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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Winkellage einer Rotorwelle relativ zu einer ersten Leiterplatte.
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Es ist allgemein bekannt, dass zur Winkelerfassung zweier relativ zueinander drehbar gelagerten Teile, insbesondere wobei das erste der Teile eine Rotorwelle mit drehfest verbundenem Geberteil, insbesondere Target, ist und das zweite der Teile ein Sensor zur Erfassung der Winkellage des Geberteils, insbesondere Targets.
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Aus der
US 2010/0 085 039 A1 ist eine Winkelerfassung bekannt, bei welcher ein Dauermagnet, welcher zu am Umfang verteilt angeordneten Wicklungen relativ drehbar angeordnet ist. Dabei sättigt der Magnet jeweilige Wicklungen, deren induktivität sich entsprechend ändert, so dass ein Sinussignal und ein Kosinussignal zur Winkellagenbestimmung detektierbar ist.
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Aus der
JP H03-277 155 A ist ein flacher bürstenloser Motor bekannt.
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Aus der
US 2014/0 210 319 A1 ist ein Motor mit Positionsdetektion bekannt.
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Aus der
DE 35 26 166 A1 ist eine gedruckte Spuleneinheit für ein Betätigungsglied geringer Abmessungen bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Winkelerfassung weiterzubilden, wobei in kostengünstiger und einfach herstellbarer Weise eine möglichst genaue Winkelerfassung erreichbar sein soll.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Anordnung nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Anordnung zur Bestimmung der Winkellage einer Rotorwelle relativ zu einer ersten Leiterplatte sind, dass die erste Leiterplatte Wicklungen, insbesondere gleichartig ausgeführten Wicklungen, aufweist,
insbesondere wobei die Rotorwelle um eine Drehachse drehbar gelagert ist,
wobei die Wicklungen auf demselben Radialabstand angeordnet sind, insbesondere wobei die Wicklungen denselben Radialabstand zur Drehachse aufweisen,
wobei die Wicklungen in Umfangsrichtung voneinander regelmäßig beabstandet sind,
wobei an der Rotorwelle ein Teil, das in Umfangsrichtung regelmäßig voneinander beabstandete metallische Bereiche aufweist, drehfest verbunden ist,
insbesondere wobei der von den metallischen Bereichen überdeckte Radialabstandsbereich den von den Wicklungen überdeckten Radialabstandsbereich überdeckt.
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Von Vorteil ist dabei, dass die Anordnung einfach herstellbar ist, da im Wesentlichen Leiterplatten notwendig sind, die einfach herstellbar sind. Außerdem müssen nur die Impedanzen der als Spulen ausgeführten Wicklungen ausgewertet werden. Dies ist durch eine Erfassung von Spannung in einfacher Weise ermöglicht, wenn die Wicklungen paarweise in Reihe geschaltet sind und die an einer der Wicklungen auftretende Spannung erfasst wird, wobei diese Reihenschaltung mit einer Wechselspannung zeitlich konstanter Amplitude gespeist wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Anordnung derart ausgeführt, dass N1 = ¾·N2 gilt, wobei die N1 die Anzahl der metallischen Bereiche ist,
wobei die N2 die Anzahl der Wicklungen ist,
insbesondere wobei N1 ein ganzzahliges Vielfaches von Sechs ist und/oder wobei N2 ein ganzzahliges Vielfaches von Acht ist. Von Vorteil ist dabei, dass bei diesen Anzahlen besonders günstige Spursignale erhältlich sind, so dass eine hohe Winkelauflösung erreichbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine erste der Wicklungen im oberen Zweig einer ersten Halbbrücke und eine zweite der Wicklungen im unteren Zweig der ersten Halbbrücke angeordnet,
wobei eine dritte der Wicklungen im oberen Zweig einer zweiten Halbbrücke und eine vierte der Wicklungen im unteren Zweig der zweiten Halbbrücke angeordnet ist,
wobei an einem ersten Verbindungsknoten der obere Zweig der ersten Halbbrücke und der untere Zweig der ersten Halbbrücke verbunden sind,
wobei an einem zweiten Verbindungsknoten der obere Zweig der zweiten Halbbrücke und der untere Zweig der zweiten Halbbrücke verbunden sind,
wobei die zwischen den beiden Verbindungsknoten bestehende Spannung als erstes Spursignal, insbesondere Sinussignal, verwendbar ist,
insbesondere wobei jede der Wicklungen mit einem Widerstand in Reihe geschaltet ist,
insbesondere wobei in Umfangsrichtung zwischen der ersten und zweiten Wicklung zumindest eine fünfte Wicklung angeordnet ist,
insbesondere wobei in Umfangsrichtung zwischen der dritten und vierten Wicklung zumindest eine sechste Wicklung angeordnet ist,
insbesondere wobei in Umfangsrichtung zwischen der ersten und dritten Wicklung zumindest eine siebte Wicklung angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass bei dieser Auswertung ein erstes Spursignal erzeugbar ist, das einem vom Winkel abhängigen Sinus folgt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die fünfte Wicklung im oberen Zweig einer dritten Halbbrücke und eine achte der Wicklungen im unteren Zweig der dritten Halbbrücke angeordnet,
wobei die siebte Wicklung im oberen Zweig einer vierten Halbbrücke und die sechste Wicklung im unteren Zweig der vierten Halbbrücke angeordnet ist,
wobei an einem dritten Verbindungsknoten der obere Zweig der dritten Halbbrücke und der untere Zweig der dritten Halbbrücke verbunden sind,
wobei an einem vierten Verbindungsknoten der obere Zweig der vierten Halbbrücke und der untere Zweig der vierten Halbbrücke verbunden sind,
wobei die zwischen dem dritten und vierten Verbindungsknoten bestehende Spannung als zweites Spursignal, insbesondere Kosinussignal, verwendbar ist,
insbesondere wobei jede der Wicklungen mit einem Widerstand in Reihe geschaltet ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein zweites Spursignal erzeugbar ist, das um 90° verschoben zum ersten Spursignal ist, aber ansonsten gleichartig verläuft. Somit ist eine Bestimmung der Winkellage durch Bildung des Arcustangens des Quotienten der beiden Spursignale ermöglicht.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die erste und zweite Halbbrücke parallel geschaltet und die so gebildete Parallelschaltung ist aus einer Wechselspannungsquelle gespeist, die eine Wechselspannung dieser Parallelschaltung zur Verfügung stellt,
und die dritte und vierte Halbbrücke sind parallel geschaltet und die so gebildete Parallelschaltung ist ebenfalls aus der Wechselspannungsquelle gespeist, welche die Wechselspannung auch dieser Parallelschaltung zur Verfügung stellt. Von Vorteil ist dabei, dass die Halbbrücken synchron gespeist werden und somit aus den Spursignalen ein Sinussignal und ein Kosinussignal erzeugbar ist, insbesondere mittels Gleichrichtung der beiden Spursignale.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Frequenz höher, insbesondere mindestens hundertmal höher, als die Drehfrequenz der Rotorwelle. Von Vorteil ist dabei, dass eine hohe Präzision erreichbar ist und Störsignale in einfacher Weise unterdrückbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden das erste und das zweite Spursignal jeweils einem Analog-Digital-Wandler zugeführt,
insbesondere wobei der Analog-Digital-Wandler derart ausgeführt ist, dass nur die zeitlich lokalen Extrema der jeweiligen Spursignale digitalisiert werden. Von Vorteil ist dabei, dass bei der Wandlung in ein digitales Signal nur ein langsames Wandeln notwendig ist und nur ein geringer Datenstrom erzeugt wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Teil mittels eines als Schraubteil ausgeführten Dauermagnets oder mittels eines Schraubteils, in welches der Dauermagnet integriert ist, mit der Rotorwelle drehfest verbunden,
insbesondere wobei das Teil eine Leiterplatte ist. Von Vorteil ist dabei, dass mittels eines Hallsensors die Winkellage durch Detektion des Dauermagneten erkennbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Leiterplatte eine mehrlagig ausgeführte Leiterplatte, insbesondere eine Multilayer-Leiterplatte,
wobei jede Wicklung mehr als zwei Lagen verwendet, insbesondere wobei die spiralförmige Wicklung in mindestens zwei Lagen angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine hohe Windungszahl erreichbar ist und somit die Wicklungen kompakt ausführbar sind. Daher sind am Umfang viele Wicklungen anordenbar und somit eine hohe Auflösung bei der Winkelbestimmung erreichbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Hallsensor, insbesondere ein Kreuzhallsensor, zur Auswertung der Drehlage des Dauermagnets mit der ersten Leiterplatte zumindest über ein Gehäuseteil verbunden,
insbesondere wobei die erste Leiterplatte eine zur Rotorwelle mittig angeordnete Ausnehmung aufweist, durch welche der Dauermagnet beziehungsweise das den Dauermagneten aufweisende Schraubteil hindurchragt,
insbesondere wobei der Hallsensor zentrisch und/oder mittig zur Drehachse der Rotorwelle angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass zusätzlich zur Auswertung der Wicklungen auch eine Auswertung des Dauermagneten erfolgt. Somit ist eine redundante Bestimmung der Winkellage ausführbar und die Sicherheit bei Antriebssystemen entsprechend erhöhbar. Dabei wird überwachbar, ob die beiden physikalisch unterschiedlich ausgeführten Winkelbestimmungen eine zulässige Abweichung voneinander überschreiten oder nicht.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Wiegandsensor zur Zählung der Umdrehungen der Rotorwelle mit der ersten Leiterplatte zumindest über ein Gehäuseteil verbunden,
insbesondere wobei die erste Leiterplatte eine zur Rotorwelle mittig angeordnete Ausnehmung aufweist, durch welche der Dauermagnet beziehungsweise das den Dauermagneten aufweisende Schraubteil hindurchragt. Von Vorteil ist dabei, dass die Bestimmung der Zahl der Umdrehungen ausführbar ist. Dabei ist sogar die absolute Bestimmung ausführbar, indem die elektronische Schaltung aus den Pulsen des Wiegand-Sensors versorgbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die von dem Dauermagnet in der jeweiligen Wicklung jeweils induzierte Spannung betragsmäßig kleiner, insbesondere mindestens hundertmal kleiner, als der Betrag der Wechselspannung. Somit ist eine fehlerarme Bestimmung der Winkellage ausführbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Wicklungen als spiralförmige Wicklungen ausgeführt und alle weisen die selbe Orientierung auf, also denselben Wicklungssinn,
insbesondere wobei alle dieselbe Ganghöhe, Ganglänge und/oder Windungszahl aufweisen. Von Vorteil ist dabei, dass eine hoch präzise Winkelbestimmung ermöglicht ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung des Drehwinkels einer relativ zu einer ersten Leiterplatte 1 drehbar gelagerten Leiterplatte 3 gezeigt.
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In der 2 ist die Gruppierung der auf der Leiterplatte 3 angeordneten Wicklungen 4 gezeigt.
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In der 3 ist die Verschaltung der Wicklungen 4 zur Erzeugung von Differenzspannungen gezeigt.
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In der 4 sind die zeitlichen Signalverläufe der Differenzspannungen gezeigt.
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In der 5 ist ein weiteres erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem ein Dauermagnet 50 mit der Leiterplatte 1 drehfest verbunden ist.
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In der 6 ist ein zur 5 gehöriger Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung dargestellt.
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Wie in 1 bis 4 gezeigt, weist die Anordnung zur Bestimmung des Drehwinkels zwei relativ zueinander drehbar angeordnete Leiterplatten 1 und 3 auf.
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Die erste Leiterplatte 1 weist in einer ihrer Lagen, vorzugsweise an ihrer Oberfläche, separate, metallische Flächen 2 auf, die auf demselben Radialabstand zur Drehachse angeordnet sind und in Umfangsrichtung regelmäßig voneinander beabstandet sind.
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Die metallischen Flächen 2 müssen elektrisch nicht miteinander verbunden sein.
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Vorzugsweise sind die metallischen Flächen 2 aus Kupfer gefertigt, insbesondere als Leiterbahnen der ersten Leiterplatte 1. Die metallischen Flächen 2 sind auch vergoldet ausführbar und/oder aus einem anderen metallischen diamagnetischen Material, wie Aluminium.
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Auf der zweiten Leiterplatte 3 sind Wicklungen 4 angeordnet, wobei der von den Wicklungen jeweils überdeckte Radialabstandsbereich umfasst ist oder überlappt mit demjenigen Radialabstandsbereich, welcher von den metallischen Flächen 2 überdeckt ist. Die Wicklungen 4 sind wiederum jeweils auf demselben Radialabstand angeordnet, zueinander gleichartig ausgeführt und in Umfangsrichtung regelmäßig voneinander beabstandet.
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Jede der Wicklungen 4 ist als spiralförmige Flachwicklung realisiert. Dabei sind alle Wicklungen in einer selben Ebene angeordnet.
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Die erste Leiterplatte 1 wird vorzugsweise an einer Rotorwelle 64 befestigt, also drehfest mit der Rotorwelle 64 verbunden.
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Die Anzahl N1 der metallischen Flächen 2 ist bevorzugt ein ganzzahliges Vielfaches von Sechs.
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Außerdem ist bevorzugt N1 = ¾·N2, wobei N2 die Anzahl der Wicklungen 4 ist.
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Bevorzugt ist die Anzahl N2 ein ganzzahliges Vielfaches von Acht. Die Wicklungen sind am Umfang gleichmäßig verteilt, insbesondere also regelmäßig voneinander beabstandet.
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Die Leiterplatten 1 und 3 sind parallel zueinander ausgerichtet und weisen nur einen geringen Abstand zueinander auf. Somit ist die Impedanz von der relativen Drehlage abhängig, da in einem Drehwinkel, bei welchem eine jeweilige metallische Fläche den Wicklungsbereich abdeckt, von dem in der Wicklung fließenden Strom Wirbelströme in der jeweiligen metallischen Fläche 2 induziert werden, so dass die Impedanz einen anderen Wert aufweist als bei einem anderen Drehwinkel der beiden Leiterplatten zueinander, bei welchem nur ein Teil einer jeweiligen metallischen Fläche 2 dieselbe Wicklung 4 abdeckt.
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Die Impedanz der jeweiligen Wicklung 4 ist also abhängig von der relativen Drehlage der beiden Leiterplatten 1 und 3 zueinander und von dem Abstand der beiden Leiterplatten 1 und 3 zueinander.
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Der in die jeweilige Wicklung 4 eingespeiste Strom weist eine Frequenz auf, welche größer als 100 kHz und kleiner als 100 MHz beträgt. Vorzugsweise wird eine Frequenz von etwa 1 MHz verwendet.
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Wie in den 2 und 3 dargestellt, werden die Impedanzunterschiede verwendet, um die Drehlage zu detektieren. Hierzu werden aus je zwei Wicklungen 4 jeweilige Halbbrücken gebildet, wobei in jedem Zweig jeder Halbbrücke jeweils ein Widerstand der jeweiligen Wicklung 4 in Reihe geschaltet ist. Die Potentialdifferenz der Knoten zweier jeweiligen Halbbrücken wird erfasst und ausgewertet.
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Auf diese Weise sind also Wheatstone-Brückenschaltungen gebildet, wobei in jedem Zweig jeder Halbbrücke jeweils ein Widerstand der jeweiligen Wicklung 4 in Reihe geschaltet ist.
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Die Wheatstone-Brückenschaltungen sind aus derselben Wechselspannungsquelle versorgt, wobei deren Frequenz vorzugsweise größer als 100 kHz ist. Besonders bevorzugt ist der Frequenzbereich zwischen 500 kHz und 2 MHz oder auch 10 MHz.
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Durch die Auswertung der Differenzspannung ist abhängig von der relativen Winkellage ein Sinus-Spursignal S1–S3 und ein Cosinus-Spursignal S2–S4 erhältlich, wie in 4 dargestellt, wobei die Versorgungsspannung U_AC für die parallel geschalteten Halbbrücken, also die Wheatstone-Brückenschaltung, eine sinusförmige Wechselspannung konstanter Amplitude ist.
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Die Winkelangaben in 4 beziehen sich dabei nur auf das Sinus-Spursignal S1–S3 und das Cosinus-Spursignal S2–S4.
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Das jeweilige Spursignal wird einem Analog-Digital-Wandler zugeführt und in digitale Werte gewandelt.
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Vorzugsweise werden nur die lokalen Extrema erfasst und gewandelt, so dass ein demoduliertes Nutzsignal in einfacher und schneller Weise digital erhältlich ist.
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Durch Arkustangensbildung, insbesondere also durch Bildung des Arcustangens des Quotienten der beiden Spursignale, wird in einer Auswerteeinheit die Winkellage bestimmbar.
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Darüber hinaus ist auch der Abstand zwischen den beiden Leiterplatten 1 und 3 bestimmbar. Hierzu wird die quadratische Wurzel aus der Summe der Quadrate der beiden Spursignale gebildet.
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Da die Wicklungen 4 aus Leiterbahnen einer Lage der Leiterplatte 3 herstellbar sind, ist eine einfache kostengünstige Herstellung ermöglicht. Vorzugsweise sind die Leiterbahnen aus Kupfer.
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Wie in 5 gezeigt, ist in einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zusätzlich ein Dauermagnet 50 mit der Rotorwelle 64 drehfest verbindbar.
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Vorzugsweise ist der Dauermagnet 50 als Schraubteil ausgeführt oder in eine Schraubteil integriert, so dass die Leiterplatte 1 mittels des Schraubteils, insbesondere also mittels des Dauermagnets 50 oder des den Dauermagnet 50 integriert aufweisenden Schraubteils, mit der Rotorwelle 64 verbunden ist.
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Der Dauermagnet weist vorzugsweise ein Magnetisierungsrichtung auf, die transversal und/oder quer zur Drehachse der Rotorwelle 64 ausgerichtet ist.
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Dabei ist der Dauermagnet 50 mittig und/oder zentral an der Rotorwelle 64 angeordnet.
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Ein auf der Leiterplatte 3 entsprechend mittig und/oder zentral an der Rotorwelle 64 angeordneter Hallsensor oder Kreuzhallsensor fungiert zur Bestimmung der absoluten Winkellage.
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Zusätzlich ist auch ein Wiegand-Sensor 61 vorsehbar, so dass die absolute Anzahl der Drehungen der Rotorwelle 64 bestimmbar ist. Denn auch bei Stromausfall erzeugt bei genügend weiter Drehung der Wiegandsensor 61 einen Puls, dessen Energie ausreicht, um einen Zähler zu versorgen, der die Anzahl der Drehungen zählt.
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Wie in 6 dargestellt, ist die Rotorwelle 64 mittels Lager in einem Gehäuseteil 63, insbesondere umfassend Lagerschild zur Aufnahme eines Lagers, drehbar gelagert. Drehfest mit der Rotorwelle 64 ist die erste Leiterplatte 1 verbunden, indem der als Schraubteil ausgeführte Dauermagnet 50 zentral in die Rotorwelle 64 eingeschraubt ist und die erste Leiterplatte 1 gegen die Stirnseite der Rotorwelle 64 drückt. Vorzugsweise ist das Schraubteil aus einem ferromagnetischen Material, wie Stahl, gefertigt.
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Mit dem Gehäuseteil 63 ist die zweite Leiterplatte 3 verbunden, welche eine mittig zur Drehachse angeordnete Ausnehmung aufweist, durch welche der Dauermagnet 50 hindurchragt. Zur Detektion ist mit dem Gehäuseteil 63 eine Auswerteleiterplatte 60 verbunden, auf welcher ein Wiegand-Sensor 61 und ein Hall-Sensor 62 angeordnet sind. Die Auswerteleiterplatte 60 weist auch weitere Elektronikbauteile auf, so dass eine Auswertung durchführbar ist.
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Da der Dauermagnet radial beabstandet ist von den metallischen Flächen 2, also metallischen Beriechen, wird nur eine äußerst geringe Störspannung in der jeweiligen Wicklung 4 induziert. Durch die differentielle Spannungsauswertung zur Bildung des Sinussignals und Kosinussignals ist die Störspannung im Idealfall eliminiert. Außerdem entspricht die Frequenz der Störspannung der Drehfrequenz der Rotorwelle, weist also einen großen Frequenzabstand der Frequenz der die Wheatstone-Brückenschaltung speisenden Wechselspannung auf. Auch auf diese Weise ist ein großer Störabstand erreichbar.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die zweite Leiterplatte 3 mehrlagig ausgeführt, so dass die Wicklungen 4 statt nur einer einzigen Lage jeweils mehrere Lagen nutzen.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die zweite Leiterplatte 3 durch ein Teil ersetzt, das ebenfalls in Umfangsrichtung regelmäßig voneinander beabstandete metallische Bereiche aufweist, die denselben Radialabstandsbereich überdecken wie die Wicklungen 4.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 2
- metallische Leiterbahn
- 3
- Leiterplatte
- 4
- Wicklung, insbesondere spiralförmige Flachwicklung aus Leiterbahn
- 50
- Dauermagnet
- 60
- Leiterplatte
- 61
- Wiegand-Sensor
- 62
- Hallsensor
- 63
- Gehäuseteil, insbesondere umfassend Lagerschild zur Aufnahme eines Lagers
- 64
- Rotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0085039 A1 [0003]
- JP 03-277155 A [0004]
- US 2014/0210319 A1 [0005]
- DE 112013007366 T5 [0006]
- DE 3526166 A1 [0007]
