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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer Position und / oder einer Anzahl der Umdrehungen einer relativ zu einer Sensorvorrichtung drehbar gelagerten Aufnahmevorrichtung.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Um mechanisch lineare Lageänderungen oder rotierenden Winkeländerungen eines rotierenden Messobjektes, wie zum Beispiel einer rotierende Welle, exakt zu erfassen, werden spezielle Sensoren eingesetzt, die mit dem rotierenden Messobjekt verbunden sind. Derartige Sensoren sind aus dem Stand der Technik auch als sogenannte Drehgeber bekannt. Je nach Anwendungsbereich, wie zum Beispiel in der Automatisierungstechnik, und in Abhängigkeit der geforderten Qualität der zu erfassenden Messgröße unterscheidet man zwischen inkrementalen und absoluten Drehgebern. Praktische Beispiele für den Einsatz von derartigen Drehgebern sind etwa die Drehzahlbestimmung eines Motors oder die Bestimmung einer Winkelposition von Sonnenkollektoren.
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Eine spezielle Form von Drehgebern sind magnetische Drehgeber. Diese können mit einem oder mehreren magnetoresistiven Sensorelementen realisiert sein (MR-Sensoren). MR-Sensoren beruhen dabei auf einem berührungslosen Abtastsystem, das ohne mechanische Getriebekomponenten auskommt. Damit sind diese magnetischen Drehgeber praktisch verschleiß- und wartungsfrei und können eine lange Lebensdauer selbst unter extremen Bedingungen sicherstellen. Nachteilig an MR-Sensoren ist jedoch, dass diese einen sogenannten Hysterese-Effekt aufweisen, der auch als Messwertumkehrspanne bekannt ist und der die Genauigkeit der ermittelten Messgröße negativ beeinflusst.
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Außerdem hängt die Qualität der erfassten Messgröße auch von der Ausprägung des Magnetfeldes, also insbesondere von der Stärke und der Homogenität des Magnetfeldes ab, welches einen MR-Sensor durchdringt. Im Stand der Technik sind verschiedene Lösungen bekannt, um die Homogenität des Magnetfeldes zu verbessern. So verwenden beispielsweise die
DE 10 2010 010 239 B4 und die
DE 20 2007 006 955 U1 drehbar gelagerte Magnetanordnungen, die aus mindestens zwei und voneinander beabstandeten Permanentmagneten bestehen, um ein homogenes Magnetfeld zu erzeugen, damit die verwendeten MR-Sensoren optimal von den Magnetfeldlinien des Magnetfeldes durchdrungen werden. Nachteilig an diesen Anordnungen ist, dass der relative Abstand der verwendeten Permanentmagneten auch einen negativen Einfluss auf die Baugröße und damit die Kompaktheit der Magnetfeldanordnung hat. In der
EP 12 438 91 wird lediglich ein Permanentmagnet zur Erfassung einer Winkelposition bzw. Drehrichtungsänderung einer rotierenden Welle verwendet, was zu einer kompakten Bauweise der Magnetfeldanordnung führen kann. Allerdings hat dies wiederrum einen Einfluss auf die Ausbildung eines möglichst homogenen Magnetfeldes, um eine hohe Messgenauigkeit des verwendeten MR-Sensors zur Messgrößenerfassung zu gewährleisten.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Erfassung einer Position und / oder einer Anzahl der Umdrehungen einer relativ zu einer Sensorvorrichtung drehbar gelagerten Aufnahmevorrichtung bereitzustellen, dass eine höhere Genauigkeit bei der Messwertaufnahme eines Sensors, insbesondere eines MR-Sensors erzielt wird und zugleich die Messwertumkehrspanne des verwendeten Sensors möglichst klein wird. Außerdem besteht eine weitere Aufgabe darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, die kompakt in ihrer Bauweise, kostengünstig herzustellen und zudem leicht zu installieren ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erfassung einer Position und / oder einer Anzahl der Umdrehungen einer relativ zu einer Sensorvorrichtung drehbar gelagerten Aufnahmevorrichtung, wobei an der drehbar gelagerten Aufnahmevorrichtung eine Magnetanordnung vorgesehen ist, wobei die Magnetanordnung mindestens einen ersten Magneten und einen zweiten Magneten umfasst und wobei der mindestens erste und zweite Magnet in axialer Richtung einer Drehachse der drehbar gelagerten Aufnahmevorrichtung in einem Winkel versetzt zueinander angeordnet sind, wobei der Winkel in einem Bereich von 160° bis 200° liegt und die mindestens zwei Magneten zueinander entgegengesetzt magnetisiert sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche auch als eine Messvorrichtung bezeichnet werden kann, wird der Vorteil erreicht, dass das durch die Magnetanordnung der Vorrichtung erzeugte Magnetfeld in bestimmten Bereichen um die Magnetfeldanordnung herum eine Bündelung und eine Homogenisierung von Magnetfeldlinien erzeugt wird. Dadurch wird in der Sensorvorrichtung, welche in diesem derartigen Bereich angeordnet ist, eine höhere magnetische Flussdichte erzeugt. Dies führt wiederum in vorteilhafter Weise zu einer Verringerung des Hysterese-Effekts der Sensorvorrichtung und damit zu einer höheren Messgenauigkeit der Sensorvorrichtung. Die Sensorvorrichtung kann dabei vorzugsweise mindestens einen magnetoresistiven Sensor umfassen.
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Ein weiterer Vorteil, der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzielt wird, besteht in der hohen Kompaktheit der Vorrichtung. Dies wird durch den stapelförmigen Aufbau der Magneten der Magnetanordnung erreicht. Da der mindestens erste und zweite Magnet in axialer Richtung einer Drehachse der drehbar gelagerten Aufnahmevorrichtung zueinander um einen Winkelbereich zwischen ungefähr 160° und 200° versetzt angeordnet sind, wobei die mindestens zwei Magneten zueinander entgegengesetzt magnetisiert bzw. polarisiert sind, kann eine komprimierte Magnetanordnung erzielt werden, bei der es nicht auf einen besonders einzuhaltenden Abstand der in der Magnetanordnung umfassenden Magnete zueinander in Bezug auf die Drehachse der drehbar gelagerten Aufnahmevorrichtung ankommt.
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Durch die kompakte Bauweise der Magnetanordnung ist diese außerdem einfacher auf einem drehenden Messobjekt, wie eine rotierende Welle, zu montieren. Dies kann die Montagekosten für die Vorrichtung in vorteilhafter Weise reduzieren. Da die einzelnen Magnete der Magnetanordnung zudem aufeinander gestapelt werden, lässt sich eine Erweiterung oder Modifikation der Magnetanordnung entsprechend leicht durchführen, wenn die Eigenschaften des zu erzeugenden Magnetfelds an die Messumgebung angepasst werden sollen. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn in der Sensorvorrichtung spezielle Sensoren eingesetzt werden, die nur dann eine hinreichende Messgenauigkeit liefern, wenn auch ein bestimmter Grad an Homogenität das die Sensorvorrichtung durchdringenden Magnetfeldes gewährleistet werden soll. Mit Homogenität des Magnetfeldes ist in diesem Zusammenhang die Erstellung von bestimmten Bereichen bzw. Orten um die Magnetfeldanordnung herum gemeint, in denen die magnetischen Feldlinien des Magnetfeldes eine besonders starke Bündelung bzw. eine Dichte erfahren, so dass an diesen Orten eine hohe magnetische Feldstärke des Magnetfeldes vorherrscht. Durch diese Möglichkeit, die Vorrichtung und die Magnetanordnung in ihrer jeweiligen Struktur flexibel zu verändern, lässt sich außerdem auf einfache Weise eine Verteilung der magnetischen Feldlinien zwischen Magnetanordnung und Sensorvorrichtung gezielt beeinflussen bzw. steuern und damit auf vorteilhafte Weise individuell an die jeweilige Messumgebung anpassen.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der erste Magnet gegenüber dem zweiten Magneten der Magnetanordnung um 180° versetzt angeordnet. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass durch die Magnetanordnung ein möglichst homogenes Magnetfeld erzeugt wird, das Bereiche aufweist, die eine hohe Magnetfeldliniendichte aufweisen. In diesen Bereichen oder Gebieten können dann die entsprechenden (magnetischen) Sensoren platziert werden, um eine möglichst hohe Genauigkeit des Sensors bei der Messwertaufnahme und Messwerterzeugung zu erhalten, welche nicht oder nur durch einen sehr geringen Hysterese-Fehler beeinflusst wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der erste Magnet der Magnetanordnung eine erste Höhe und der zweite Magnet der Magnetanordnung eine zweite Höhe auf, wobei sich die erste Höhe des ersten Magneten von der zweiten Höhe des zweiten Magneten der Magnetanordnung unterscheidet, und wobei sich die erste Höhe des ersten Magneten und die zweite Höhe des zweiten Magneten jeweils in axialer Richtung der Drehachse der drehbar gelagerten Aufnahmevorrichtung erstreckt. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass das zu erzeugende Magnetfeld und sein Feldlinienverlauf entsprechend über eine Anpassung der Dimensionierung der beiden Magneten beeinflusst werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung steht die erste Höhe des ersten Magneten der Magnetanordnung zu der zweiten Höhe des zweiten Magneten der Magnetanordnung zueinander in einem Verhältnis von 1:2,5. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Dimensionierung der Magnetanordnung gemäß einer technischen Anforderung einstellbar ist. Außerdem kann durch eine derartige Dimensionierung ein bestimmter und bevorzugter magnetischer Feldlinienverlauf der Magnetanordnung erzeugt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der erste Magnet der Magnetanordnung einen ersten Magnetisierungsbereich und einen zweiten Magnetisierungsbereich und der zweite Magnet der Magnetanordnung einen dritten Magnetisierungsbereich und einen vierten Magnetisierungsbereich auf, wobei der erste Magnetisierungsbereich des ersten Magneten und der vierte Magnetisierungsbereich des zweiten Magneten gleich polarisiert sind und ein Winkel, der gebildet wird zwischen einer ersten Axialebene des ersten Magnetisierungsbereiches und einer zweiten Axialebene des vierten Magnetisierungsbereichs, wobei sich beide Axialebenen jeweils parallel zur Drehachse der Aufnahmevorrichtung erstrecken, ungefähr zwischen 0° und 20° liegt. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Magnetanordnung und das durch sie ausgeprägte Magnetfeld und dessen Verlauf an verschiedene Einsatzbereiche leicht anpassbar sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Magnetanordnung einen dritten Magneten. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass das durch die Magnetfeldanordnung entstehende Magnetfeld und sein Verlauf in Hinblick auf eine optimale Feldliniendichte für eine homogene Durchdringung eines Sensor auf eine Weise beeinflusst werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der dritte Magnet gegenüber dem ersten Magneten oder dem zweiten Magneten um 180° versetzt angeordnet und entgegengesetzt magnetisiert. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass durch die Magnetanordnung ein möglichst homogenes Magnetfeld erzeugt wird, das Bereiche aufweist, die eine hohe Magnetfeldliniendichte aufweisen. In diesen Bereichen oder Gebieten können dann die entsprechenden (magnetischen) Sensoren platziert werden, um eine möglichst hohe Genauigkeit des Sensors bei der Messwertaufnahme und Messwerterzeugung zu erhalten, welche nicht oder nur durch einen sehr geringen Hysterese-Fehler beeinflusst wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die einzelnen Magnete der Magnetanordnung als Permanentmagnete ausgebildet. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass ein besonders stark ausgeprägtes Magnetfeld ohne Energiezufuhr von außen dauerhaft zur Verfügung steht.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen der mindestens erste und zweite Magnet der Magnetanordnung jeweils einen Körper mit einer runden Form oder einen Körper mit einer eckigen Form auf. Die einzelnen Magnete der Magnetanordnung können also jeweils kreisförmig, quaderförmig oder als eine andere vieleckige Form ausgebildet sein. Zudem können der erste Magnet und / oder der zweite Magnet der Magnetanordnung jeweils mindestens eine oder eine gemeinsame Bohrung oder ein Bohrloch aufweisen. Das oder die gemeinsame Bohrung oder das Bohrloch verläuft vorzugsweise durch die Symmetrieachse. Die Bohrung des ersten Magneten und / oder des zweiten Magneten der Magnetanordnung kann auch als Sacklochbohrung ausgeführt sein. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Magnetanordnung über Auswahl der entsprechenden Magnetform bzw. Magnetformate auf eine einfache Weise den konstruktiven Gegebenheiten zum Beispiel in Bezug auf Befestigungsmöglichkeiten der Magnetanordnung auf einem sich drehenden Bauteil bei dessen Installation leicht anpassbar ist, um die Magnetanordnung für verschiedene Einsatzbereiche vorsehen zu können.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Sensorvorrichtung mindestens einen magnetoresistiven Sensor und / oder mindestens einen Hallsensor. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Messwertaufnahme zur Bestimmung von zum Beispiel einer Winkelposition entsprechend genau durchführbar ist. Der Einsatz von magnetischen Sensoren oder Drehgebern hat zudem den Vorteil, dass es zu keinem mechanischen Verschleiß des Messelementes kommt, da die Messwertaufnahme zur Bestimmung einer Drehrichtungsänderung oder einer Winkelposition berührungslos über die Messung und Umsetzung eines sich ändernden Magnetfeldes erfolgt, welches durch die Magnetanordnung, die zum Beispiel auf einem sich drehenden Bauteil angeordnet ist.
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Figurenliste
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Weitere Ausführungsbeispiele werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Abbildung einer Vorrichtung mit einer Sensorvorrichtung und einer auf einer drehbar gelagerten Aufnahmevorrichtung angeordneten Magnetanordnung;
- 2a eine schematische Abbildung einer Magnetanordnung der Vorrichtung mit zwei Magneten gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2b eine schematische Abbildung einer Magnetanordnung der Vorrichtung mit drei Magneten gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 2c eine schematische Abbildung einer Magnetanordnung der Vorrichtung mit zwei Magneten, die unterschiedliche Höhenmaße aufweisen, gemäß einer vierten Ausführungsform;
- 2d eine schematische Abbildung einer Magnetanordnung der Vorrichtung mit zwei Magneten, die zueinander um einen definierten Winkel voneinander versetzt angeordnet sind, gemäß einer fünften Ausführungsform;
- 2e eine schematische Abbildung einer Magnetanordnung der Vorrichtung mit zwei Magneten, die jeweils eine quaderförmige Form aufweisen, gemäß einer sechsten Ausführungsform;
- 3 eine schematische Abbildung von Feldlinien eines Magnetfeldes, welches durch eine Magnetanordnung gemäß der 2a erzeugt wird, und Sensoren, die in bestimmten Feldlinienbereichen diese Magnetfeldes angeordnet sind;
- 4 eine schematische Abbildung einer Anordnung einer Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der 2a und einer Sensorvorrichtung.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
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1 zeigt eine schematische Abbildung einer Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zur Erfassung einer Position und der Anzahl der Umdrehungen einer relativ zu einer Sensorvorrichtung 102 drehbar gelagerten Aufnahmevorrichtung 120. An der drehbar gelagerten Aufnahmevorrichtung 120 ist eine Magnetanordnung 108 vorgesehen. Die Magnetanordnung 108 umfasst mindestens einen ersten Magneten 109 und einen zweiten Magneten 110 (nicht in der 1 dargestellt), wobei der mindestens erste Magnet 109 und der zweite Magnet 110 in axialer Richtung einer Drehachse 121 der drehbar gelagerten Aufnahmevorrichtung 120 zueinander um einen Winkelbereich zwischen ungefähr 160° und 200° versetzt angeordnet sind, wobei die mindestens zwei Magneten 109, 110 zueinander entgegengesetzt magnetisiert sind. Als optimal hat sich ein Winkel von 180° erwiesen, um den der erste Magnet 109 und der zweite Magnet 110 zueinander versetzt angeordnet sind.
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Die beiden Magnete 109, 110 sind in verschiedenen Ausführungsbeispielen einer Magnetanordnung 108 in der 2 dargestellt und können vorzugsweise als Permanentmagneten ausgebildet sein.
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Die Magnetanordnung 108 der Vorrichtung 100 kann dabei je nach Einsatzgebiet und Anwendungsbereich der Vorrichtung 100 unterschiedlich ausgeprägt sein. Die 2 zeigt mögliche Ausführungsbeispiele, wie die Magnetanordnung 108 aufgebaut sein kann. Diese werden im Folgenden näher erläutert:
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In der 2a ist eine Magnetanordnung 108 dargestellt, die sich aus einem ersten Magneten 109 und einem zweiten Magneten 110 zusammensetzt. Die beiden Magnete 109, 110 können dabei vorzugsweise um 180° versetzt magnetisiert und diametral zueinander magnetisiert sein, wie in den 2a bis 2e exemplarisch dargestellt. Es wurde herausgefunden, dass die Verwendung von zwei diametral magnetisierten Magneten 109, 110 anstelle von einem einzigen Magneten eine deutliche Verringerung der Messwertumkehrspanne in der (magnetischen) Sensorvorrichtung 102 bewirkt. So hat es sich also als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn zum Beispiel zwei einzelne Magneten 109 und 110 verwendet werden, die jeweils eine Höhe von zum Beispiel 2.5 mm aufweisen, anstelle eines einzige Magneten mit einer Gesamthöhe von 5.0 mm.
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Unter einer magnetischen Sensorvorrichtung 102 ist zu verstehen, dass diese mindestens einen magnetischen Sensor wie zum Beispiel einen magnetoresistiven Sensor, wie einen MR-Sensor, oder einen Hall-Sensor oder eine Kombination aus diesen beiden Sensortypen umfasst.
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Durch die spezielle Anordnung der beiden Magneten 109, 110, die durchaus auch als eine Stapelung dieser diametral magnetisierten und um 180° versetzten magnetisierten Magneten angesehen werden kann, wie beispielhaft in der 2a dargestellt, wird der Effekt erzielt, dass der Verlauf des entstehenden Magnetfeldes, welches durch entsprechende Feldlinien repräsentiert wird, beeinflusst werden kann. Die Verteilung der Feldlinien des entstehenden Magnetfeldes kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 also entsprechend gesteuert werden. Ein möglicher Feldlinienverlauf eines Magnetfeldes ist beispielhaft in der 3 dargestellt. Durch die spezielle Anordnung des ersten Magneten 109 und des zweiten Magneten 110 (siehe 2) werden explizit bestimmte oder definierte Bereiche oder Orte oder Gebiete um die Magnetanordnung 108 herum erzeugt, die eine hohe Konzentration und / oder einen homogenen Verlauf von magnetischen Feldlinien aufweisen. Dadurch wird in einem magnetischen Sensor einer Sensorvorrichtung 102, der vorzugsweise in einem solchen Gebiet angeordnet ist - und wie dies zum Beispiel in der 3 exemplarisch dargestellt ist - eine höhere magnetische Flussdichte erzeugt. Dies führt in dem magnetischen Sensor dazu, dass die Messwertumkehrspanne deutlich verringert wird, was insbesondere durch eine Homogenisierung und / oder Verstärkung des durch die Magnetanordnung 108 erzeugten Magnetfeldes, welches den magnetischen Sensor durchdringt, bewirkt wird. Auf diese Weise wird ein höherer Grad an Messgenauigkeit des magnetischen Sensors erzielt. Die erzielte Genauigkeit des magnetischen Sensors bzw. des magnetischen Drehgebers hängt also in erster Linie von der Ausgestaltung des ihn durchdringenden magnetischen Feldes ab. Ein weiterer Parameter, der die Genauigkeit des magnetischen Sensors beeinflussen kann, ist die Anzahl der in der Sensorvorrichtung 102 verwendeten magnetischen Sensoren.
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Die 2a zeigt weiterhin, dass die einzelnen Magnete 109, 110 der Magnetanordnung 108 verschiedene Magnetisierungsbereiche aufweisen. Unter einem Magnetisierungsbereich eines Magneten ist in diesem Kontext mit Bezug auf die 2a ein polarisierter Bereich eines Magneten zu verstehen, der entweder als Nordpol oder als ein Südpol ausgebildet ist. Der erste Magnet 109 der Magnetanordnung 108 umfasst als einen ersten Magnetisierungsbereich 123, der als Nordpol N ausgebildet ist, und einen zweiten Magnetisierungsbereich 124, der als Südpol S ausgebildet ist. In gleicher Weise umfasst der zweite Magnet 110 der Magnetanordnung 108 einen dritten Magnetisierungsbereich 125, der als Südpol ausgebildet ist, und einen vierten Magnetisierungsbereich 126, der als Nordpol ausgebildet ist. Die diametrale Versetzung des ersten Magneten 109 gegenüber dem zweiten Magneten 110 in der Magnetanordnung 108, bei der also der erste Magnet 109 und der zweite Magnet 110 gestapelt angeordnet sind, bewirkt, dass sich entgegengesetzt polarisierte Magnetisierungsbereiche zwischen dem ersten Magneten 109 und dem zweiten Magneten 110 bei der dargestellten Stapelung der beiden Magneten 109, 110 abwechseln, das heißt, auf einen als Nordpol gekennzeichneter bzw. polarisierter Magnetisierungsbereich des ersten Magneten 109 folgt ein als Südpol gekennzeichneter bzw. polarisierter Magnetisierungsbereich des zweiten Magneten 110. Dies ist durchgehend in den verschiedenen Ausführungsformen einer Magnetanordnung 108 der 2a bis 2e zu entnehmen.
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Durch diese spezielle und oben beschriebene Anordnung des ersten Magneten 109 und des zweiten Magneten 110, also ihrer Stapelung übereinander, wird der Vorteil erzielt, dass die Vorrichtung 100 mit der Magnetanordnung 108 besonders kompakt gestaltet werden kann. Dadurch wird nur sehr wenig Platz beanspruch, wenn die Magnetanordnung 108 zum Beispiel auf einer rotierenden Welle installiert werden soll.
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Die 2b zeigt eine Ausführungsform einer Magnetanordnung 108, welche sich neben dem ersten Magneten 109, dem zweiten Magneten 110 einen zusätzlich dritten Magneten 111 aufweist, der über dem zweiten Magneten 110 gestapelt angeordnet ist. Theoretisch ist die Magnetanordnung 108 nicht auf eine bestimmte Anzahl von einzelnen Magneten, die in der zuvor beschriebenen Weise zueinander angeordnet sind, beschränkt. Die besondere Ausgestaltung bzw. die verwendete Anzahl von einzelnen Magneten hängt immer auch von dem Einsatzzweck der Anordnung und dem zu erreichenden Effekt ab, also, auf welche Weise das durch die Anordnung und Anzahl der verwendeten einzelnen Magneten entstehende Magnetfeld ausgebildet werden soll. Es könnte also durchaus sinnvoll sein, einen vierten oder fünften Magneten in der Magnetanordnung 108 zusätzlich vorzusehen. Der dritte Magnet 111 ist in der 2b gegenüber dem zweiten Magneten 110 um 180° versetzt angeordnet und gegenüber diesem diametral bzw. entgegengesetzt magnetisiert.
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Die 2c zeigt eine Ausführungsform einer Magnetanordnung 108 mit zwei einzelnen Magneten 109 und 110, die sich von der in der 2a gezeigten Ausführungsform insbesondere durch die unterschiedlichen Dimensionen, also in ihrer vertikalen Ausstreckung der einzelnen Magneten 109, 110 in Bezug auf die Drehachse 121 der drehbar gelagerten Aufnahmevorrichtung 120, unterscheidet. In der 2c weist der erste Magnet 109 der Magnetanordnung 108 eine erste Höhe 115 und der zweite Magnet 110 der Magnetanordnung 108 eine zweite Höhe 116 auf. Die erste Höhe 115 des ersten Magneten 109 unterscheidet sich dabei von der zweiten Höhe 116 des zweiten Magneten 110. In der gezeigten Ausführungsform der 2c umfasst die erste Höhe 115 des ersten Magneten 109 also einen kleineren Wert als die zweite Höhe 116 des zweiten Magneten 110.
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Es wäre jedoch auch eine Anordnung denkbar, in der der erste Magnet 109 höher ist als der zweite Magnet 110, sofern dies für den gewählten Einsatzbereich zweckmäßig erscheint (nicht dargestellt). Die erste Höhe 115 des ersten Magneten 109 und die zweite Höhe 116 des zweiten Magneten 110 der Magnetanordnung 108 der 2c erstreckt sich dabei jeweils in axialer Richtung der Drehachse 121 der drehbar gelagerten Aufnahmevorrichtung 120, wie in der 1 und der 2c gezeigt. In einer besonderen Ausführungsform der Magnetanordnung 108 können die erste Höhe 115 des ersten Magneten 109 und die zweite Höhe 116 des zweiten Magneten 110 der Magnetanordnung 108 zueinander in einem Verhältnis von beispielsweise 1:2,5 ausgebildet sein.
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Der Durchmesser, also die Breite der einzelnen Magnete 109, 110 der Magnetanordnung 108 der 2c, die als eine horizontale Erstreckung eines Magneten senkrecht zur virtuellen Drehachse 121 der drehbar gelagerten Aufnahmevorrichtung 120 definiert werden kann, ist in der Ausführungsform der 2c identisch, auch wenn dies nicht zwangsläufig so sein muss. Der erste Magnet 109 und der zweite Magnet 110 der Magnetanordnung 108 weisen also in den gezeigten Ausführungsbeispielen der 2 jeweils einen identischen oder gleichen Durchmesser auf.
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Die 2d zeigt eine weitere Ausführungsform einer Magnetanordnung 108 mit zwei einzelnen Magneten 109 und 110, die sich von der Ausführungsform gemäß der 2a dadurch unterscheidet, dass die beiden Magnete 109, 110 in einem bestimmten Winkel versetzt voneinander angeordnet sind. Damit ist gemeint, dass die einzelnen positiven und negativen Magnetisierungsbereiche der einzelnen Magnete 109 und 110 unterschiedliche Dimensionen aufweisen können. Dies soll im Folgenden näher erläutert werden:
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In der 2d ist beispielhaft eine Magnetanordnung 108 dargestellt, bei der der erste Magnet 109 einen kleineren negativ polarisierten Magnetisierungsbereich 123, der als Nordpol N bezeichnet wird, aufweist als der negativ polarisierte Magnetisierungsbereich 126 des zweiten Magneten 110, der auf dem ersten Magneten 109 gestapelt angeordnet ist. Der positiv polarisierte Magnetisierungsbereich 124 des ersten Magneten 109, der als Südpol S bezeichnet wird, ist hingegen in der Ausführungsform der 2c größer ausgebildet als der positiv polarisierte Magnetisierungsbereich 125 des zweiten Magneten 110. Zudem hat der positiv polarisierte Magnetisierungsbereich 124 des ersten Magneten 109 eine größere Dimension als der negativ polarisierte Magnetisierungsbereich 123 des ersten Magneten 109, wie in der 2d dargestellt. Mit unterschiedlicher Dimension ist in dieser Ausführungsform und in diesem Kontext vor allem die Breite oder auch der Durchmesser der jeweiligen Magnetisierungsbereiche der einzelnen Magnete 109, 110 gemeint, also im Wesentlichen eine horizontale Ausstreckung (x-Achse in der 2d) oder Erstreckung eines entsprechenden Magnetisierungsbereiches senkrecht zur Drehachse 121 der nicht in der 2d dargestellten drehbar gelagerten Aufnahmevorrichtung 120 der Vorrichtung 100. Jedoch wäre es auch möglich, sofern zweckmäßig, eine Magnetanordnung 108 derart zu dimensionieren, deren einzelne Magnetisierungsbereiche der einzelnen Magnete sich nur oder auch zusätzlich in einer vertikalen Ausrichtung (y-Achse in der 2d) in Bezug auf die Drehachse 121, also in ihrer Höhe, voneinander unterscheiden.
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Gemäß der Ausführungsform der 2d umfasst der erste Magnet 109 der Magnetanordnung 108 einen ersten Magnetisierungsbereich 123 und einen zweiten Magnetisierungsbereich 124. Der zweite Magnet 110 der Magnetanordnung 108 umfasst einen dritten Magnetisierungsbereich 125 und einen vierten Magnetisierungsbereich 126. Der erste Magnetisierungsbereich 123 des ersten Magneten 109 und der vierte Magnetisierungsbereich 126 von dem zweiten Magneten 110 weisen dabei gleich polarisierte Magnetisierungsbereiche auf, bezeichnen also jeweils einen als Nordpol polarisierten Magnetisierungsbereich. Der zweite Magnetisierungsbereich 124 des ersten Magneten 109 und der dritte Magnetisierungsbereich 125 des zweiten Magneten 110 sind jeweils als Südpol polarisiert.
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In der 2d wird dann ein Winkel 134 gebildet zwischen einer ersten Axialebene 130 des ersten Magnetisierungsbereiches 123 des ersten Magneten 109 und einer zweiten Axialebene 131 des vierten Magnetisierungsbereichs 126 des zweiten Magneten 110, wobei sich beide Axialebenen 130, 131 jeweils parallel zur Drehachse 121 der nicht in der 2d dargestellten Aufnahmevorrichtung 120 bzw. sich in Richtung der in 2d dargestellten z-Achse erstrecken. Dieser Winkel 134 liegt vorzugsweise in einen Bereich zwischen 0° und 20°.
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Die 2e zeigt eine weitere Ausführungsform einer Magnetanordnung 108 mit zwei einzelnen Magneten 109 und 110, welche sich von den Ausführungsformen der 2a bis 2e insbesondere durch die Form der einzelnen Magneten 109, 110 unterscheidet. In der 2e sind die beiden Magnete 109, 110 quaderförmig oder eckig ausgeformt. Die Ausführungsformen der einzelnen Magneten 109, 110 gemäß der 2a bis 2d weisen hingegen rund ausgeprägte Körperformen auf, die kreisförmig oder elliptisch verlaufen können. Je nach Einsatzbereich kann also die Form der einzelnen Magneten 109, 110 entsprechend angepasst werden und hat ebenso einen Einfluss auf die Ausprägung des durch die beiden Magnete erzeugten Magnetfeldes. Andere Formen der einzelnen Magnete 109, 110 wären denkbar, also zum Beispiel vieleckige Formen der einzelnen Magnete. Die Ausführungsform der 2b könnte anstelle von drei einzelnen Magneten mit rundem Durchmesser bzw. einer runden Grundform aus drei Magneten bestehen, die jeweils eine eckige oder quaderförmige Grundform oder einen quaderförmigen Grundkörper aufweisen.
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In einer weiteren, jedoch nicht in der 2 dargestellten Ausführungsform einer Magnetanordnung 108 kann vorgesehen sein, dass durch die einzelnen Magnete 109, 110 jeweils mindestens eine oder eine gemeinsame Bohrung oder ein Bohrloch verläuft. Diese Bohrung kann vollständig durch die gesamte Magnetanordnung 108 verlaufen oder auch nur teilweise, was bedeuten kann, dass die Bohrung nur innerhalb eines definierten und abgrenzten Bereiches des ersten oder des zweiten Magneten verläuft. Die Ausrichtung eines derartigen Bohrloches kann im Bezug zur Drehachse 121 der drehbar gelagerten Aufnahmevorrichtung 120 entweder horizontal oder vertikal ausgeprägt sein. Durch eine Bohrung in der Magnetanordnung könnten konstruktive Vorteile wie etwa bei der Installation der Magnetanordnung 108 zum Beispiel auf einer drehbaren Welle erzielt werden.
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Die 3 zeigt eine schematische Abbildung von magnetischen Feldlinien eines Magnetfeldes, welches durch eine Magnetanordnung 108 gemäß einer Ausführungsform nach 2a erzeugt wird. In bestimmten Bereichen oder Gebieten, in denen die Feldlinien des Magnetfeldes hochkonzentriert, also gebündelt angeordnet sind und damit eine hohe Dichte und oder ein homogeneres Magnetfeld aufweisen sind einzelne Sensoren 104, 106 angeordnet, die Bestandteil von einer Sensorvorrichtung 102 gemäß 1 sein können.
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Durch eine derartige Platzierung der einzelnen Sensoren kann eine möglichst optimale Durchdringung dieser Sensoren durch die Magnetfeldlinien erreicht werden, um einen möglichst hohen Grad an Messgenauigkeit sicherzustellen, zum Beispiel bei einer Drehzahlerkennung oder wenn eine Winkelposition eines sich drehenden Teils, wie etwa einer Welle, aufgenommen werden soll. Die Sensoren 104, 106 können jeweils als magnetische Sensoren ausgebildet sein. Insbesondere können die Sensoren 106 als Hall-Sensoren ausgebildet sein. Der Sensor 104 kann aber auch als ein magnetoresistiver Sensor ausgebildet sein. Ebenso wäre die Verwendung eines Kreuzhallsensors denkbar. Die Sensorvorrichtung 102 kann dabei neben einer Anzahl von verschiedenen oder gleichartigen (magnetischen) Sensoren 104, 106 eine Leiterplatte 103 umfassen, auf der diese Sensoren installiert sind. Eine derartige Leiterplatte ist exemplarisch in der 1 dargestellt.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 100 mit einer Magnetanordnung 108 gemäß der 2a und einer insbesondere magnetisch ausgebildeten Sensorvorrichtung 102. Die Magnetanordnung 108 kann ausgebildet sein, um ein Magnetfeld in einer Art zu erzeugen, wie es exemplarisch in der 3 dargestellt ist. Die Sensorvorrichtung 102 der 4 umfasst vier Sensoren 106 und kann zum Beispiel als eine sogenannte Kreuzhall-Sensorvorrichtung ausgebildet sein. Die Sensorvorrichtung 102 ist vorzugsweise in einem Bereich oder in einem Gebiet des Magnetfeldes gemäß der 3 angeordnet, in welchem sich eine hochkonzentrierte Dichte von Magnetfeldlinien des Magnetfeldes zur Erzeugung eines möglichst homogenen Magnetfeldes mit einer besonders hohen magnetischen Flussdichte befindet. Alternativ können die Sensoren 104 und / oder 106 auch in einem Bereich von parallel zueinander verlaufenden Feldlinien angeordnet sein (nicht dargestellt).
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Eine derartige dichte Anordnung von Magnetfeldlinien des erzeugten Magnetfeldes wird beispielsweise an einer sogenannten und nicht in der 4 näher dargestellten Austrittsebene der Magnetanordnung 108 erzeugt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Sensorvorrichtung 102 von einem homogenen und / oder starken Magnetfeld durchdrungen wird, was, wie bereits eingangs erläutert, eine Voraussetzung darstellt, um die Messwertumkehrspanne der Sensorvorrichtung 102, also den an sich unerwünschten negativen Effekt bei einer Drehrichtungsänderung eines rotierenden Bauteils, möglichst klein zu halten. Die Sensorvorrichtung 102 der 4 kann jedoch auch aus vier Hall-Sensoren bestehen oder aus einer geeigneten Kombination von Hall-Sensoren und MR-Sensoren.
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In besonderem Maße zeigt die 3 außerdem, dass das durch die Magnetanordnung 108 entstehenden Magnetfeld im Wesentlichen symmetrisch ausgeprägt ist. Diese Symmetrie führt auf vorteilhafte Weise zu mehreren Gebieten, in denen eine besonders hohe Konzentration an Magnetfeldlinien herrscht. In diesen Gebieten können dann die entsprechenden (magnetischen) Sensoren angeordnet werden, damit diese von einem möglichst homogen ausgeprägten Magnetfeld durchdrungen werden, um auf diese Weise eine hohe Genauigkeit und zugleich einen geringen Hysterese-Fehler bei der Messwertaufnahme zur Bestimmung von zum Beispiel einer Winkelposition einer rotierenden Welle zu erzielen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010010239 B4 [0004]
- DE 202007006955 U1 [0004]
- EP 1243891 [0004]
