern und dem Aufbau, die im Zusammenhang mit 11A umrissen worden sind. In 11B ist eine Größe des Verhältnisses der an dem Sensorort abgetasteten B_x-Komponente über der angelegten B_x-Komponente in einer großen Entfernung außerhalb des Rohrs graphisch dargestellt.
Als die Abszisse der graphischen Darstellung nach 11B ist ein Verhältnis der z-Position über dem Durchmesser (das Rohr endet bei z = 0,05 m) dargestellt, das für die in der Simulation verwendeten obigen Parameter gleich (–1)·da/Di ist. Der Parameter, der in der Simulation nach 11B variiert wurde, war die relative Permeabilität μ_r.
Falls sich ein Testpunkt, nämlich die potentielle Sensorposition entlang der z-Achse, ein halb eines Durchmessers innerhalb des Rohrs 101 befindet, ist die Abschirmung ziemlich gut. Tief innerhalb des Rohrs 102 ist gemäß Kaden "Wirbelströme und Schirmung in der Nachrichtentechnik", S. 82, die Abschirmung 1/(1 + μ_r· d / Di) wobei d eine Wanddicke bezeichnet. Gemäß 10 ist 2·d gleich dem Außendurchmesser D – den Innendurchmesser Di).
Aus dieser Formel kann die folgende Faustformel für den Winkelfehler abgeleitet werden, wenn sich das Magnetfeld-Abtastelement tief innerhalb der Bohrung befindet: Ein Winkelfehler [°] = ca. (57/μr)·(Di/d)·(B_d/B_m), mit dem Störmagnetfeld B_d und dem Magnetfeld des Magneten B_m. Normalerweise betragen die Störfelder bis zu 1,5 mT, beträgt das Feld des Magneten 40 mT und sollte der Winkelfehler kleiner als 0,2° sein.
Deshalb wird eine Entwurfsregel von μr·d/Di > 10 erreicht.
Die relative Permeabilität μ_r der Abschirmung mal ihre Dicke d, geteilt durch den Innendurchmesser, sollte größer als 10 sein.
Ein Beispiel:
Das Rohr 101 weist einen Innendurchmesser von 22 mm und eine Wanddicke von 2 mm auf, das Feld des Magneten beträgt 40 mT und die Störung beträgt 1,5 mT. Falls sich der Sensor 11 mm innerhalb des Rohrs mit μ_r = 800 befindet, beträgt die Abschirmung 3%, so dass die Störung innerhalb des Rohrs 0,03·1,5 mT = 0,045 mT beträgt. Dies ergibt einen Winkelfehler von 0,045/40·180/pi = 0,065°, wobei μ_r·d/Di = 800·2/22 = 73 > 10 gilt.
Falls μ_r um einen Faktor 7,3 verringert wird, würde dies eine Grenze von μ_r·d/Di = 10 ergeben und zu einem Winkelfehler von 0,065°·7,3 = 0,47° führen. Für eine bessere Abschirmung sind jeweils ein größeres μ_r und/oder eine dickere Wand des Rohrs 101 und/oder ein kleinerer Durchmesser Di der Bohrung von Vorteil.
Aus der obigen numerischen Simulation erkennt ein Durchschnittsfachmann, dass die Abschirmung für kleine μ_r kleiner als für große μ_r ist – was trivial ist. Ein Durchschnittsfachmann erkennt noch weiter, dass es für große μ_r nur umso mehr von Interesse ist, das Sensorelement 104 tief genug in die Bohrung der Welle 101 einzusetzen: Das heißt, falls das Sensorelement 104 nur 0,4·Di (was dem Abszissenwert (z – 0,05)/0,022 = –0,4 entspricht) in die Bohrung eingesetzt war, ist die Abschirmung für μr = 7400 und μr = 3200 in etwa die gleiche, falls jedoch das Sensorelement 104 um Di (was dem Abszissenwert (z – 0,05)/0,022 = –1 entspricht) eingesetzt war, schirmt die Kurve μ_r = 7400 die äußeren Felder mehr als 2,5-mal besser ab als für μ_r = 3200.
Ein weiterer zu berücksichtigender Aspekt ist eine Wirkung von Wirbelströmen und/oder der Hysterese auf einen Aufbau, wobei das Sensorelement 104 und/oder der Magnet innerhalb einer Bohrung entlang der Drehachse angeordnet sind.
Falls das magnetische Abtastelement 104 entlang der Drehachse (die die z-Achse in 10 ist) positioniert ist und der Permanentmagnet an der drehbaren Welle befestigt ist, gibt es zwei Möglichkeiten zum Abschirmen des magnetischen Abtastelements 104 von den äußeren magnetischen Störungen:

(i) die Abschirmung kann sich bezüglich des Magneten in Ruhe befinden 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 befestigt sein, so dass sich der Magnet und die Abschirmung synchron um das (Magnetfeld-)Abtastelement 104 drehen. In dem Fall (ii) kann die Abschirmung an dem Sensorelement 104 oder an einem Stator, wie z. B. einem Befestigungspunkt für die Welle, befestigt sein und sich nicht mit der Welle drehen.
Es ist bevorzugt, dass sich die Abschirmung nicht bezüglich des Magneten bewegt. Ein derartiger Aufbau verhindert, dass das starke Feld des Magneten (206 in den 2, 4, 306 in den 3, 5, 700 in 7 und 800 in 8) Wirbelströme innerhalb der Abschirmung erzeugt. Diese Wirbelströme sollten vermieden werden, weil sie ein sekundäres Magnetfeld erzeugen, das zu einem Winkelfehler in dem Winkelmesswert des Sensors 104 führt. Die Wirbelströme führen zu einem Magnetfeld, das während der Drehung der Welle hinter dem sich drehenden Magnetfeld zurückbleibt, was erst recht kritisch ist, je schneller die Drehung der Welle 101 ist.
Weiterhin gibt es eine kleine Kraft zwischen den Wirbelströmen und dem Magneten, die z. B. in der Form von Rotationsenergie, die in Wärme abgeleitet wird, stören könnte.
Ferner ist eine genaue relative Positionierung zwischen der Abschirmung und dem Magneten von Interesse, wenn eine Abschirmung verwendet wird. Angenommen, dass der Magnet und die Abschirmung nicht koaxial sind, kann dies das durch das Abtastelement 104 abgetastete Magnetfeld verzerren und zu Winkelfehlern führen. Im Allgemeinen ist es einfacher, eine genaue Position zwischen der Abschirmung und dem Magneten zu definieren, falls sie sich nicht gegeneinander bewegen. Umgekehrt ist ihre relative Positionierung weniger genau, falls sie sich gegeneinander drehen, z. B. aufgrund der Zwischenräume in den Lagern.
Schließlich kann eine magnetische Hysterese der Abschirmung zu zusätzlichen Winkelfehlern für den gemessenen Winkel führen. Falls sich die Richtung der Drehung häufig ändert: kann die Abschirmung kleine magnetische Verzerrungen zu dem durch den Magneten verursachten Magnetfeld hinzufügen. Die magnetischen Verzerrungen aufgrund der Hysterese der magnetischen Abschirmung sind typischerweise für die Drehung im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn verschieden, weil die Hysterese der Abschirmung bewirkt, dass das Gesamtfeld hinter dem Feld des Magneten zurückbleibt.
In bestimmten Fällen könnte es trotzdem bevorzugt sein, eine magnetische Abschirmung zu verwenden, die sich mit dem Sensor 104 in Ruhe befindet, wobei sich deshalb der Magnet gegen die Abschirmung dreht: Ein derartiger Aufbau ist von Interesse, falls das Trägheitsmoment der Welle 101 klein gehalten werden muss, so dass es nicht erwünscht ist, die Abschirmung an der Welle 101 anzubringen.
Weiter oben in dieser Offenbarung wurde das Abtastelement 104 als eine integrierte Schaltung beschrieben. Als eine Alternative kann das Abtastelement 104 als ein diskretes Element implementiert sein. Beide Optionen weisen ihre eigenen Vorzüge auf, wie im Folgenden ausführlicher erklärt wird.
Eine Winkelsensorschaltung, die das Abtastelement 104 implementiert, benötigt typischerweise wenigstens ein Magnetfeld-Abtastelement, um die Drehposition des Magneten basierend auf dem (sich drehenden) Magnetfeld an der Sensorposition zu detektieren. Zu diesem Zweck können Magnetwiderstände wie AMRs (anisotrope Magnetwiderstände), GMRs (riesige Magnetwiderstände), TMRs (Tunnel-Magnetwiderstände), CMRs (kolossale Magnetwiderstände), Hall-Platten, vertikale Hall-Effekt-Vorrichtungen, MAGFETs oder Magnetimpedanz-Sensorelemente verwendet werden.
In vielen Fällen benötigt die Sensorschaltung sogar zwei oder mehr derartige Sensorelemente, um das Abtastelement 104 zu implementieren, die auf verschiedene Richtungen ausgerichtet sind: Die verschiedenen Richtungen sind: im Fall von Magnetwiderständen oder Hall-Effekt-Vorrichtungen ihre Bezugsrichtungen (d. h., die Richtung des Stromflusses im Fall von AMRs, Hall-Effekt-Vorrichtungen und MAGFETs, während im Fall der GMR, TMR, CMR die Bezugsrichtung eine Richtung der gepinnten Magnetisierung ist). Die verschiedenen Richtungen müssen bedeutend verschieden sein, was um wenigstens 15° verschieden bedeutet.
In einem idealen Aufbau sind die unterschiedlichen Richtungen um 90° verschieden; mit Ausnahme der AMRs, wo sie 45° verschieden sind. Diese mehr als ein Magnetfeld-Abtastelemente sollten im Vergleich zu dem Magneten klein sein und sich dicht beieinander (dicht im Vergleich zu einer charakteristischen Abmessung des Magneten) befinden: Falls der Magnet eine Abmessung von 10 mm aufweist, sollten sich alle Magnetfeld-Abtastelemente, die verwendet werden, um den Winkel zu berechnen, wenn sie das Abtastelement 104 implementieren, innerhalb eines Bereichs von < 0,5 mm (d. h., 1/20 des Magneten) befinden. Als eine bevorzugte obere Grenze lässt sich sagen: sie sollten nicht mehr als 1/10 der Größe des Magneten getrennt sein. Die Größe des Magneten wird im Folgenden konstruiert: Die Magnetanordnung ist typischerweise durch drei räumliche Abmessungen charakterisiert. In Abhängigkeit von den Umständen können die drei räumlichen Abmessungen identisch sein, wobei in diesem Fall diese Abmessung als eine Größe des Magneten betrachtet werden kann. Falls jedoch die drei räumlichen Abmessungen des Magneten nicht identisch sind, kann für den Rest dieser Offenbarung irgendeine der drei räumlichen Abmessungen als eine Größe des Magneten repräsentierend betrachtet werden.
Für die Implementierung des Abtastelements 104 ist es irrelevant, ob nur die Magnetfeld-Abtastelemente innerhalb der Bohrung 101 angeordnet sind oder ob die Magnetfeld-Abtastelemente plus die Signalkonditionierungsschaltungsanordnung innerhalb der Bohrung 101 angeordnet sind (was in 10 am besten zu sehen ist). In dem ersten Fall kann das Abtastelement 104 unter Verwendung diskreter Umsetzer implementiert sein, im letzteren Fall kann das Abtastelement 104 unter Verwendung integrierter Sensoren implementiert sein.
Die integrierten Sensoren werden als eine integrierte Schaltung umfassend aufgefasst. Die integrierte Schaltung ist eine elektronische Schaltung, die den Sensorelementen Leistung zuführt, und die optional ihre Ausgangssignale z. B. durch Vorverstärkung und A/D-Umsetzung und Eichung gegen eine Temperaturdrift usw. konditioniert.
In Abhängigkeit von den Umständen kann es von Interesse sein, den integrierten Sensor auf einem einzigen Chip oder als eine Mehr-Chip-Lösung in einer gemeinsamen Baugruppe zu implementieren.
Die TMRs sind als diskrete Magnetfeld-Abtastvorrichtungen ideal geeignet, weil sie große Signale erzeugen, die über eine Entfernung von mehreren Zentimetern oder mehreren zehn Zentimetern zu einer Signalkonditionierungsschaltung übertragen werden können. Es ist außerdem möglich, mehrere Chips in einer einzigen elektronischen Baugruppe anzubringen und diese in die Bohrung der Welle 101 einzusetzen.
Schließlich sollte erwähnt werden, dass der integrierte Sensor, genauer ein Sensor-Chip, nicht auf die z-Achse oder auf irgendeine vorgegebene Orientierung innerhalb des Magneten oder innerhalb der Welle 101 ausgerichtet sein muss, falls der integrierte Sensor, der das Abtastelement 104 implementiert, ein 3D-Magnetfeldsensor ist. Der 3D-Magnetfeldsensor wird als ein Sensor konstruiert, der im Wesentlichen alle Komponenten des Magnetfeldvektors misst. Ein derartiger 3D-Magnetfeldsensor kann aus einer Hall-Platte, um z. B. die x-Komponente des Magnetfeldvektors zu detektieren, einer vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtung, um z. B. die y-Komponente des Magnetfeldvektors zu detektieren, plus eine vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung, um z. B. die z-Komponente des Magnetfeldvektors zu detektieren, bestehen. Ein Durchschnittsfachmann erkennt leicht andere mögliche Implementierungen eines 3D-Sensors, die hier um der Kürze willen nicht erklärt werden sollen.
Ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennt ferner, dass ein Lager, das verwendet wird, wenn das Abtastelement 104 innerhalb der Welle 210 positioniert wird, eine Wirkung auf eine Leistung des Winkelsensors 104 haben kann, wie im Folgenden kurz erörtert wird.
12 veranschaulicht eine Querschnittsansicht des Endabschnitts der Welle 210, der einen Magneten 206 umfasst. Das Lager 212 wird verwendet, um ein Gehäuse 208 anzubringen, das es wiederum unterstützt, das Sensorelement (die Sensorelemente) 104 anzubringen. Weil das Magnetfeld-Abtastelement (die Magnetfeld-Abtastelemente) 104 und der Magnet 206 innerhalb der Bohrung an dem Endabschnitt der Welle 210 angeordnet sind, gibt es ein potentielles Risiko, dass sich das Abtastelement (die Abtastelemente) 104 und/oder der Magnet 206 und das Lager 212 (z. B. ein Kugellager, aber nicht darauf eingeschränkt) der Welle 210, das sich normalerweise ebenfalls in der Nähe des Endabschnitts 210 der Welle befindet, stören.
Einerseits verringert die Bohrung die Festigkeit der Welle 210. Falls eine Wanddicke ((D – Di)/2 in 10) zu niedrig ist, kann es geschehen, dass sich der Endabschnitt der Welle 210 unter einer starken Belastung deformiert, was dazu führen kann, dass der Magnet 206 bricht oder gelockert wird und nicht länger starr an der Welle 210 befestigt ist. Falls das Lager 212 versagt, kann es sich erwärmen, wobei dieser Temperaturanstieg verursachen kann, dass der Magnet 206 schlecht funktioniert oder zerfällt oder sich vom Endabschnitt der Welle 210 löst. Das Lager 212 verwendet normalerweise irgendeine Art von Schmierfett, um die Reibung zu verringern, wobei dieses Schmierfett die Sensorbaugruppe 102 und/oder den Magneten 206 erreichen kann, wo es zu einer unerwünschten chemischen Wechselwirkung führen kann (z. B. die Festigkeit des Klebstoffs, der den Magneten 206 an der Welle 210 befestigt, verringern kann).
Ein einfaches Mittel gegen diese Probleme besteht darin, das Sensorelement 104 und den Magneten tiefer in die Bohrung zu bewegen, was ohnehin empfohlen ist, um die elektromagnetische Abschirmung zu verbessern.
12A veranschaulicht eine erste Lösung für einige der auf das Lager bezogenen Probleme, die vorher erörtert worden sind. 12A zeigt eine Querschnittsansicht eines Endabschnitts der Welle 101 parallel zu einer Drehachse, die als die z-Achse angegeben ist.
In 12A ist ein Lager 212 weiter als in 12 über eine Welle 101 gezogen, d. h., das Lager ist weiter entfernt von der Bohrung positioniert. In dem Aufbau nach 12A gibt es zwei Magneten 206, die ein Magnetfeld an einer Position des Abtastelements 104 erzeugen. Ohne Einschränkung können die Magneten 206 als ein einheitliches Element implementiert sein oder können mehr als zwei Elemente umfassen. Die Position des Abtastelements 104 in einer Entfernung da entfernt von einer Öffnung der Bohrung ist abermals durch ein Kreuz x angegeben, wie vorher im Zusammenhang mit 10 erörtert worden ist.
Für die Anordnung nach 12A sind eine Kraft und eine mechanische Beanspruchung, die durch den Magneten 206 erfahren werden und die durch das Lager 212 verursacht werden, minimiert. Mit anderen Worten, eine Wechselwirkung zwischen dem Lager 212 und dem Magneten 206 ist im Vergleich zu dem Aufbau, wie er in 12 erörtert worden ist, verringert. Eine thermische Kopplung zwischen dem Lager 212 und dem (den) Magneten ist in dem Aufbau nach 12A im Vergleich zu dem Aufbau nach 12 minimiert. Die Welle 101 kann eine kleine Schulter 103 (z. B. 1/10 mm in der radialen Richtung) aufweisen, die vermeidet, dass der dünnwandige Abschnitt der Welle beschädigt wird, wenn das Lager 212 über die Welle 101 gezogen wird.
12B veranschaulicht eine Situation, nachdem eine Muffe 214a an dem dünnwandigen Endabschnitt der Welle 101 angebracht worden ist, wie in 12A veranschaulicht ist. Um der Kürze willen sind gleiche Elemente unter Verwendung gleicher Bezugszeichen veranschaulicht. Die Implementierung nach 12B verbessert aufgrund einer insgesamt vergrößerten Wanddicke an dem Endabschnitt der Welle 101 die Abschirmung gegenüber der Anordnung nach 12A:
Es wird angegeben, dass eine geringe Exzentrizität der äußeren Muffe 214a (z. B. aufgrund der Befestigungstoleranzen – die in 12B nicht gezeigt sind) am wahrscheinlichsten einen Winkelfehler des Winkelsensors, nämlich des Abtastelements (der Abtastelemente) 104, nicht vergrößert. Dies ist so, weil die durch den verdünnten Wandabschnitt der Dicke d gebildete innere Abschirmung vorherrschend ist. Das heißt, die innere Abschirmung schirmt den Magneten von der äußeren Muffe 214a ab, so dass irgendeine Wechselwirkung zwischen dem Magneten 206 und der Muffe 214a durch die innere Abschirmung im hohen Maße verringert wird. Es soll jedoch angegeben werden, dass die äußere Muffe 214a den Abschirmungswirkungsgrad hinsichtlich externer magnetischer Störungen erhöht.
Vorzugsweise sollte d2 > d gelten, d. h., die äußere Muffe 214a sollte eine größere Dicke d2 als der dünnwandige Endabschnitt der Welle 101 aufweisen. Selbst wenn d2 > d nicht gilt, verbessert jedoch die äußere Muffe 214a die Abschirmung, jedoch mit einem geringeren Wirkungsgrad.
Noch bevorzugter sollte da2 > da gelten, d. h., die äußere Muffe 214a ist in der axialen Richtung länger als der Abstand da, um den das (die) Magnetfeld-Abtastelement(e) 104 in die Bohrung eingesetzt ist (sind). Selbst wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, verbessert jedoch die äußere Muffe 214a die Abschirmung, jedoch mit einem geringeren Wirkungsgrad.
Die Muffe 214a ist vorzugsweise ein weiches (magnetisches) Material mit einer großen relativen Permeabilität μ_r > 10, vorzugsweise μ_r > 100, noch bevorzugter μ_r > 1000 und abermals noch bevorzugter μ_r > 10000. Es soll angegeben werden, dass die Muffe 214a aus einem anderen Material als die Welle 101 hergestellt sein kann. Für die Muffe 214a und die Welle 101, die aus verschiedenen Materialien hergestellt sind, ist es aus den folgenden Gründen bevorzugt, dass die Muffe 214a eine größere μ_r als die Welle 101 aufweist: Der (Permanent-)Magnet 216 weist eine starke Magnetisierung auf. Wenn sich der Magnet 206 nah bei dem dünnwandigen Wellenendabschnitt mit der Wanddicke d befindet; magnetisiert der Magnet 206 außerdem den dünnwandigen Endabschnitt der Welle 101. Diese Magnetisierung des dünnwandigen Wellenendabschnitts verschlechtert dessen Abschirmungskapazität: der dünnwandige Wellenendabschnitt gelangt näher zur Sättigung, wobei dadurch seine effektive Permeabilität für kleine überlagerte externe Magnetfelder verringert wird.
Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist die Sättigung so zu verstehen, dass im Wesentlichen alle magnetischen Momente innerhalb eines Materials auf das (starke) Netto-Magnetfeld ausgerichtet sind, so dass sie nicht weiter auf zusätzliche überlagerte kleine Magnetfelder reagieren können.
Als einer Folge kann der dünnwandige Endabschnitt der Welle 101 nicht länger gegen die überlagerten kleinen Magnetfelder abschirmen. Die Nettowirkung ist, dass diese Teile der Welle 101, die einem großen Magnetfeld ausgesetzt sind, für die Abschirmung weniger effizient sind – sie wirken, als ob die Wand des dünnwandigen Endabschnitts in einem magnetischen Sinn noch dünner geworden ist. Je größer die relative Permeabilität μ_r eines Materials ist, desto kleiner sind die Magnetfelder, um das Material zu sättigen.
12C veranschaulicht diese Beziehung. 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]), wobei B_rem die Remanenz des Materials ist, die erhalten wird, falls alle inneren 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, dies bedeutet jedoch außerdem, dass das Material bei kleineren Magnetfeldern H₁ < H₂ als für ein Material mit einem kleineren Anstieg in der Nähe des Ursprungs H = 0 gesättigt ist, wie zum Vergleich durch die gestrichelte Linie in 12C angegeben ist.
Es ist ferner vorstellbar, dass die Muffe 214a (siehe 12B) der einzige Teil ist, der in dem Aufbau nach 12B die magnetostatischen Felder abschirmt. Eine derartige Situation kann z. B. auftreten, falls die Welle 101 aus einem nichtmagnetischen Material wie Aluminium oder Messing oder Kohlefaser hergestellt ist, während die Muffe 214a aus einem weichmagnetischen Material hergestellt ist. Unter derartigen Bedingungen schirmt die Muffe 214a das (die) Magnetfeld-Abtastelement(e) 104 von der externen magnetischen Störung ab.
Die Abschirmung 214a minimiert außerdem die unerwünschte Wechselwirkung zwischen dem Lager 212 und dem Magneten 206. Es wird erkannt, dass das Lager 212 bewegliche Teile (z. B. die Kugeln) aufweist, die magnetisch sein können und deshalb aufgrund des Magnetfeldes des Magneten 206 magnetisiert sein können. Als eine Folge kann das magnetisierte Lager 202 ein schlecht definiertes Magnetfeld erzeugen, das dem Feld des Magneten 206 an dem Ort des Magnetfeld-Abtastelements (der Magnetfeld-Abtastelemente) 104 überlagert ist, wie durch ein Kreuz x angegeben ist, das eine Länge da nach innen in der Bohrung liegt. Das magnetisierte Lager 202 ruft deshalb zusätzliche Fehler in dem Messwert der Drehposition der Welle 101 hervor.
Es wird erkannt, dass der Magnet 206 nach 12B eine Zylinderform aufweist, während der Magnet nach 12A zwei einzelne Magneten 206 umfasst. In beiden Fällen ist die Bohrung innerhalb des Endabschnitts der Welle durch ein Bolzenloch abgeschlossen. Ohne Einschränkung sind weitere Optionen vorstellbar, wobei sie die vorliegende Offenbarung nicht einschränken.
12D zeigt eine weitere Anordnung, die zu der ähnlich ist, die bezüglich der 12A und B erörtert worden ist. Um der Kürze willen sind den gleichen Entitäten in 12D die gleichen Bezugszeichen wie jene in den 12A oder 12B gegeben. Die Anordnung eines Sensors, der in eine Bohrung eines dünnwandigen Endabschnitts einer Welle 101 nach 12D eingesetzt ist, umfasst insbesondere eine Muffe 214b, die von der Muffe 214a nach 12B verschieden ist. Die Muffe nach 12D zeigt eine Lücke in der radialen Richtung mit einer Breite gr. Die Lücke kann zweckmäßig nur mit Luft oder einem Kunststoff oder einem anderen nichtmagnetischen Material gefüllt sein. Die Lücke gr unterstützt das Erhöhen des Abschirmungswirkungsgrads der Muffe 214b. Es ist von Vorteil, eine Stärke des Magneten 206 auf die Breite der radialen Lücke gr einzustellen, so dass das Magnetfeld des Magneten 206 die Muffe 214b nicht übermäßig sättigt. Ein derartiger Aufbau vergrößert den Abschirmungswirkungsgrad der Muffe 214b weiter.
12E veranschaulicht eine weitere Variante der Muffe 214c. Die Anordnung nach 12E ist zu der nach den 12D und 12B ähnlich, wobei um der Kürze willen gleiche Elemente unter Verwendung gleicher Bezugszeichen angegeben sind. Während sich in 12D die radiale Lücke gr der Muffe 214b über die volle Länge der Muffe 214b in der axialen Richtung erstreckt, erstreckt sich die radiale Lücke gr der Muffe 214c nach 12E nur teilweise entlang einer Länge des dünnwandigen Endabschnitts der Welle 101. Vorzugsweise kann sich die Lücke gr wenigstens über eine Länge der Abtastelemente (die durch ein x entlang der Drehachse, das einen Abstand da von der Öffnung der Bohrung entfernt ist, angegeben ist) erstrecken. In dieser Weise schirmt die Muffe 214 wenigstens die Abtastelemente von irgendwelchen externen magnetischen Störungen effektiv ab. Bezüglich der Muffe 124b nach 12D kann eine Stärke des Magneten 206 auf eine Breite der radialen Lücke gr eingestellt werden, um die Muffe 214c nicht übermäßig zu sättigen.
Wenn eine Anordnung aus einem Abtastelement(en) (das in den 10, 12A, 12B, 12D und 12E durch ein x angegeben ist) innerhalb eines dünnwandigen Endabschnitts einer Welle 101 entworfen wird, können die jeweiligen Abmessungen der einzelnen Elemente berücksichtigt werden, um die Gesamtleistung der Anordnung zu optimieren.
Im Allgemeinen sollte ein Innendurchmesser Di der Bohrung 101 so klein wie möglich sein, weil dies erstens zu kleineren Magneten mit größeren Magnetfeldern an einer Position des Magnetfeld-Abtastelements (der Magnetfeld-Abtastelemente) für eine gegebene Magnetmasse (oder äquivalent: einem Verhältnis des erreichbaren Magnetfeldes gegenüber den Kosten des Magnetmaterials) führt. Zweitens werden die externen Magnetfelder durch den dünnwandigen Endabschnitt der Welle 101 und/oder eine Muffe 214a, 214b, 214c umso effizienter abgeschirmt, je kleiner der innere Bohrungsdurchmesser Di ist.
Falls eine Standard-SMD-Sensorbaugruppe für das (die) Abtastelement(e) 106 verwendet wird (was in 12 am besten zu sehen ist, wo die SMD-Sensorbaugruppe 104 senkrecht zur Drehachse orientiert ist), weist die SMD-Sensorbaugruppe seitliche Abmessungen von etwa 5 mm × 6 mm auf. Falls die Baugruppe auf eine kleine Leiterplatte (PCB) gelötet ist und beide innerhalb der Welle angeordnet sind, beansprucht dies einen minimalen inneren Bohrungsdurchmesser des Magneten 206 von etwa 12 mm. Dann muss der Bohrungsdurchmesser Di der Welle wenigstens 16 mm betragen, wobei der Außendurchmesser der Welle wenigstens 18–20 mm betragen sollte.
Für Sensorbaugruppen mit Anschlüssen ist die Situation etwas anders, wie aus 13 entnommen werden kann: 13 veranschaulicht eine Querschnittsansicht durch die Welle 101 innerhalb des dünnwandigen Endabschnitts nah bei einer Position der Abtastelemente 106 innerhalb der Bohrung der Welle 101.
Überall im Rest dieser Offenbarung sollen Sensorbaugruppen mit Anschlüssen als eine Sensorbaugruppe verstanden werden, bei der wenigstens ein Halbleiterchip, der in 13 als ein Chip angegeben ist, innerhalb der Baugruppe angebracht ist und durch irgendeine Schutzabdeckung, wie z. B. eine in der Technik bekannte Gussverbindung mc, abgedeckt ist. Für den Sensor mit Anschlüssen ragen ferner wenigstens zwei Sensorleitungen aus der Schutzabdeckung mc heraus, wobei sich die Sensorleitungen mit dem Chip in Kontakt befinden, um dem Chip elektrische Energie zuführen zu können und um ein Ausgangssignal des Chips erhalten zu können. Es ist zweckmäßig, dass die Leitungen zu einer Seite der Baugruppe geführt sind (die das offene Ende der Wellenseite – links in 13 – ist).
Es wird angegeben, dass die Leitungen an mehreren Flächen am Umfang der Schutzabdeckung in die Schutzabdeckung mc eintreten könnten – es ist jedoch nützlich, dass sich die Leitungen zu einer Seite, nämlich zum offenen Ende der Welle 101, biegen. Selbstverständlich ist es der bevorzugte Fall, dass alle Leitungen an einer Fläche der Baugruppe herausragen. Es ist außerdem notwendig, dass der Chip (die Chips) an einem Leitungsrahmen angebracht ist/sind, wie in 13 veranschaulicht ist. Der Leitungsrahmen kann ein Die-Paddel, an das der Chip geklebt oder an dem der Chip angebracht ist, und die Leitungen umfassen. Es wird erkannt, dass die Leitungen erforderlich sind, um die Abtastelemente mit Energie zu versorgen und um eine Ausgabe des Sensors zu erhalten. Alternativ können anstelle des Leitungsrahmens einfache Drähte verwendet werden. Es wird vielmehr erkannt, dass der Leitungsrahmen für alle Abtastelemente, die überall in dieser Offenbarung erörtert sind, optional ist.
Weiterhin kann mit dem Chip in verschiedenen Weisen der Kontakt hergestellt sein: z. B. durch Bonddrähte (bw), wie in 13 gezeigt ist, oder durch eine Flip-Chip-Anordnung an einem Leitungsrahmen oder andere Mittel zum Herstellen von Kontakten, die in der Technik bekannt sind, die für die vorliegende Offenbarung nicht wesentlich sind und die deshalb nicht ausführlich erörtert werden sollen.
Eine untere Grenze von Di ist durch die Baugruppe für das (die) Magnetfeld-Abtastelement(e) plus den notwendigen Zwischenraum zwischen dieser Baugruppe und der inneren Bohrung des Magneten 206 gegeben. Die kleinste mögliche Halbleiterchip-Größe in einer diametralen Richtung beträgt etwa 1 mm. Dies ergibt eine Baugruppengröße von 2,5 mm in der diametralen Richtung. Folglich beträgt der minimale Bohrungsdurchmesser für den Magneten 3 mm und folglich beträgt der minimale Bohrungsdurchmesser Di des dünnwandigen Endabschnitts der Welle 5 mm. Um die mechanische Stabilität der Welle aufrechtzuerhalten, beträgt ein minimaler Außendurchmesser der Welle 6 mm.
Es wird angegeben, dass in 13 die Magnetfeld-Abtastelemente 106 vorzugsweise eine Orientierung des Magnetfeldvektors detektieren, die auf eine Ebene projiziert ist, die zu der z-Achse senkrecht ist. Der Chip ist typischerweise parallel zur z-Achse angeordnet. Folglich kann die Projektion des Magnetfeldvektors auf eine Ebene, die zur z-Achse senkrecht ist, in eine x- und eine y-Komponente zerlegt werden, wobei sich die y-Komponente in der Ebene des Chips befindet und die x-Komponente zum Chip senkrecht ist.
Nun wird entschieden, ein kartesisches Koordinatensystem mit den (x, y, z)-Achsen zu verwenden. Folglich müssen die Magnetfeld-Abtastelemente 106 imstande sein, den Winkel zwischen der x- und der y-Komponente des durch den Magneten 206 erzeugten Magnetfelds zu detektieren. Dies ist ein Winkel außerhalb der Ebene gemäß tan(Winkel) = Bx/By (weil x zur Chip-Ebene senkrecht ist). Übliche magnetoresistive Elemente detektieren nur die Winkel innerhalb der Ebene (d. h., die Winkel zwischen der y- und der z-Komponente der Magnetfelder gemäß tan(Winkel) = By/Bz). Die Winkel außerhalb der Ebene können durch eine Kombination aus wenigstens einer Hall-Platte und einer vertikalen Hall-Effekt-Vorrichtung detektiert werden.
Es wird ferner erkannt, dass eine Anordnung der Abtastelemente 106 in der Bohrung bezüglich des Magneten 206 so symmetrisch wie möglich sein sollte. Aus dem gleichen Grund ist es von Interesse, den Magneten 206 so symmetrisch wie möglich innerhalb der Bohrung anzuordnen.
14A veranschaulicht eine Querschnittsansicht des dünnwandigen Endabschnitts der Welle 101 mit einem zylinderförmigen Magneten 206. Es sollte angegeben werden, dass 14A wie die anderen Zeichnungen, auf die hier verwiesen wird, nicht maßstabsgerecht gezeichnet sein kann. Eine Position der Abtastelemente 106 ist durch ein Kreuz entlang der z-Achse angegeben. Tatsächlich ist die Position des Abtastelements als der Ursprung in dem Aufbau nach 14A gewählt. Der Magnet 206 kann symmetrisch in der z-Richtung um die Sensorposition x angeordnet sein. Für eine derartige Anordnung ist die Länge S1 zu S2 identisch. Falls ferner eine Öffnung des Magneten 206 mit der z-Achse konzentrisch ist, ist ein Abstand S5 zu einem Abstand S6 identisch, wie in 14A angegeben ist. Sollte jedoch die Öffnung des Magneten nicht mit einem Außendurchmesser des Magneten 206 konzentrisch sein, kann der Abstand S7 nicht zum Abstand S8 nach 14A identisch sein. Es wird ferner erkannt, dass S5 nicht zu S6 identisch sein kann, falls die innere Bohrung des Magneten 206 und/oder ein Umfang des Magneten 206 in der Form elliptisch oder nicht kreisförmig sein kann.
Vorzugsweise sollten so viele der oben erwähnten Gleichungen wie möglich im Wesentlichen gelten, nämlich S1 = S2, S3 = S4, S5 = S6 und S7 = S8. Die Motivation, so viele der obigen Gleichungen wie möglich zu erfüllen, ist die Tatsache, dass das höchstmögliche Niveau der Feldhomogenität des Magnetfeldes erreicht werden kann. Dies ist eine andere Weise, um auszusagen, dass eine maximale Anzahl der räumlichen Ableitungen des Magnetfeldes an der Sensorposition x verschwindet, falls die obigen Gleichungen erfüllt sind. Als eine Folge des Verschwindens der Ableitungen des Magnetfeldes besitzen die (Zusammenbau-)Toleranzen in der Richtung der verschwindenden Ableitung des Magnetfeldes keine Auswirkung auf eine Winkelmessung des Abtastelements 106. Ein Durchschnittsfachmann erkennt, dass die obigen Symmetrieüberlegungen unter der Annahme einer im Wesentlichen homogenen Magnetisierung des Magneten 206 ausgeführt werden.
Die 14B–14D veranschaulichen Varianten des dünnwandigen Endabschnitts der Welle 101 mit dem Magneten 206 und einer Länge der Bohrung S3 + S4, die um die Sensorposition x zentriert ist. Um der Kürze willen sind gleiche Elemente unter Verwendung gleicher Bezugszeichen bezeichnet.
In 14B endet die Bohrung in einer kegelförmigen Spitze, während sich die Bohrung nach 14C von einem Innendurchmesser Di bis zu einem minimalen Durchmesser Dm verjüngt, während sich stattdessen die Bohrung nach 14D von dem Innendurchmesser Di ändert, was eine Schulter bis zu dem minimalen Durchmesser Dm hervorbringt. Ein Durchschnittsfachmann erkennt die Weisen zum Erreichen der verschiedenen Formen der Beendigung der Bohrung an einem Ende, das von der Öffnung abgewandt ist (das in den Figuren auf der rechten Seite dargestellt ist).
Es wird angegeben, dass bisher sowohl die dünnwandige Bohrung der Welle 101, der Magnet 206 als auch die Bohrung des Magneten als kreisförmig betrachtet worden sind, wenn sie entlang der z-Achse betrachtet werden. Für diese Elemente ist eine sehr große Anzahl von Formen möglich, wobei nur einer Auswahl davon im Folgenden im Zusammenhang mit den 15A–15I erörtert wird. Diese Figuren veranschaulichen jeweils Querschnittsansichten in die Bohrung an dem dünnwandigen Endabschnitt einer Welle in einer zur Drehachse z senkrechten Ebene.
15A zeigt einen Querschnitt einer Welle 101 mit einem kreisförmigen äußeren Umfang, einer kreisförmigen Bohrung und eines Magneten 206 sowohl mit einem kreisförmigen äußeren Umfang als auch mit einer kreisförmigen Bohrung, wobei alle kreisförmigen Bohrungen und/oder Umfänge zu der Drehachse z konzentrisch sind.
In 15B ist ein äußerer Umfang der Welle 101 zylinderförmig, während eine Bohrung der Welle 101 elliptisch ist, wobei der äußere Umfang des Magneten in die elliptische Bohrung passt. Ferner ist eine Bohrung des Magneten außerdem elliptisch, wobei jedoch die lange und die kurze Achse der Wellenbohrung nicht mit der langen und der kurzen Achse der elliptischen Bohrung des Magneten 206 übereinstimmen können. In dem Aufbau nach 15B verläuft die lange Achse des Außendurchmessers des Magneten entlang der x-Richtung, wohingegen die lange Achse der Magnetbohrung entlang der y-Richtung verläuft. Alternativ können beide lange Achsen außerdem parallel sein oder sich bei irgendeinem anderen Winkel zwischen ihnen befinden.
15C zeigt eine zylinderförmige Welle 101, während eine Bohrung in dem dünnwandigen Endabschnitt der Welle eine quadratische oder rechteckige Form aufweist. Der äußere Umfang des Magneten 206 entspricht tatsächlich der Form der Bohrung der Welle 101. Die Bohrung des Magneten 206 weist eine kreisförmige Form auf. Abermals sind alle Formen um die Drehachse z zentriert, was jedoch die vorliegende Offenbarung nicht einschränkt.
15D ist zu 15C ähnlich, wobei jedoch die Bohrung des Magneten 206 anstatt kreisförmig rechteckig oder quadratisch geformt ist. Der äußere Umfang des Magneten 206 entspricht der rechteckigen Form der Bohrung der Welle 101.
15E ist zu 15C oder 15D ähnlich. In 15E weist die Bohrung des Magneten 206 jedoch eine sechseckige Form auf. Abermals entspricht der äußere Umfang des Magneten 206 der rechteckigen Form der Bohrung der Welle 101.
In 15F weist eine Bohrung der Welle 101 einen fünfeckigen Umfang auf, während eine Bohrung des Magneten 206 eine sechseckige Form aufweist. Wie vorher entspricht ein innerer Umfang der Bohrung innerhalb der Welle 101 einem äußeren Umfang des Magneten 206.
In den 15G–15H weist eine Bohrung der Welle 101 eine andere Geometrie als ein äußerer Umfang des Magneten 206 auf. In 15G ist ein innerer Umfang des dünnwandigen Endabschnitts der Welle 101 kreisförmig, während ein äußerer Umfang des Magneten 206 eine fünfeckige Form aufweist. Ein derartiger Aufbau lässt etwas Zwischenraum zwischen dem inneren Umfang der Bohrung der Welle und dem äußeren Umfang des Magneten 206. Der Magnet 206 nach 15G umfasst eine sechseckige Bohrung.
In 15H ist ein äußerer Umfang der Welle 101 nicht kreisförmig, sondern sechseckig, während ein Umfang der Bohrung des dünnwandigen Endabschnitts der Welle 101 eine kreisförmige Form aufweist. Ein äußerer Umfang des Magneten weist eine fünfeckige Form auf. Bezüglich 15H weist eine Bohrung des Magneten eine sechseckige Form auf.
In beiden Fällen nach den 15G und 15H ist eine Lücke zwischen dem jeweiligen Magneten 206 und der Bohrung der Welle vorhanden, wobei diese Lücke jedoch eine variierende Breite aufweist. Es wird erkannt, dass der Magnet 206 in die Bohrung der Welle 101 geklebt oder durch irgendwelche geeigneten Mittel mechanisch innerhalb der Bohrung befestigt sein kann.
In 51 gibt es eine Lücke mit konstanter Breite zwischen dem. Magneten 206 und der Bohrung der Welle 101. Die Lücke kann mit Luft oder mit einem Kunststoff oder einem anderen Material, das im Prinzip nichtmagnetisch ist, oder irgendeinem Klebstoff, um den jeweiligen Magneten 206 innerhalb der Bohrung der Welle 101 zu befestigen, gefüllt sein.
Ohne Einschränkung kann ein Magnet 206, wie hier erörtert ist, in 2, 3, 4, ..., N Segmente zerlegt sein, die in einem Muster angeordnet sind, das eine Symmetrie aufweist, so dass, wenn es um einen Winkel von 360°/N um die Drehachse z gedreht wird, zu der ursprünglichen Form identisch ist, was außerdem als eine N-fache Symmetrie bezeichnet werden kann. Ein Magnet 206 mit N-facher Symmetrie ist für den Fall N = 4, der die Magnetsegmente 206a, 206b, 206c, 206d umfasst, in 16 im Querschnitt gezeigt. Ein derartiger segmentierter Magnet 206 kann z. B. durch einen Spritzgussprozess hergestellt werden, wie in der Technik bekannt ist.
Ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennt, dass, um eine Drehposition der Welle 101 basierend auf (sich drehenden) Magnetfeldern an der Sensorposition zu bestimmen, es von Interesse ist, eine wohldefinierte Position des Magneten 206 innerhalb der Bohrung der Welle 101 sicherzustellen, insbesondere hinsichtlich einer Azimutrichtung, die die Richtung der Drehung der Welle 101 ist. Zu diesem Zweck ist es zweckmäßig, eine oder mehrere Nuten 205a, 205b und 205c im äußeren Umfang des Magneten 206 bereitzustellen. Die Nuten können mit Klebstoff gefüllt sein, der verwendet wird, um den Magneten in die Bohrung der Welle zu kleben. Die Nuten 205a, 205b, 205c können außerdem den Zweck aufweisen, die thermomechanische Beanspruchung des Magneten 206 innerhalb der Bohrung der Welle 101 aufzunehmen, um die mechanische Spannung an dem Magneten 206 zu verringern. Dies unterstützt es, das Brechen des Magneten 206 zu vermeiden. Während die Nuten 205a, 205b, 205c in 17 als die Nuten des Magneten 206 veranschaulicht sind, können die Nuten alternativ oder zusätzlich im inneren Umfang der Bohrung bereitgestellt sein (was in 17 nicht gezeigt ist).
18 veranschaulicht eine weitere Option zum Sicherstellen einer definierten Azimutposition des Magneten 206 innerhalb der Welle 101. Als eine weitere Option ist es außerdem möglich, bestimmte eindeutige Asymmetrien in den Magneten und die Welle einzuführen, die als die Schlüssel 207 dienen, um eine Azimutposition des Magneten 206 bezüglich der Welle 101 zu definieren. 18 gibt abermals ein nicht einschränkendes Beispiel derartiger absichtlicher Asymmetrien an. Gleichermaßen könnte der Magnet eine Kegelstumpfform in Kombination mit einer passenden Form der Bohrung innerhalb der Welle 101 aufweisen.
19A veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Magneten 206 innerhalb der Welle 101, die einen Außendurchmesser D aufweist. Während eine Bohrung in einer axialen 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 (was nicht gezeigt ist).
19B veranschaulicht eine weitere Variante eines Magneten 206 innerhalb der Welle 101 mit dem Außendurchmesser D. Für die beispielhafte Ausführungsform nach 19B verjüngt sich der Innendurchmesser der Bohrung von 2·S4 bis zu 2·S6. Entsprechend entspricht ein Außendurchmesser des Magneten 206 innerhalb der Bohrung dem Innendurchmesser der Bohrung entlang der axialen Ausdehnung des Magneten 206. Es wird angegeben, dass die kegelförmige Form des Außendurchmessers des Magneten 206 und der Innendurchmesser der Bohrung gewählt sein können, um den Magneten 206 innerhalb der Bohrung an einer vorgesehenen axialen Position, etwa um die empfindliche Stelle einer Sensoranordnung, die durch das Kreuz in 19B angegeben ist, zentriert, anzuordnen. Anders als in der in 19A veranschaulichten Ausführungsform können für die Ausführungsform nach 19B keine weiteren Maßnahmen erforderlich sein, um den Magneten innerhalb der Bohrung an der vorgesehenen Position entlang der axialen Richtung z anzuordnen. Anders als in der Ausführungsform nach 19A kann es ausreichend sein, den Magneten 206 in die Bohrung zu schieben, bis der Magnet seine Bewegung entlang der axialen Richtung z stoppt, wenn er die vorgesehene axiale Position erreicht, an der eine Außenfläche des Magneten 206 mit einer Innenfläche der Bohrung zusammenpasst, wie in 19B angegeben ist.
20 veranschaulicht eine weitere Implementierung eines Magneten 206 innerhalb einer Bohrung einer Welle 101. Der Innendurchmesser der Bohrung umfasst jedoch eine Stufe oder eine Schulter, die den Innendurchmesser der Bohrung von 2·S4 zu 2·S6 mit S6 < S4 ändert. Offensichtlich stellt die Schulter ein Widerlager zum Begrenzen der axialen Beweglichkeit des Magneten 206 in der z-Richtung bereit.
Es wird erkannt, dass irgendwelche Sensor- und/oder Magnetanordnungen innerhalb einer Bohrung einer Welle, die hier erörtert sind, hinsichtlich des Messens einer Winkelposition einer drehbaren Welle oder einer Antriebswelle einer Kraftmaschine von besonderem Interesse sind. Beispiele, die spontan in den Sinn kommen, sind eine Antriebswelle einer Brennkraftmaschine, eine Getriebewelle irgendeines Antriebsstrang-/Triebstrangsystems oder eine Antriebswelle eines Elektromotors, wie er in einem Elektrofahrzeug verwendet wird, als nicht einschränkende Beispiele. Es wird erkannt, dass die drehbare Welle 101, die in dieser Offenbarung betrachtet wird, konfiguriert ist, ein Drehmoment bis zu einigen hundert oder sogar tausend Newtonmetern Nm zu übertragen. Deshalb muss die Welle 101, wie sie innerhalb dieser Offenbarung betrachtet wird, eine ausreichende Drehsteifigkeit aufweisen, um derartige hohe Drehmomente zuverlässig zuzuführen.
Ein Durchschnittsfachmann erkennt ferner, dass es beträchtliche räumliche Einschränkungen innerhalb eines Kraftmaschinenraums etwa eines Elektrofahrzeugs geben kann. Für die Steuerung des Elektromotors eines derartigen Fahrzeugs muss eine Winkelposition der Antriebswelle mit hoher Genauigkeit bekannt sein. Gemäß dem Stand der Technik wurde diese Aufgabe unter Verwendung eines Drehmelders gelöst, d. h., einer mechanischen Erweiterung der Antriebswelle, die die Winkelposition der Welle angeben würde. Offensichtlich erfordert ein derartiger Drehmelder als einen Kompromiss zusätzlichen Raum im Kraftmaschinenraum.
Ferner hängt die Genauigkeit einer Winkelposition, die durch den Drehmelder angegeben wird, von einer genauen Anbringung des Drehmelders ab, der die Antriebswelle 101 verlängert. Irgendeine Abweichung oder Toleranz in der Position des Drehmelders bezüglich der Antriebswelle verschlechtert eine Genauigkeit der Winkelposition der Antriebswelle, die durch das Drehmelderelement angegeben wird. Die Vorteile eines Endabschnitts der Welle, der eine Bohrung in der axialen Richtung der Antriebswelle aufweist, und der Bohrung, die das Winkelabtastelement enthält, gegenüber einer Drehmelderlösung, die in der Technik bekannt ist, überwiegen außerdem für Brennkraftmaschinen, etwa z. B. in einem Kraftfahrzeug, das durch eine derartige Brennkraftmaschine angetrieben ist.
Ein Durchschnittsfachmann erkennt leicht, dass es für die Antriebswellen 101, die eine Bewegung mit hohem Drehmoment zuführen, typischerweise beträchtliche Zusammenbautoleranzen für einen Drehmelder gibt. Diese Toleranzen können durch eine statische oder dynamische Deformation der Welle, die Positionierungstoleranzen der beteiligten mechanischen Teile oder ebenso des Drehmelderelements verursacht werden.
Die statische Deformation der Antriebswelle 101 kann auf irgendeine Verschlechterung der Welle oder die Gegenstände, die die Antriebswelle selbst treffen, zurückzuführen sein.
Die dynamische Deformation der Antriebswelle kann durch ein Ungleichgewicht der Antriebswelle, etwa aufgrund einer Deformation, die aufgrund einer derartigen Deformation ein zusätzliches Trägheitsmoment verursacht, verursacht sein. Offensichtlich werden eine derartige statische und/oder dynamische Deformation auf das Drehmelderelement projiziert, wobei sie die erreichbare Genauigkeit der durch das Drehmelderelement angegebenen Winkelposition verschlechtern.
Die statische Deformation eines Drehmelderelements kann gleichermaßen durch einen Gegenstand verursacht werden, der den Drehmelder trifft und ihn deformiert. Eine derartige Deformation kann potentiell verursachen, dass der Drehmelder bezüglich der Achse der Antriebswelle versetzt ist, um nur ein Beispiel anzugeben. Eine derartige Deformation kann ferner ein Ungleichgewicht des Drehmelders verursachen, was zu einem zusätzlichen Trägheitsmoment während der Drehung des Drehmelders mit der Antriebswelle 101 führt, was tatsächlich eine weitere Verschlechterung des Drehmelders und/oder der Antriebswelle 101 unterstützen kann.
Ein Durchschnittsfachmann erkennt, das Hochleistungs-Wälzlager in Kombination mit einer Antriebswelle, die eine Bewegung mit hohem Drehmoment überträgt, von Interesse sein können. Derartige Wälzlager erfordern ein beträchtliches Spiel des Lagers, als es typischerweise für die Präzisionslager der Fall sein würde, wie sie für die Übertragung einer Bewegung mit niedrigen Drehmoment in dem Bereich von einigen Newtonmetern oder sogar unter einem Newtonmeter verwendet werden. Das Spiel des Lagers in Hochleistungslagern vergrößert typischerweise das Spiel in der radialen und axialen Richtung im Vergleich zu den Präzisionslagern, wie sie für die Übertragung einer Bewegung mit niedrigen Drehmoment verwendet werden.
Es wird deshalb für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, warum es von Interesse ist, ein Lager 202, 212 für die Antriebswelle 101 bereitzustellen, wenn die Winkelabtastlösung für eine Antriebswelle, die eine Drehung mit hohem Drehmoment zuführt, wie hier offenbart ist und wie bereits hinsichtlich der 2–5, 12–12B, 12D und 12E beschrieben worden ist, verwendet wird.
Ein Durchschnittsfachmann erkennt ferner, dass es zweckmäßig ist, eine massive oder eine große Masse besitzende Welle für die Bewegung mit hohem Drehmoment, die durch die Antriebswelle 101 gemäß der vorliegenden Offenbarung zugeführt wird, zu verwenden. Bei einer hohlen Welle kann es sich als schwierig erweisen, die Bewegung mit hohem Drehmoment zuverlässig zuzuführen, da eine hohle Welle die für eine derartige Zuführung erforderliche Drehsteifigkeit nicht bereitstellen kann. Die vorliegende Offenbarung erreicht eine Winkelmessung mit höherer Genauigkeit durch das Anordnen des Winkelabtastelements innerhalb einer axialen Bohrung innerhalb eines Endabschnitts der Antriebswelle 101. Als ein Kompromiss kann die mechanische Stabilität, insbesondere die Drehsteifigkeit dieses ausgehöhlten Endabschnitts verringert sein. Es kann deshalb von Interesse sein, einen Abschnitt der Antriebswelle bereitzustellen, der eine große Masse besitzt und der durch ein Lager gestützt ist, wie in den Ausführungsformen gesehen werden kann, die in den 12A, B, D und 12E erörtert sind. Für eine derartige Anordnung muss sich das Lager aufgrund der axialen Bohrung innerhalb des Endabschnitts der Welle 101 nicht in einem Abschnitt mit verringerter Drehsteifigkeit mit der Antriebswelle in Eingriff befinden.
Es ist ein Vorteil einer Anordnung des (Winkel-)Abtastelements 106 ”in der Welle”, die hier offenbart ist, die zusätzlichen mechanischen Toleranzen zu verringern, die durch die statischen oder dynamischen Deformationen verursacht werden, die oben hinsichtlich der Verwendung eines Drehmelders erörtert worden sind.
Es kann von Interesse sein, das Abtastelement 106 von den rauen Umgebungen innerhalb des Kraftmaschinenraums von Fahrzeugen abzudichten. Derartige raue Umgebungen können z. B. aufgrund aggressiver Flüssigkeiten verursacht werden, die das Abtastelement 106 potentiell beschädigen würden, wie z. B. ein Getriebeschmiermittel, wie es in den Getriebekästen vorhanden ist, die in Kraftfahrzeugen allgemein bekannt sind, die durch eine Brennkraftmaschine betrieben sind, um ein nicht einschränkendes Beispiel anzugeben. Automatikgetriebekästen umfassen typischerweise eine oder mehrere Antriebswellen 101, für die eine Winkelposition und/oder eine Winkelgeschwindigkeit von Interesse sind, um eine Erfahrung eines glatten Gangwechsels bereitzustellen.
Es wird erkannt, dass jede Offenbarung im Folgenden, die das Abtastelement 106 betrifft, außerdem ohne Einschränkung auf die Abtastelemente 104 angewendet werden kann, die im Zusammenhang mit den 1–6 und 12 oben erörtert worden sind.
Ferner kann es von Interesse sein, das (Winkel-)Abtastelement 106 von der magnetischen Verschmutzung abzudichten, da sie das Abtastelement 106 basierend auf einem magnetischen Abtastprinzip beeinflussen kann. Die magnetische Verunreinigung ist in der Form von Eisenfeilspänen bekannt, die in vielen Maschinentypen omnipräsent sind. Sollte eine derartige magnetische Verunreinigung die Bohrung innerhalb der Antriebswelle 101 erreichen, verschlechtert sich die (Winkel-)Abtastung beträchtlich. Deshalb kann die Abdichtung der Bohrung für die (Winkel-)Abtastung in der Welle von Interesse sein, die hier offenbart ist.
Die 21A und 21B veranschaulichen Beispiele einer möglichen Abdichtung der Abtastelemente 106. Die in den 21A und 21B gezeigten Anordnungen sind zu der Anordnung, die im Zusammenhang mit 13 erörtert worden ist, etwas ähnlich. Es wird eine Abdeckung 212 verwendet, um die axiale Bohrung innerhalb des Endabschnitts der Antriebswelle 101 zu verschließen. Die Abdeckung kann aus einem Leiterplattenmaterial (PCB-Material) hergestellt sein, ist aber nicht darauf eingeschränkt. Gleichen Elementen in den 21A und 21B sind identische Bezugszeichen gegeben, wobei sie deshalb nicht abermals ausführlich erörtert werden sollen, um eine übermäßige Menge von Wiederholung zu vermeiden.
In der Ausführungsform nach 21A wird vorgeschlagen, einen Ring 208 zu verwenden, der an einer Oberfläche der Abdeckung 212 angebracht ist. Es kann von Interesse sein, einen Ring 208 zu haben, der mit einem Dichtungselement 210 zusammenpasst. Eine Nut in der Azimutrichtung kann das Dichtungselement 210 aufnehmen. Das Dichtungselement 210 kann als einfacher O-Ring oder als ein abgedichtetes Lager implementiert sein, wie in der Technik bekannt ist, z. B. als ein Lager implementiert sein, das eine (nicht gezeigte) innere Dichtungslippe umfasst, um das Innere der Bohrung von einem Äußeren abzudichten. Ohne Einschränkung kann das abgedichtete Lager ferner eine äußere Dichtungslippe umfassen. Es soll angegeben werden, dass ungeachtet eines Drehmoments, das die Antriebswelle 101 zuführt, sich das Dichtungselement 210 mit einem beträchtlichen Abschnitt des zugeführten Drehmoments innerhalb der Azimutrichtung in Kontakt befinden kann. Geeignete Materialien und Abmessungen für das Dichtungselement, um dem beträchtlichen Anteil des in der Azimutrichtung zugeführten Drehmoments standzuhalten, sind in der Technik bekannt. Ein nicht einschränkendes Beispiel für das Dichtungselement ist ein gepresster O-Ring geeigneter Abmessungen, der das Innere der Bohrung von einem Äußeren abdichtet.
Es ist ferner von Interesse, die Abdeckung 212 so anzubringen, dass sie der Drehbewegung der Antriebswelle 101 nicht folgt, sondern eine statische Position bezüglich der Azimutrichtung einnimmt, während sie das Innere der Bohrung vom Äußeren abdichtet. Die statische oder Statorposition der Abdeckung 212 und folglich des (Winkel-)Abtastelements 216 bezüglich der Antriebswelle 101 kann unter Verwendung einer (nicht gezeigten) Halterungsstruktur erreicht werden.
21B offenbart eine weitere Ausführungsform einer möglichen Abdichtung des Abtastelements 106 von einem Äußeren der Antriebswelle 101. Eine Dichtung 214, die mit der Abdeckung 212 verbunden ist, wird verwendet, um einen Umfang eines hohlen Endabschnitts der Welle, d. h., der Antriebswelle 101, zu umfassen. Es kann zweckmäßig sein, ein Dichtungselement zu implementieren, das die Dichtung 214 und die Antriebswelle 101 in der radialen Richtung (die als die vertikale Richtung x in 21B angegeben ist) überbrückt. Bezüglich des Dichtungselements nach 21A kann das Dichtungselement 208 als ein O-Ring oder als ein Lager implementiert sein, das wenigstens eine Dichtungslippe umfasst, wie in der Technik bekannt ist.
Gemäß einer Variante des Dichtungselements 208, die hinsichtlich der 21A und 21B erörtert ist, kann die Abdeckung 208 implementiert sein, die der Drehbewegung der Antriebswelle 101 folgt. Eine derartige Bauform für die Abdichtung der Abtastelemente 106 würde die Anforderungen an das Dichtungselement 208 lockern, da dessen Elemente nicht länger dem zugeführten Drehmoment ausgesetzt sein würden, sondern sich gleichzeitig mit der Antriebswelle 101 bewegen. Es soll jedoch angegeben werden, dass für einen derartigen Aufbau ein weiteres Dichtungselement 210 erforderlich sein würde, das einen Abschnitt der PCB, die die Abdeckung 212 durchquert, umschließt. Dies ist von Interesse, um sicherzustellen, dass das (Winkel-)Abtastelement 106 an einer im Wesentlichen festen Winkelposition bezüglich der drehbaren Antriebswelle 101 bleibt.
Während eine wellenintegrierte Anordnung oder eine Anordnung ”in der Welle” der (Winkel-)Abtastelemente 106 innerhalb des Endabschnitts der Antriebswelle 101 es unterstützt, im Vergleich zu einem Aufbau, der einen Drehmelder verwendet, die radialen und/oder axialen Zusammenbautoleranzen zu verringern, sind diese Zusammenbautoleranzen immer noch in der Anordnung in der Welle vorhanden, jedoch mit einem verringerten Niveau. Das heißt, für einen Drehmelder mit einer Exzentrizität von etwa 0,5 mm hinsichtlich der Drehachse der Antriebswelle ist ein mit dem Drehmelder erreichter Winkelfehler größer als ein mit der Anordnung in der Welle erreichter Winkelfehler für einen Aufbau mit einer Exzentrizität des Magneten von 0,5 mm bezüglich der Drehachse.
Es ist eine Option, Magnetanordnungen 206 mit Magnetfeldern hoher Homogenität zu verwenden, um die verschlechternde Wirkung der radialen und/oder axialen Zusammenbautoleranzen für die Anordnung in der Welle der Winkelabtastelemente 106 innerhalb der Welle 101 weiter zu verringern. Es ist zu erkennen, dass Magneten mit hoher Homogenität mit irgendeiner der Magnetanordnungen 206 in der Welle, die hier offenbart sind, verwendet werden können.
22A veranschaulicht ein erstes Beispiel derartiger Magnetanordnungen 206 mit hoher Homogenität. In 22A ist eine Querschnittsansicht einer Magnetanordnung gezeigt. Ein Kreuz in 22A gibt eine Position an, die einer Position der Drehachse der Antriebswelle entspricht, sobald der Magnet innerhalb der Bohrung der (nicht gezeigten) Antriebswelle angeordnet ist. Die Magnetanordnung nach 22A umfasst acht Magnetelemente, die angeordnet sind, um einen Magnetring einer achteckigen Form als ein nicht einschränkendes Beispiel zu bilden. Für jedes der Magnetelemente ist eine Magnetisierungsrichtung 206-1 bis 206-4 angegeben. Für eine derartige Anordnung der Magnetelemente wird ein im Wesentlichen gleichmäßiges Gesamtmagnetfeld 207 innerhalb des Magnetrings gebildet, während außerhalb der ringförmigen Magnetanordnung 206 ein sehr kleines oder praktisch sogar kein Magnetfeld vorhanden sein kann. Derartige Magnetanordnungen sind in der Technik als Halbach-Magneten bekannt. Es kann zweckmäßig sein, die einzelnen Magnetelemente 206 zusammenzukleben, bevor jedes Segment magnetisiert worden ist. Es kann stattdessen eine weitere Weise zum Anordnen der Magnetelemente 206 verwendet werden, vorausgesetzt, dass die Anordnung die Homogenität des Magnetfelds innerhalb der Ringstruktur im Wesentlichen nicht behindert.
Ein mit den Magnetanordnungen 206 des Halbach-Typs vertrauter Fachmann erkennt, dass eine Ausdehnung der Halbach-Magnetanordnung 206 in der axialen Richtung vorzugsweise größer als ein Innendurchmesser des Magneten des Halbach-Typs in der radialen Richtung ist, noch bevorzugter größer als ein Außendurchmesser des Magneten des Halbach-Typs in der radialen Richtung ist. Derartige Abmessungen unterstützen es typischerweise, die Homogenität des Magnetfeldes in der radialen Richtung und ebenso in der axialen Richtung zu verbessern.
22B veranschaulicht eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Magneten 206 des Halbach-Typs in einer Querschnittsansicht. Es wird angegeben, dass der Magnet 206 nach 22B ein einheitliches Element umfasst, das eine inhomogene Magnetisierung aufweist, die innerhalb des gezeigten Querschnitts etwas ausgeglichen ist, so dass das meiste der Magnetfeldlinien in der Mitte des Magneten 206 konzentriert ist, während das Äußere des ringförmigen Magneten praktisch ohne Magnetfelder ist. Der Vorteil einer derartigen Anordnung des Halbach-Typs für den Magneten 206, wie er hinsichtlich der 22A, 22B erörtert ist, ist zweifach: Zuerst ist das Abtastelement 106 weniger empfindlich gegen Zusammenbautoleranzen in der radialen und/oder der axialen Richtung, hinsichtlich einer derartigen Verschiebung sieht der Sensor praktisch keine oder eine sehr kleine Änderung (der Richtung) des Magnetfelds beim Vorhandensein derartiger Zusammenbautoleranzen. Deshalb wird es leichter, mehr als ein (Winkel-)Abtastelement 106 innerhalb des Bereichs des im Wesentlichen homogenen Magnetfelds 207 anzuordnen (wie in den 22A–C angegeben ist). Die mehr als ein Abtastelemente sehen dann das identische Magnetfeld 207, was von Interesse sein kann, wenn ein redundantes und/oder diveres magnetisches (Winkel-)Abtastsystem gebaut wird. Ein diverses magnetisches (Winkel-)Abtastsystem misst das Magnetfeld 207 mit den mehr als ein Abtastelementen, von denen jedes ein anderes, d. h., ein diverses Abtastprinzip verwendet, das erste verwendet etwa als ein nicht einschränkendes Beispiel einen GMR-Sensor, das zweite verwendet einen Hall-Sensor.
In dem Fall einer (vorübergehenden) Störung würden die mehr als ein diversen Abtastelemente aufgrund ihrer diversenen Abtastprinzipien verschieden auf die (vorübergehende) Störung reagieren. Ein Durchschnittsfachmann erkennt deshalb, dass die (vorübergehende) Störung offensichtlich wird, wenn die mehr als ein diversen Abtastelemente verwendet werden. Stattdessen würden irgendwelche abgetasteten Daten aufgrund der (vorübergehenden) Störung nicht offensichtlich werden, wenn lediglich mehr als ein redundantes Abtastelement verwendet wird, von denen alle ein identisches, d. h., ein nicht diverses Prinzip verwenden. Für die lediglich mehr als ein redundanten Abtastelemente würden alle der Abtastelemente einen im Wesentlichen identischen abgetasteten Wert zeigen, der durch die gleiche (vorübergehende) Störung verursacht wird – der aufgrund der (vorübergehenden) Störung außerdem als ein Fehler mit gemeinsamer Ursache (common cause error) bezeichnet wird.
Als ein zweiter Vorteil des Magneten 206 das Halbach-Typs ist der Raum außerhalb des Magneten 206 im Wesentlichen ohne irgendein Magnetfeld, was irgendwelche magnetischen Störungen verringert, die von dem Magneten 206 zu irgendwelchen magnetisch empfindlichen Strukturen projiziert werden, die den Magneten 206 und folglich die Antriebswelle 101 umgeben. Weiterhin verschlechtert das exzentrische Anbringen des Magneten innerhalb der Bohrung einer Eisenwelle die Homogenität des Magnetfeldes an den Abtastelementen in der Mitte des Ringmagneten des Halbach-Typs nicht, weil der Magnet kein Magnetfeld auf die Welle, die ihn umgibt, ausübt.
Der Magnet 206 des Halbach-Typs nach 22B kann unter Verwendung einiger Formungstechniken oder Magnetisierungstechniken, die einen nicht homogenen Magneten erreichen, als ein einheitliches Element gebildet werden, wie innerhalb einer früheren Patentanmeldung des Anmelders, als US 14/812.907 am 29. Juli 2015 durch den Anmelder eingereicht, die in ihrer Gesamtheit hier aufgenommen ist, ausführlich erklärt ist.
22C veranschaulicht einen Querschnitt eines weiteren Magneten 206 des Halbach-Typs, wobei sich eine Magnetisierung innerhalb des ringförmigen Magneten fast kontinuierlich ändert, während das Magnetfeld innerhalb des Rings einen sehr hohen Grad der Homogenität zeigt.
Während das Verfahren und dessen Varianten im Folgenden als eine Folge von Handlungen oder Ereignissen veranschaulicht und beschrieben werden, wird erkannt, dass die veranschaulichte Ordnung derartiger Handlungen oder Ereignisse nicht in einem einschränkenden Sinn zu interpretieren ist. Einige Handlungen können z. B. in anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Handlungen oder Ereignissen abgesehen von jenen, die hier veranschaulicht und/oder beschrieben sind, auftreten. Zusätzlich können nicht alle veranschaulichten Handlungen erforderlich sein, um einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der Offenbarung hier zu implementieren. Außerdem können ein oder mehrere der hier dargestellten Handlungen in einer oder mehreren separaten Handlungen und/oder Phasen ausgeführt werden.
Es wird erkannt, dass der beanspruchte Gegenstand als ein Verfahren, eine Vorrichtung oder ein Herstellungsartikel unter Verwendung von Standardprogrammierungs- und/oder Entwicklungstechniken implementiert werden kann, um Software, Firmware, Hardware oder irgendeine Kombination daraus herzustellen, um einen Computer zu steuern, um den beanspruchten Gegenstand zu implementieren (die in den 1, 2 usw. gezeigten Systeme/Vorrichtungen sind z. B. nicht einschränkende Beispiele des Systems, das verwendet werden kann, um die obigen Verfahren zu implementieren). Es ist vorgesehen, dass der Begriff ”Herstellungsartikel”, wie er hier verwendet wird, ein Computerprogramm umfasst, das von irgendeiner computerlesbaren Vorrichtung, einem Träger oder Medien zugänglich ist. Selbstverständlich erkennen die Fachleute auf dem Gebiet, dass an dieser Konfiguration viele Modifikationen ausgeführt werden können, ohne vom Schutzumfang oder Erfindungsgedanken des beanspruchten Gegenstands abzuweichen.
Eine Sensoranordnung enthält ein Sensorelement und ein Magnetmodul. Das Sensorelement ist konfiguriert, ein Magnetfeld zu messen und ist innerhalb einer Welle positioniert. Die Welle ist konfiguriert, das Magnetmodul und das Sensorelement abzuschirmen. Das Magnetmodul ist konfiguriert, das Magnetfeld zu erzeugen. Das Sensorelement ist wenigstens teilweise innerhalb der Welle positioniert.
Eine weitere Sensoranordnung enthält ein Sensormodul, ein Gehäuse und eine Welle. Das Sensormodul ist konfiguriert, ein Magnetfeld zu messen. Das Gehäuse weist eine Modulöffnung und eine Gehäuseaussparung auf. Das Sensormodul ist innerhalb der Modulöffnung positioniert. Die Welle ist an die Wellenaussparung gekoppelt und weist ein Magnetmodul auf, das konfiguriert ist, das Magnetfeld zu erzeugen. Die Welle ist konfiguriert, das Magnetmodul und das Sensormodul abzuschirmen.
Eine integrierte Sensorvorrichtung enthält ein Sensormodul, ein Gehäuse und ein Magnetmodul. Das Sensormodul ist konfiguriert, ein Magnetfeld zu messen. Das Gehäuse weist eine Modulöffnung und eine Wellenaussparung auf und ist konfiguriert, das Sensormodul abzuschirmen. Das Sensormodul ist innerhalb der Modulöffnung positioniert. Das Magnetmodul ist innerhalb einer Welle positioniert. Die Welle ist an die Wellenaussparung gekoppelt. Das Magnetmodul ist konfiguriert, das Magnetfeld zu erzeugen. Die Welle ist konfiguriert, das Magnetmodul abzuschirmen.
Es wird ein Sensorsystem, das ein Sensormodul, eine Schnittstelle und eine Steuereinheit aufweist, offenbart. Das Sensormodul befindet sich innerhalb eines Gehäuses und weist ein Sensorelement auf, das konfiguriert ist, die Messwerte eines Magnetfelds bereitzustellen. Das Gehäuse schirmt das Sensormodul von einer oder mehreren Störungen ab. Die Schnittstelle ist an das abgeschirmte Sensormodul gekoppelt und konfiguriert, die Magnetfeld-Messwerte von dem abgeschirmten Sensormodul zu übertragen. Die Steuereinheit ist konfiguriert, basierend auf den Magnetfeld-Messwerten die 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 von einer oder mehreren Störungen abgeschirmt. Eine Welle wird konfiguriert, so dass sie eine Wellenaussparung aufweist. Ein Magnetmodul wird innerhalb der Wellenaussparung positioniert. Das Magnetmodul wird durch die Welle von der einen oder den mehreren Störungen abgeschirmt. Durch das Magnetmodul wird ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld wird durch das Sensormodul gemessen.
Speziell hinsichtlich der durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme usw.) ausgeführten verschiedenen Funktionen ist vorgesehen, dass die Begriffe (einschließlich einer Bezugnahme auf ”Mittel”), die verwendet werden, um derartige Komponenten zu beschreiben, irgendeiner Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (die z. B. funktional äquivalent ist), selbst wenn sie zu der offenbarten Struktur, die die Funktion in den hier veranschaulichten beispielhaften Implementierungen der Erfindung ausführt, nicht strukturell äquivalent ist, wenn es nicht anders angegeben ist. Während ein spezielles Merkmal der Erfindung bezüglich nur einer von mehreren Implementierungen offenbart worden sein kann, kann ein derartiges Merkmal zusätzlich mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie es für irgendeine gegebene oder spezielle Anwendung erwünscht oder vorteilhaft sein kann. Überdies ist vorgesehen, dass bis zu dem Ausmaß, in dem die Begriffe ”enthaltend”, ”enthält”, ”aufweisend”, ”weist auf”, ”mit” oder Varianten davon entweder in der ausführlichen Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet werden, derartige Begriffe in einer zu dem Begriff ”umfassend” ähnlichen Weise inklusiv sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007025000 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kaden ”Wirbelströme und Schirmung in der Nachrichtentechnik”, S. 82 [0110]

Claims

Sensoranordnung, die Folgendes umfasst: – eine drehbare Antriebswelle, die sich entlang einer Drehachse erstreckt und eine Bohrung, die sich von einer ersten Stirnfläche der Welle entlang der Drehachse erstreckt, umfasst; – ein Magnetmodul, das innerhalb der Bohrung angeordnet ist und an die Antriebswelle gekoppelt ist, wobei das Magnetmodul konfiguriert ist, ein Magnetfeld innerhalb der Bohrung zu erzeugen; und – ein Abtastelement, das konfiguriert ist, eine Drehung des Magnetfelds in Reaktion auf die Drehung der Antriebswelle abzutasten.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Abtastelement eine empfindliche Stelle aufweist, wobei die empfindliche Stelle innerhalb der Bohrung angeordnet ist und dem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner ein Dichtungselement umfasst, das an die Antriebswelle koppelbar ist, um die Bohrung abzudecken, wobei das Dichtungselement das innerhalb der Bohrung angeordnete Abtastelement von einem Äußeren der Bohrung trennt.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei das Dichtungselement an eine Umfangsfläche des Endabschnitts der Antriebswelle gekoppelt ist.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei das Dichtungselement an die erste Stirnfläche der Antriebswelle gekoppelt ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebswelle konfiguriert ist, ein hohes Drehmoment von wenigstens einigen zehn Newtonmetern, vorzugsweise einigen hundert Newtonmetern, zu übertragen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebswelle konfiguriert ist, eine Drehbewegung zum Antrieb eines Fahrzeugs zu übertragen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abtastelement als eine Halbleitervorrichtung, die wenigstens einen Die umfasst, implementiert ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetanordnung ein Magnetfeld bereitstellt, das hauptsächlich innerhalb eines äußeren Umfangs der Magnetanordnung enthalten ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebswelle ein weichmagnetisches oder eisenhaltiges Material umfasst, das magnetische Störungen von dem Abtastelement abschirmt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei eine Abmessung der Magnetanordnung in einer axialen Richtung größer als ein Innendurchmesser der Magnetanordnung, vorzugsweise größer als ein Außendurchmesser der Magnetanordnung ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Magnetanordnung als ein einheitliches Element implementiert ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Magnetanordnung eine im Wesentlichen ringförmige Form aufweist, die eine homogene Verteilung des magnetischen Flusses innerhalb eines Mittenbereichs der Magnetanordnung umfasst.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Verriegelungsmechanismus aufweist, der konfiguriert ist, die Magnetanordnung innerhalb der Bohrung an einer definierten Position entlang der axialen Richtung zu arretieren.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Verriegelungsmechanismus umfasst, der konfiguriert ist, die Magnetanordnung innerhalb der Bohrung an einer definierten Azimutposition bezüglich der axialen Richtung zu arretieren.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich ein Innendurchmesser der Bohrung von einem ersten Durchmesser an einer ersten Stirnfläche der Antriebswelle bis zu einem zweiten Durchmesser, der kleiner als der erste Durchmesser ist, verjüngt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 16, wobei das Dichtungselement ein abgedichtetes Lager umfasst, wobei das abgedichtete Lager drehbar an der Antriebswelle angebracht ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 16, wobei das Dichtungselement bezüglich der Antriebswelle fest angeordnet ist.
Elektromotorsystem, das Folgendes umfasst: – eine drehbare Motorantriebswelle, die sich entlang einer Drehachse erstreckt und eine Bohrung, die sich von einer ersten Stirnfläche der Welle entlang der Drehachse erstreckt, umfasst; – ein Magnetmodul, das innerhalb der Bohrung angeordnet ist und an die Motorantriebswelle gekoppelt ist, wobei das Magnetmodul konfiguriert ist, ein Magnetfeld innerhalb der Bohrung zu erzeugen; und – ein Abtastelement, das konfiguriert ist, eine Drehung des Magnetfelds in Reaktion auf die Drehung der Motorantriebswelle abzutasten.
Brennkraftmaschinensystem, das Folgendes umfasst: – wenigstens eine drehbare Antriebswelle, die sich entlang einer Drehachse erstreckt und eine Bohrung, die sich von einer ersten Stirnfläche der Welle entlang der Drehachse erstreckt, umfasst; – ein Magnetmodul, das innerhalb der Bohrung angeordnet ist und an die wenigstens eine Antriebswelle gekoppelt ist, wobei das Magnetmodul konfiguriert ist, ein Magnetfeld innerhalb der Bohrung zu erzeugen; und – ein Abtastelement, das konfiguriert ist, eine Drehung des Magnetfelds in Reaktion auf die Drehung der wenigstens einen Antriebswelle abzutasten.