DE102016100899B4

DE102016100899B4 - Drehgeber mit abgeschirmtem Magneten

Info

Publication number: DE102016100899B4
Application number: DE102016100899.0A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2022-06-15
Anticipated expiration: 2036-01-21
Also published as: US11410808B2; US20210110954A1; DE102016100899A1; US9892836B2; US20160217894A1; US20180144854A1; US10950377B2

Abstract

Magnetanordnung zur Verwendung in einem Drehgeber, wobei die Anordnung aufweist:eine Permanentmagnetanordnung, die zumindest einen ersten Permanentmagneten (IIa) und einen zweiten Permanentmagneten (11b) aufweist, die axial voneinander beabstandet und bezüglich einer Drehachse drehbar sind; undeine weichmagnetische Hülse (10'), die die Drehachse und damit die Permanentmagnetanordnung zur Abschirmung gegenüber externen Magnetfeldern umgibt;wobei der erste und der zweite Permanentmagnet (11a, 11b) eine Durchgangsöffnung aufweisen, die sich entlang der Drehachse erstreckt, so dass sich die Permanentmagneten (11a, 11b) vollständig um die Drehachse herum erstrecken;wobei die Permanentmagnetanordnung einen zweiteiligen Abstandhalter (12) aufweist, der zwischen dem ersten Permanentmagnet (IIa) und dem zweiten Permanentmagnet (11b) angeordnet ist, undwobei ein erster Teil des Abstandshalters (12) an dem ersten Permanentmagnet (11a) angebracht ist, und ein zweiter Teil des Abstandshalters (12) an dem zweiten Permanentmagnet (11b) angebracht ist, wobei der erste und zweite Teil des Abstandhalters (12) einander ergänzen, so dass sie die relative Winkelposition des ersten und zweiten Permanentmagneten bestimmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Drehgebern, die Magnetfeldsensoren zur Detektion der Winkelposition oder -geschwindigkeit einer rotierenden Welle verwenden. Eine Vorrichtung zur Messung einer Winkelposition ist beispielsweise in der Publikation US 6 356 073 B1 beschrieben. Die Winkelmessung erfolgt magnetisch mit einem Hallsensor, wobei der Rotor so gestaltet ist, dass der Fluss auf den Hallsensor konzentriert wird. Die lokale Feldstärke an der Position des Hallsensors erlaubt einen Rückschluss auf die Winkelstellung des Rotors. Die Publikationen US 5 789 917 A und US 2005 / 0 068 024 A1 beschreiben ähnliche Anordnungen zur Messung der Winkelposition eines Rotors. Die Publikation US 8 552 714 B2 beschreibt eine Anordnung zur Winkelmessung, bei der zwei Scheiben mit einer Welle rotieren und ein Hallsensor im Luftspalt zwischen den Scheiben angeordnet ist, wobei die magnetisch wirksame Luftspaltlänge an der Position des Hallsensors von der Winkelstellung der Welle abhängt. Darüber hinaus wird auf die Publikationen US 8 829 894 B2 und DE 10 2006 020 700 A1 verwiesen.
Beim Betrieb in rauen Umgebungen ist es übliche Praxis, Winkelsensoren basierend auf magnetischen Prinzipien einzusetzen. Sie decken einen großen Temperaturbereich von 50 Grad bis 170 Grad Celsius ab, zeigen praktisch keinen Verschleiß, und sind robust gegen viele Arten von Kontaminationen. Automotive-Anwendungen reichen von kleinen Winkelauslenkungen von einigen wenigen (Winkel-)-Graden (wie z.B. bei der Drehmomentmessung verwendet) zu mittleren Winkelausschlägen von 30 bis 120 Grad (wie z.B. bei der Fahrlichtanpassung oder Drosselklappenpositionierung verwendet) bis zur vollständigen 360-Grad-Detektion bei der Motorpositionserkennung und sogar zu der Detektion von Mehrfach-Umdrehungen für Steuerräder. Insbesondere für Winkelbereiche, die 180 Grad überschreiten, verwenden die am meisten üblichen Systeme einen kleinen Permanentmagneten, der an der Endfläche der rotierenden Welle angebracht ist. Die Magnetisierung ist üblicherweise senkrecht zur Drehachse, was somit zu einem magnetischen Feld führt, das somit hauptsächlich senkrecht zu dieser Achse verläuft. Ein Magnetfeldsensor wird vor dem Magneten platziert. Wenn die Achse rotiert, rotiert auch das Magnetfeld, und die Rotation kann durch den Magnetfeldsensor detektiert werden.
Bei praktischen Implementierungen kann das Magnetfeld, das von dem in dem Drehgeber verwendeten Permanentmagneten erzeugt wird, durch unerwünschte externe Magnetfelder verzerrt werden. Mit Gegenmaßnahmen führt eine derartige Verzerrung zu einer verschlechterten Messung der Winkelposition oder -geschwindigkeit der Welle. Deshalb besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Drehgeber bereitzustellen, die eine verringerte Empfindlichkeit im Hinblick auf externe Magnetfelder zeigen, um die Genauigkeit des Gebers zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die magnetische Anordnung gemäß Anspruch 1 und den Drehgeber gemäß Anspruch 16 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche abgedeckt.
Beispielhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung betreffen eine magnetische Anordnung zur Verwendung in einem Drehgeber. Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung weist die Anordnung eine Permanentmagnetanordnung auf, die zumindest einen Permanentmagneten aufweist, der bezüglich einer Drehachse drehbar ist, und eine weichmagnetische Hülse, die die Drehachse und damit die Permanentmagnetanordnung zur Abschirmung gegen externe Magnetfelder umgibt. Der zumindest eine Permanentmagnet weist eine Durchgangsöffnung auf, die sich entlang der Drehachse erstreckt, so dass sich der Permanentmagnet vollständig um die Drehachse herum erstreckt.
Weitere beispielhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung betreffen einen Drehgeber. Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung weist der Drehgeber eine Permanentmagnetanordnung auf, die zumindest einen Permanentmagneten aufweist, der in Bezug auf eine Drehachse drehbar ist und eine Durchgangsöffnung aufweist, die sich entlang der Drehachse erstreckt, so dass sich der Permanentmagnet vollständig um die Drehachse herum erstreckt. Eine weichmagnetische Hülse umgibt die Drehachse und damit die Permanentmagnetanordnung zur Abschirmung gegenüber externen magnetischen Feldern, und ein Magnetfeldsensor befindet sich innerhalb des Durchgangslochs auf der Drehachse.
Die Offenbarung ist unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen und Beschreibungen besser zu verstehen. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich; stattdessen wird Wert darauf gelegt, die Prinzipien der Offenbarung zu veranschaulichen. Weiterhin bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Drehgebers, der einen an einer rotierenden Welle angebrachten Permanentmagneten und einen Magnetfeldsensor aufweist;
2 ist eine schematische Darstellung eines Drehgebers, der eine ferromagnetische Abschirmung aufweist, um den Magnetfeldsensor gegenüber externen Magnetfeldern abzuschirmen;
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines abgeschirmten Drehgebers, bei dem der Magnetfeldsensor in der magnetischen Mitte des Permanentmagneten platziert ist;
4 zeigt ein weiteres, zweites Ausführungsbeispiel eines abgeschirmten Drehgebers, bei dem die ferromagnetische Abschirmung durch die rotierende Welle selbst gebildet ist;
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines abgeschirmten Drehgebers, bei dem die ferromagnetische Abschirmung auf der rotierenden Welle angebracht ist;
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel ähnlich dem Ausführungsbeispiel gemäß 5, wobei die Vorderseite der Welle, die dem Permanentmagneten zugewandt ist, einen Hohlraum aufweist;
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel ähnlich dem Ausführungsbeispiel gemäß 5, wobei die ferromagnetische Abschirmung einen einwärts gebogenen Kragen aufweist, der an eine Vorderseite des Permanentmagneten angrenzt;
8 zeigt ein weiteres, zweites Ausführungsbeispiel eines abgeschirmten Drehgebers ähnlich dem Ausführungsbeispiel gemäß 7, wobei der Permanentmagnet durch eine Anordnung ersetzt ist, die zwei axial beabstandete Permanentmagnete aufweist; und
9 zeigt eine Explosionsdarstellung und die Anordnung des Drehgebers gemäß 8, wobei ein gespaltener, ringförmiger Abstandhalter zwischen zwei Permanentmagneten angeordnet ist.

Drehgeber wie beispielsweise der in 1 gezeigte magnetische Winkelsensor können dazu verwendet werden, die Winkelposition oder -geschwindigkeit einer rotierenden Welle 10 zu messen. Allgemein enthalten derartige Drehgeber zumindest einen Permanentmagneten 11, der an der rotierenden Welle 10 angebracht ist, und einen Magnetfeldsensor, der an einem Stator (in 1 nicht gezeigt) angebracht ist. Bei dem vorliegenden Beispiel ist der Magnetfeldsensor aus mehreren Sensorelementen 21 zusammen gesetzt, die in einem Siliziumchip 20 integriert sind, der auch als Magnetfeldsensorchip bezeichnet wird. Allerdings versteht es sich, dass das konkrete Material des Substrats beliebig ist; es kann sich um ein anderes Halbleitermaterial wie z.B. GaAs handeln, oder es kann sich sogar um ein Glas- oder Keramiksubstrat handeln, das die Sensorelemente hält. Außerdem kann es in einigen Fällen nützlich sein, auf unterschiedliche Substrate verteilte Sensorelemente einzusetzen, die jedoch in demselben Sensorgehäuse (auch als Mehrfach-Chipgehäuse bezeichnet) angeordnet sind. Der Magnetfeldsensorchip 20 ist dazu ausgebildet, das Magnetfeld (insbesondere dessen Orientierung) des Permanentmagneten 11 zu messen, der mit der Welle 10 rotiert. Insbesondere kann es sich bei den Sensorelementen 21 um Hall-Effekt-Sensorelemente (Hall-Platten), MAG-FETs oder magnetoresistive (MR) Sensorelemente (Dünnfilmsensorelemente) handeln. Das von dem Sensorchip 20 „gesehene“ Magnetfeld hängt hauptsächlich von der remanenten Magnetisierung des Permanentmagneten 11 und Störungen externer Magnetfelder ab.
Für die weitere Diskussion wird ein kartesisches Koordinatensystem verwendet, in dem die z-Achse ohne Beschränkung der Allgemeinheit durch die Drehachse der Welle 10 (und des Magneten 11) festgelegt ist; die x-Achse und die y-Achse definieren die Ebene (d.h. die xy-Ebene), in der die Sensorelemente 21 des Magnetfeldsensorchips 20 angeordnet sind. In anderen Worten ist der Magnetfeldsensorchip 20 dazu ausgebildet, zwei orthogonale Komponenten H_x und H_y des Magnetfelds H zu messen. Das heißt, es wird davon ausgegangen, dass das Magnetfeld H ein Vektor in der xy-Ebene ist (H = [H_x, H_y]); jede Feldkomponente H_z parallel zur Drehachse (z-Achse) wird an der Drehachse, wo sich der Sensorchip befindet, als vernachlässigbar oder konstant (d.h. als nicht von der Winkelposition der Welle 10 abhängig) angenommen. Die (in Bezug auf die Richtung der x-Achse) zu messende Winkelposition φ kann dann wie folgt bestimmt werden: tan(φ) = H_y/H_x. Bei verschiedenen Anordnungen können die Magnetfeldsensoren von der z-Achse (Drehachse) beabstandet platziert sein und die Feldkomponente H_z messen, um eine Information über die Winkelposition des Permanentmagneten zu erhalten.
Wie oben beschrieben misst der Magnetfeldsensorchip das an der Position des Sensorchips 20 (d.h. an den Raumkoordinaten [0,0,0]) vorliegende Magnetfeld H, wobei das effektive Magnetfeld H eine Überlagerung des von dem Permanentmagneten 11 verursachten Magnetfelds und (unerwünschten) externen Magnetfeldern ist, die das gewünschte Magnetfeld des Permanentmagneten 11 verzerren. Um den Einfluss der störenden externen Magnetfelder zu eliminieren oder zumindest zu verringern, kann der Sensorchip 20 magnetisch abgeschirmt werden, indem der Sensor im Inneren einer hohlen Welle platziert wird, die aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist und deshalb als Abschirmung gegen externe Magnetfelder wirkt. Bei der beispielhaften Ausgestaltung gemäß 2 besitzt die hohle Welle eine Form ähnlich eines Rohrs oder einer zylindrischen Hülse. Das heißt, die hohle Welle 10' besitzt ein zylindrisches Loch, das sich entlang der Drehachse erstreckt und einen Hohlraum im Inneren der hohlen Welle 10' bildet. Allerdings erstreckt sich das Loch nicht notwendigerweise durch die gesamte Welle. Um eine ausreichende Abschirmung zu erreichen, kann das ferromagnetische Material eine relative magnetische Permeabilität von z.B. 500 oder höher aufweisen. Um eine Verwechslung zwischen der Rotationswelle 10 und der hohlen Welle 10' zu vermeiden, wird bei der nachfolgenden Diskussion der Ausdruck Hülse verwendet, um die hohle Welle zu bezeichnen. Bei der Hülse 10' kann es sich um ein integrales Teil der rotierenden Welle 10 (siehe 1) handeln, oder sie kann an dieser mechanisch befestigt sein. Im ersten Fall kann die Hülse 10' z.B. dadurch erzeugt werden, dass ein Loch in die Vorderseite der Welle 10 entlang der Drehachse der Welle 10 gebohrt wird. Im zweiten Fall kann die Hülse 10' an der Welle 10 befestigt werden, beispielsweise unter Verwendung einer Presspassung oder eines Schraubgewindes. Des Weiteren kann die Hülse 10' an die Welle 10 geklebt werden.
Die Hülse 10' (ebenso die in ihr befindliche Öffnung) ist in Bezug auf die Drehachse (z-Achse) axialsymmetrisch. Der Permanentmagnet 11 ist, ebenso wie der Sensorchip 20, auf der Drehachse platziert, um eine axialsymmetrische Anordnung zu bilden. Anderenfalls würde die Hülse 10' das Magnetfeld des Permanentmagneten 11 asymmetrisch verzerren. Wie oben erwähnt kann der Magnet 11 an der Welle 10 angebracht sein, so dass beide eine gemeinsame Winkelbewegung ausführen können. Aufgrund des Fehlens jeglicher Relativbewegung zwischen Magnet 11 und Welle 10 werden Wirbelströme (und hieraus resultierende Magnetfeldkomponenten) in der Welle vermieden. Allerdings kann es bei einigen Anwendungen nützlich sein, die Hülse 10' an dem Stator anzubringen und die negative Auswirkung von Wirbelströmen hinzunehmen.
Wie bei dem allgemeinen Beispiel gemäß 1 ist der in 2 gezeigte Magnetfeldsensor an einem Stator angebracht, der bezüglich der Drehachse keine Winkelbewegung ausführt. Die Hülse 10' ist (in einer axialen (z-)-Richtung) ausreichend lang, so dass der Permanentmagnet 11 und der Sensorchip 20 vollständig im Inneren der Hülle (d.h. in dem Hohlraum, der durch das Bohrloch der Hülse gebildet ist) untergebracht zu werden. Allgemein hängt die Stärke des Magnetfelds H, das von einem (z.B. in y-Richtung) diametral magnetisierten Permanentmagneten mit zylindrischer Form und ohne ein zentrales Bohrloch hervorgerufen wird, von seiner Größe ab. Wenn die Breite (in x- oder y-Richtung) des Magneten 11 so groß ist wie der Innendurchmesser der Hülse 10', würde die Hülse 10' einen magnetischen Kurzschluss für das Magnetfeld H des Permanentmagneten 11 bilden, so dass die resultierenden Feldstärken an der Stelle des Sensorchips 20 nahezu Null wären. Wenn die Breite der Permanentmagneten 11 im Vergleich zum Innendurchmesser der Hülse 10' klein ist, sind die resultierenden Feldstärken an der Stelle des Sensorchips 20 ebenfalls klein. Des Weiteren würde ein kleiner Magnet ein ziemlich inhomogenes Magnetfeld erzeugen, das zu Messfehlern führen würde. Demgemäß sollte eine mittlere Breite (z.B. zwischen 30 und 70 Prozent des Innendurchmessers der Hülse 10') des Permanentmagneten 11 als optimale Größe gewählt werden. Bei einem praktischen Beispiel wurde die Breite des Permanentmagneten so gewählt, dass sie 5 mm für eine Hülse mit einem Innendurchmesser mit 12 mm betrug. Allerdings ist die Homogenität des Magnetfelds an den Sensorelementen umso besser, je größer der Permanentmagnet ist, und dies verringert Winkelfehler, die durch ungenaue Platzierung des Magneten 11 und des Sensorchips 20 aufgrund unvermeidbarer Herstellungstoleranzen verursacht werden. Wenn Permanentmagnete mit einer sehr starken permanenten Magnetisierung (z.B. Neodymmagnete mit einer remanenten Magnetisierung von 1 Tesla) verwendet werden, kann die Breite des Magneten 11 zwischen 70 und 90 Prozent des Innendurchmessers der Hülse 10' gewählt werden (z.B. eine Breite von 10 mm für einen Innendurchmesser von 12 mm), um den Einfluss von Herstellungstoleranzen zu verringern, um immer noch ausreichend hohe Felder an den Sensorelementen zu erhalten.
3 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung eines Drehgebers, der aus einer magnetischen Anordnung (z.B. dem Permanentmagneten 11 und der Hülse 10' bei dem Beispiel gemäß 3) und einem Magnetfeldsensor (Sensorchip 20) zusammengesetzt ist, in der magnetischen Mitte des Permanentmagneten platziert ist. Die Magnetanordnung ist mechanisch mit der rotierenden Welle gekoppelt, deren Winkelposition oder -geschwindigkeit zu messen ist. Bei den meisten praktischen Implementierungen ist die magnetische Mitte identisch mit der geometrischen Mitte des Permanentmagneten 11. Wenn der Permanentmagnet aus einem homogenen Material besteht, ist die geometrische Mitte auch identisch mit dem Schwerpunkt des Permanentmagneten (manchmal als Massenmittelpunkt bezeichnet). Nachfolgend wird der Ausdruck Schwerpunkt verwendet, wobei es in den meisten praktischen Fällen kein Unterschied zwischen dem magnetischen Schwerpunkt, dem geometrischen Schwerpunkt des (der) Permanentmagneten und dessen (deren) Schwerpunkt(en) besteht.
Infolgedessen wird der Sensorchip 20 im Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems platziert, bei dem eine Achse (bei dem vorliegenden Beispiel gemäß 3 die z-Achse) die Drehachse der Magnetanordnung ist, und die beiden anderen Achsen (z.B. die x-Achse und die y-Achse) eine Symmetrieebene R des Permanentmagneten 11 festlegen. In diesem Koordinatensystem hat der Schwerpunkt die Koordinaten (0, 0, 0). Um einen Zugang zum Schwerpunkt O der Magnetanordnung vorzusehen, weist der Permanentmagnet 11 eine Durchgangsöffnung auf, die sich entlang der Drehachse erstreckt und einen Hohlraum bildet, in dem der Sensorchip 20 untergebracht werden kann. In anderen Worten erstreckt sich der Permanentmagnet (den Hohlraum umgebend) vollständig um die Drehachse herum. Bei dem vorliegenden Beispiel weist der Permanentmagnet 11 die geometrische Form eines Hohlzylinders (vergleichbar mit der Hülse 10') auf. Allerdings sind andere Geometrien, die eine Durchgangsöffnung entlang der Drehachse aufweisen, ebenso verwendbar. Die Magnetisierung M des Permanentmagneten ist (wie bei dem vorangehenden Beispiel) in der lateralen (d.h. diametralen) Richtung z.B. in der Richtung der y-Achse festgelegt. Die Orientierung der Magnetisierung des Permanentmagneten 11 rotiert mit der Welle 10 (in 3 nicht gezeigt).
Der Sensorchip 20 ist, wie in 3 gezeigt, auf der Drehachse in der Mitte des (zylindrischen) Permanentmagneten 11 platziert. Allerdings muss wegen der hohen magnetischen Permeabilität der Hülse 10' nicht zwingend sichergestellt werden, dass die Hülse 10' (welche für den permanenten Magneten 11 auch als Flussführung (magnetischer Rückschluss; engl.: „back iron“) dient) bezüglich der Symmetrieebene R ebenfalls symmetrisch angeordnet ist. Dies trifft so lange zu, solange die Symmetrie der magnetischen Feldlinien des Permanentmagneten 11 durch eine asymmetrische Platzierung der Hülse 10' nicht signifikant verschlechtert wird.
Untersuchungen haben gezeigt, dass sogar vergleichsweise schwache Permanentmagnete, die beispielsweise aus hartem Ferrit hergestellt sind mit einer remanenten Magnetisierung von 0,22 Tesla, einen ausreichend hohen magnetischen Fluss von z.B. 40 Millitesla am Schwerpunkt O erzeugen können. Allgemein handelt es sich bei dem magnetischen Schwerpunkt, in dem der Sensorchip 20 platziert wird, um eine Stelle mit einer hohen Symmetrie im Hinblick auf das Magnetfeld, und deshalb ist die Empfindlichkeit des Drehgebers im Hinblick auf unvermeidliche Herstellungstoleranzen gering.
4 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drehgebers. 4 ist im Wesentlichen identisch mit 3 mit der Ausnahme, dass die Welle 10 und die Hülse 10' ein integrales Bauteil darstellen und die Hülse oder die Welle keine Durchgangsöffnung aufweist. Entsprechend wird die Hülse 10' durch die Erzeugung eines Hohlraums 15 in der Welle 10 erzeugt, beispielsweise durch Bohren eines Lochs (Sackloch) in eine Vorderseite der Welle 10 entlang der Drehachse. Alternativ kann die gesamte Welle hohl sein (z.B. ist in der Welle 10 entlang ihrer Drehachse eine Durchgangsöffnung ausgebildet); in diesem Fall wird die Hülse 10' durch einen Endabschnitt der Welle 10 gebildet. Der Permanentmagnet 11, der ebenfalls die Form eines Hohlzylinders aufweist, kann in der Hülse 10' installiert sein, beispielsweise durch Kleben, durch Verwendung einer Press- oder anderer Verbindungstechniken. Bei einer praktischen Implementierung beträgt der Innendurchmesser D der Hülse 10' (d.h. bei dem Beispiel gemäß 4 der Innendurchmesser des in der Welle 10 gebildeten Hohlraums 15) 12 mm. Der Außendurchmesser des Permanentmagneten 11 ist deshalb ebenfalls näherungsweise 12 mm, während seine axiale Länge L₁ 10 mm beträgt, und sein Innendurchmesser D₁ ebenfalls 10 mm beträgt. Die Auswahl eines magnetischen Materials mit einer remanenten Magnetisierung von 350 mT führt zu einem magnetischen Fluss von 40 mT am Schwerpunkt O der Anordnung.
Aufgrund der hohen Symmetrie des Magnetfelds im Schwerpunkt O, wo sich der Sensorchip 20 befindet, sind die Messfehler für gegebene Herstellungs- und Montagetoleranzen vergleichsweise gering. Zusätzlich kann ein nichtmagnetischer Abstandhalter in das Sackloch (Hohlraum 15) eingesetzt werden, bevor der Permanentmagnet eingesetzt wird. Ein derartiger Abstandhalter kann verwendet werden, um die korrekte und beabsichtigte axiale Position des Permanentmagneten zu gewährleisten. Ein derartiger Abstandhalter kann einen Außendurchmesser nahe dem Durchmesser des Sacklochs mit einigen Kanälen an seiner äußeren Oberfläche entlang der axialen Richtung aufweisen. Dies kann eingesetzt werden, um das Auftragen eines Klebers zu vereinfachen, mit dem der Abstandhalter und/oder die Magneten an der Hülse befestigt werden: Wenn eine wohldefinierte Länge an Kleber auf das Ende des Stiftlochs aufgebracht und als nächstes der Abstandhalter eingesetzt wird, quetscht der Abstandhalter den Kleber durch seine Kanäle nach oben, so dass er dessen obere Oberfläche erreicht, wo er die untere Oberfläche des ringförmigen Permanentmagneten erreicht und dabei sowohl den Permanentmagneten als auch den Abstandhalter im Inneren des Sacklochs fixiert.
Bei Wellen 10 mit vergleichsweise kleinem Durchmesser kann der Innendurchmesser D₁ des Permanentmagneten zu klein sein, um einen Sensorchip aufzunehmen. In derartigen Fällen kann es sich bei der Hülse 10' und der Welle 10 um separate Komponenten handeln (siehe die 5 bis 8), wobei die Hülse 10' über die Welle 10 geschoben und, z.B. unter Verwendung einer Einpress- oder anderer geeigneter Verbindungstechniken, mechanisch gekoppelt wird. Bei dem in 5 gezeigten Beispiel besitzt der Permanentmagnet 11 die Form eines Hohlzylinders und ist wie bei dem vorherigen Beispiel gemäß 4 in die Hülse 10' eingesetzt. Der Innendurchmesser D der Hülse 10' und der Außendurchmesser des Permanentmagneten 11 sind näherungsweise gleich, so dass sie, abhängig davon, welche Verbindungstechnik verwendet wird, eine Presspassung, eine Übergangspassung oder eine Spielpassung zu bilden. Bei dem Beispiel gemäß 5 ist die Hülse 10' derart über die Welle 10 geschoben, dass eine Vorderseite des Permanentmagneten 11 an eine korrespondierende Vorderseite der Welle 10 angrenzt. Das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel ist speziell für Anwendungen geeignet, bei denen die Welle 10 aus einem nicht-magnetischen Material oder einem Material mit einer relativ geringen relativen magnetischen Permeabilität (nahe bei 1) besteht. Allerdings wird bei Anwendungen, bei denen die Welle 10 aus einem weichmagnetischen Stahl (wie beispielsweise Strukturstahl) besteht, das Magnetfeld des Permanentmagneten 11 aufgrund der unmittelbaren Nähe zwischen dem Permanentmagneten 11 und der Welle 10 verzerrt. Infolge einer derartigen Verzerrung fällt der magnetische Schwerpunkt nicht mehr mit dem geometrischen Schwerpunkt des Permanentmagneten 11 und der Position des Sensorchips 20 zusammen.
Um die Drehgeberanordnung für magnetische Wellen weiter zu optimieren, wird die Ausgestaltung gemäß 5 geringfügig modifiziert (siehe 6). Demgemäß ist in der Vorderseite der Welle 10 ein Hohlraum 15 derart ausgebildet, dass der Hohlraum 15 an den Permanentmagneten 11 anstelle wie bei dem vorherigen Beispiel an die massive Welle angrenzt. Der Hohlraum 15 kann dadurch erzeugt werden, dass eine Öffnung in die Vorderseite der Welle 10 entlang der Drehachse gebohrt wird, so dass nur ein kleiner Teil an Stahl (d.h. die Wand des Hohlraums 15) entlang des Umfangs der Welle 10 verbleibt. Bei dem vorliegenden Beispiel ist der Durchmesser D₁ des Hohlraum 15 größer als der Innendurchmesser D₂ des Permanentmagneten 11, was zu einem vergleichsweise dünnwandigen Ende der Welle führt, was schwierig herzustellen sein kann. Um die Herstellung zu vereinfachen, kann der in der Welle erzeugte Hohlraum einen Innendurchmesser aufweisen, der gleich oder kleiner ist als der Innendurchmesser des Permanentmagneten. Allerdings ist der vorteilhafte Effekt des Hohlraums auf das Magnetfeld am Schwerpunkt des Permanentmagneten (d.h. an der Position des Sensorchips 20) umso kleiner, je kleiner der Durchmesser des Hohlraums ist. Ein Hohlraum mit großem Durchmesser führt zu einer Stelle (im geometrischen Schwerpunkt des Permanentmagneten) mit guter magnetischer Symmetrie auf der Drehachse.
Die axiale Abmessung L des Hohlraums 15 sollte vorzugsweise zumindest so groß sein wie die Hälfte des Durchmessers D₁ des Hohlraums. Darum gilt hier die Regel, dass eine geringe axiale Erstreckung des Hohlraums zu einer vergleichsweise geringen vorteilhaften Auswirkung des Hohlraums auf die Symmetrie des Magnetfelds am Schwerpunkt des Permanentmagneten führt. Allerdings führt bei einer axialen Erstreckung, die größer ist, als das 2-fache des Durchmessers D₁, eine weitere Erhöhung der axialen Ausdehnung nicht zu signifikanten Verbesserungen der Symmetrie des Magnetfelds. Weiterhin kann der Hohlraum auch eine konische Form, vorzugsweise mit einem Öffnungswinkel von kleiner oder gleich 120°, aufweisen. Abgesehen von dem Hohlraum 15 ist das Ausführungsbeispiel gemäß 6 identisch mit dem vorangehenden Ausführungsbeispiel gemäß 5.
Abhängig von der jeweiligen Anwendung können weitere Verbesserungen dadurch erreicht werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß 6, wie in 7 gezeigt, modifiziert wird. Das Beispiel gemäß 7 ist im Wesentlichen dasselbe wie das vorangehende Beispiel gemäß 6. Allerdings ist die axiale Länge L des Hohlraums 15 größer als der Außendurchmesser D des Permanentmagneten 11. Außerdem besitzt das äußere Ende der Hülse 10' (d.h. das Ende der Hülse 10', das nicht an die Welle angrenzt) einen einwärts gebogenen Kragen 16, der beispielsweise unter Verwendung eines Crimpwerkzeugs hergestellt werden kann. Im Ergebnis befindet sich eine Vorderseite des Permanentmagneten 11 nahe bei (oder grenzt direkt an) eine Rückseite des Kragens 16 der weichmagnetischen Hülse 10' an, der, ähnlich wie die Welle 10, als Flussführung (magnetischer Rückschluss; engl.: „back iron“) wirkt. Auf ähnliche Weise grenzt die Welle 10 an die entgegengesetzte Vorderseite des Permanentmagneten 11 an. Um eine hohe Symmetrie der Anordnung sicherzustellen, kann der Innendurchmesser des Hohlraums 15 gleich dem Innendurchmesser des einwärts gebogenen Kragens 16 sein.
Das Beispiel gemäß 8 veranschaulicht eine kleinere Modifikation des vorangehenden Beispiels gemäß 7. Abweichend von 7 ist der Permanentmagnet 11 jedoch ersetzt durch eine Anordnung aus zwei Permanentmagneten 11a und 11b, die durch einen Abstandhalter 12 beabstandet sind. Beide Permanentmagnete 11a und 11b besitzen dieselbe Form wie die Permanentmagneten 11 der vorangehenden Beispiele, d.h. die Form eines Hohlzylinders. Um eine symmetrische Anordnung sicher zu stellen, besitzen die Permanentmagnete 11a und 11b identische Größen, und der Sensorchip 20 ist im Schwerpunkt platziert, welcher sich auf der Drehachse zwischen dem Permanentmagneten 11a und dem Permanentmagneten 11b befindet. Bei diesem Beispiel ist der magnetische Schwerpunkt derselbe wie der geometrische Schwerpunkt der Permanentmagnetanordnung, die die Permanentmagnete 11a und 11b enthält. Der Abstandhalter 12 kann aus Kunststoff sein (oder jedem anderen nicht-magnetischen Material sein und eine im Vergleich zur Hülse 10' geringe Permeabilität aufweisen), und er kann auch die Form eines Hohlzylinders mit demselben Außendurchmesser aufweisen wie die Permanentmagnete 11a und 11b. Um eine einfache Montage zu ermöglichen, kann die Vorderseite des Permanentmagneten 11a mit einer korrespondierenden Vorderseite des Abstandhalters 12 verklebt sein, während der Permanentmagnet 11b auf dieselbe Weise mit der entgegengesetzten Vorderseite des Abstandhalters 12 verklebt ist.
Im Fall einer Dauermagnetanordnung, die zwei (oder mehr) Permanentmagnete aufweist, ist es wichtig, dass die Permanentmagnete relativ zueinander eine wohldefinierte Winkelposition aufweisen. Bei vielen Anwendungen ist es gewünscht, beispielsweise zwei Permanentmagnete derart anzuordnen, dass die remanente Magnetisierung eines jeden Permanentmagneten in dieselbe Richtung (z.B. die y-Richtung) zeigt. Das heißt, die Magnete sind bezüglich ihrer Magnetisierung parallel ausgerichtet, was bedeutet, dass Nordpole eines Permanentmagneten Nordpolen des anderen Permanentmagneten gegenüberliegen und sich die beiden Magnete deshalb gegenseitig abstoßen. Allerdings kann es bei anderen Anwendungen wünschenswert sein, die beiden Permanentmagnete derart anzuordnen, dass die remanenten Magnetisierungen der beiden Permanentmagnete antiparallel orientiert sind, was zu einer anziehenden Kraft zwischen ihnen führt. Aus diesem Grund kann es schwierig sein, die Permanentmagnete mechanisch aneinander (z.B. durch Kleben) zu befestigen, und es kann wichtig sein, zwischen den beiden Magneten für irgendeine mechanische Verriegelung zu sorgen, die den abstoßenden oder anziehenden Kräften zwischen den beiden Magneten zumindest während einer bestimmten Zeit (z.B. während ein Kleber aushärtet) standhält. Wenn die Magnetisierung der beiden Magnete parallel ist, ist es auch möglich, den einen an dem anderen mit einem Abstandhalter dazwischen anzubringen und sie zur selben Zeit, nachdem sie aneinander befestigt wurden, zu magnetisieren. Dies verringert die Anzahl der einzelnen Teile, vereinfacht die Handhabung und verbessert die Passung zwischen den beiden Permanentmagneten, welche simultan magnetisiert werden, so dass ihre Magnetisierungen wohlausgerichtet und von gleicher Stärke sind.
Das Ersetzen des Permanentmagneten durch eine Anordnung aus zwei Permanentmagneten kann die Empfindlichkeit des Drehgebers im Hinblick auf Toleranzen in der axialen Platzierung des Permanentmagneten verringern. Allerdings sollte beim Zusammenbau der beiden Permanentmagnete 11a und 11b darauf geachtet werden, eine Winkelfehlanpassung der beiden Permanentmagnete 11a und 11b zu vermeiden. Eine korrekte Ausrichtung der beiden Permanentmagnete 11a und 11b wird durch das in 9 gezeigte Ausführungsbeispiel unterstützt.
Der linke Teil von 9 stellt eine Explosionsansicht eines Beispiels eines Drehgebers dar, der gemäß 8 aufgebaut ist. Der rechte Teil von 9 stellt eine perspektivische Querschnittsansicht des zusammengebauten Drehgebers dar. Das vorliegende Beispiel ist im Wesentlichen dasselbe wie das vorangehende Beispiel gemäß 8. Bei dem vorliegenden Beispiel besitzt der Abstandhalter 12 jedoch die Form eines Rings (eines Hohlzylinders, der eine Höhe aufweist, die kleiner ist, als sein Innendurchmesser), z.B. aus Kunststoff. Allerdings ist der Abstandhalter aus zwei Halbringen zusammengesetzt. Das heißt, der Ring ist entlang seiner Symmetrieachse in zwei Teile aufgeteilt. Ein Halbring ist an dem Permanentmagneten 11a angebracht, und der zweite Halbring ist an dem Permanentmagneten 11b angebracht, beispielsweise durch Kleben oder direktes Anspritzen (engl.: „injection molding“) des Halbrings direkt an die Permanentmagnete. Beim Zusammenbau des Drehgebers ist die relative Winkelposition der Permanentmagnete 11a und 11b durch die beiden Halbringe bestimmt, die einander zur Form eines ringförmigen Abstandhalters ergänzen. Die verbleibenden in 9 gezeigten Komponenten sind identisch mit dem vorangehenden Beispiel gemäß 8.
Obwohl die Offenbarung in Bezug auf eine mehrere Implementierungen gezeigt und beschrieben wurde, können Änderungen und/oder Modifikationen der gezeigten Beispiele vorgenommen werden, ohne den Gedanken und den Geltungsbereich der angehängten Ansprüche zu verlassen. Insbesondere im Hinblick auf die unterschiedlichen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Einheiten, Anordnungen der Bauelemente, Schaltungen, Systeme, etc.) ausgeführt werden, ist beabsichtigt, dass die Ausdrücke (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „Mittel“), die zur Beschreibung derartiger Komponenten verwendet werden - sofern nicht anders angegeben - einer beliebigen anderen Komponente oder Struktur entsprechen, die der angegebenen Funktion der beschriebenen Komponente (z.B. die funktional äquivalent ist) entspricht, selbst wenn sie mit der offenbarten Struktur, die die Funktion bei den hierin gezeigten beispielhaften Implementierungen dieser Offenbarung ausführt, strukturell nicht äquivalent ist.
Beispielsweise ist der (weisen die) in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendete(n) Permanentmagnet(e) die Form eines Hohlzylinders auf. Allerdings kann anstelle des erwähnten Hohlzylinders jede andere hohle axialsymmetrische (rotationssymmetrische) Form einsetzbar sein. Beispielsweise kann bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Permanentmagnetanordnung zwei sphärische Halbschalen aus permanentmagnetischem Material aufweisen, die bezüglich der Drehachse symmetrisch angeordnet sind und die eine Durchgangsöffnung entlang der Drehachse aufweisen. Die beiden Halbschalen können durch einen ringförmigen Abstandhalter, wie er z.B. in den 8 und 9 gezeigt ist, voneinander beabstandet angeordnet sein. Weitere beispielhafte Geometrien für den (die) Permanentmagnet(e) ist (sind) ein Kegel(stumpf), ein Doppelkegel, elliptische Halbschalten, etc., von denen jede(r) eine Öffnung entlang der Drehachse aufweist. Außerdem können mehr als zwei Permanentmagnete in einer Permanentmagnetanordnung verwendet werden.
Weiterhin sind bei den oben beschriebenen Beispielen, der (die) Permanentmagnet(e) in einer lateralen Richtung (d.h. in einer Richtung senkrecht zur Drehachse, z.B. der y-Achse) magnetisiert. Allerdings können andere Geometrien eingesetzt werden. Anstelle einer homogenen Magnetisierung entlang der y-Achse kann der Permanentmagnet so magnetisiert sein, dass er einen axialen Quadrupol bildet. In diesem Fall ist eine Hälfte des Permanentmagneten (z.B. links von einer durch y=0 definierten Ebene) parallel zur z-Achse (Drehachse) magnetisiert, und die andere Hälfte (z.B. rechts von der durch y=0 definierten Ebene) ist antiparallel zur z-Achse magnetisiert.
Des Weiteren kann, auch wenn ein bestimmtes Merkmal der Offenbarung nur in Bezug auf eine von mehreren Aufführungsformen offenbart wurde, ein solches Merkmal mit einem oder mehreren Merkmalen der anderen Ausführungsformen kombiniert werden, falls dies für eine beliebige oder bestimmte Anwendung wünschenswert oder vorteilhaft ist. Des Weiteren sind in dem Umfang, in dem die Ausdrücke „einschließlich“, einschließen‟, „aufweisend“, „hat“, „mit“ oder Variationen hiervon entweder in der ausführlichen Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet werden, solche Ausdrücke ähnlich der Bezeichnung „aufweisen“ als offen zu verstehen.

Claims

Magnetanordnung zur Verwendung in einem Drehgeber, wobei die Anordnung aufweist: eine Permanentmagnetanordnung, die zumindest einen ersten Permanentmagneten (IIa) und einen zweiten Permanentmagneten (11b) aufweist, die axial voneinander beabstandet und bezüglich einer Drehachse drehbar sind; und eine weichmagnetische Hülse (10'), die die Drehachse und damit die Permanentmagnetanordnung zur Abschirmung gegenüber externen Magnetfeldern umgibt; wobei der erste und der zweite Permanentmagnet (11a, 11b) eine Durchgangsöffnung aufweisen, die sich entlang der Drehachse erstreckt, so dass sich die Permanentmagneten (11a, 11b) vollständig um die Drehachse herum erstrecken; wobei die Permanentmagnetanordnung einen zweiteiligen Abstandhalter (12) aufweist, der zwischen dem ersten Permanentmagnet (IIa) und dem zweiten Permanentmagnet (11b) angeordnet ist, und wobei ein erster Teil des Abstandshalters (12) an dem ersten Permanentmagnet (11a) angebracht ist, und ein zweiter Teil des Abstandshalters (12) an dem zweiten Permanentmagnet (11b) angebracht ist, wobei der erste und zweite Teil des Abstandhalters (12) einander ergänzen, so dass sie die relative Winkelposition des ersten und zweiten Permanentmagneten bestimmen.
Magnetanordnung gemäß Anspruch 1, wobei der erste und/oder zweite Permanentmagnet (11; 11a, 11b) bezüglich der Drehachse im Wesentlichen rotationssymmetrisch ist.
Magnetanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Permanentmagnetanordnung bezüglich einer zu der Drehachse senkrechten Symmetrieebene (R) im Wesentlichen symmetrisch ist.
Magnetanordnung gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei die Permanentmagnetanordnung einen Schwerpunkt (O) aufweist, der sich innerhalb der Durchgangsöffnung auf der Drehachse befindet.
Magnetanordnung gemäß einem der Ansprüche 1-4, wobei die weichmagnetische Hülse (10') und die Permanentmagnetanordnung mechanisch gekoppelt sind, um eine gemeinsame Drehung sicherzustellen.
Magnetanordnung gemäß einem der Ansprüche 1-5, die weiter aufweist: eine Welle (10), die bezüglich einer Drehachse drehbar und mechanisch mit der Permanentmagnetanordnung gekoppelt ist, so dass sie eine gemeinsame Drehung sicherstellen.
Magnetanordnung gemäß Anspruch 6, wobei die weichmagnetische Hülse durch ein Hohlraum gebildet ist, der in der Welle angeordnet ist; wobei sich der Hohlraum von einer Vorderseite der Welle in die Welle hinein erstreckt.
Magnetanordnung gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die weichmagnetische Hülse (10') über die Welle (10) geschoben ist.
Magnetanordnung gemäß Anspruch 8, wobei eine Vorderseite der Welle (10) an die Permanentmagnetanordnung angrenzt.
Magnetanordnung gemäß Anspruch 9, wobei die Welle (10) einen Hohlraum (15) aufweist, der sich von einer Vorderseite der Welle (10) entlang einer Drehachse in die Welle (10) hinein erstreckt.
Magnetanordnung gemäß Anspruch 10, wobei die Permanentmagnetanordnung einen Außendurchmesser aufweist, und der in der Welle (10) enthaltene Hohlraum (15) eine axiale Länge aufweist, die gleich oder größer ist als der Außendurchmesser der Permanentmagnetanordnung.
Magnetanordnung gemäß einem der Ansprüche 1-11, wobei die Hülse (10') einen Kragen aufweist, der zur Drehachse einwärts gebogen ist.
Magnetanordnung gemäß Anspruch 12, wobei eine Vorderseite der Permanentmagnetanordnung an eine Rückseite des Kragens angrenzt.
Magnetanordnung gemäß einem der Ansprüche 1-13, wobei die Hülse (10') oder die Hülse (10') und die Welle (10) eine Flussführung für den von der Permanentmagnetanordnung erzeugten magnetischen Fluss bilden.
Magnetanordnung gemäß einem der Ansprüche 1-14, wobei die Permanentmagnetanordnung einen Schwerpunkt (O) aufweist, der sich innerhalb des Hohlraums auf der Drehachse befindet; wobei der erste und/oder zweite Permanentmagnet (11; 11a, 11b) so magnetisiert ist, dass er eine remanente Magnetisierung aufweist, die an dem Schwerpunkt (O) ein Magnetfeld bewirkt, das die Winkelposition der Permanentmagnetanordnung repräsentiert.