DE102017104206A1

DE102017104206A1 - Wellenintegriertes winkelerfassungsbauelement

Info

Publication number: DE102017104206A1
Application number: DE102017104206.7A
Authority: DE
Inventors: Leo Aichriedler; Udo Ausserlechner; Peter Slama
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2017-03-01
Publication date: 2017-09-07
Also published as: CN107152937A

Abstract

Eine Sensoranordnung mit einer drehbaren Antriebswelle, die sich entlang einer Rotationsachse erstreckt und eine Bohrung aufweist, die sich von einer ersten Endfläche der Welle entlang der Rotationsachse erstreckt; einem Magneten, der zumindest teilweise innerhalb der Bohrung angeordnet ist und mit der Antriebswelle gekoppelt ist, wobei der Magnet ausgebildet ist zum Erzeugen eines Magnetfeldes innerhalb der Bohrung; einem Sensorelement, das zumindest teilweise innerhalb der Bohrung angeordnet ist, und das ausgebildet ist zum Erfassen einer Rotation des Magnetfeldes ansprechend auf eine Rotation der Antriebswelle; und einer magnetostatischen Abschirmung, die angeordnet ist, um den Magneten und das Sensorelement zu umgeben, wobei die magnetostatische Abschirmung in Bezug auf die Antriebswelle stationär ist.

Description

HINTERGRUND
Sensoren verwenden in Erfassungssystemen eingesetzt, um Eigenschaften, z. B. Licht, Temperatur, Bewegung und dergleichen, zu detektieren. Ein Typ von Sensor, der häufig verwendet wird, ist ein Winkelsensor, der auf Magnetfeldern basiert. Der Winkelsensor misst eine Magnetfeldrichtung und berechnet einen Winkel basierend auf der Feldrichtung. Andere magnetempfindliche Sensoren messen die magnetische Flussdichte.
Solche auf Magneten basierenden Sensoren sind allerdings anfällig für Störungen in dem Magnetfeld. Viele Systeme, z. B. automotive Systeme, werden in rauen Umgebungen betrieben und weisen Komponenten auf, die das Magnetfeld stören und in fehlerhaften Sensormessungen resultieren können.
Notwendig sind Techniken, um Störungen zu verringern oder zu verhindern, um den Magnetsensorbetrieb, -genauigkeit und -robustheit gegenüber Positionierungstoleranzen zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG
Es kann ein Bedarf bestehen zum Bereitstellen eines verbesserten Konzepts für eine Sensoranordnung.
Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand eines der Ansprüche erfüllt werden.
Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Sensoranordnung, umfassend eine drehbare Antriebswelle, die sich entlang einer Rotationsachse erstreckt und eine Bohrung aufweist, die sich von einer ersten Endfläche der Antriebswelle entlang der Rotationsachse erstreckt; einen Magneten, der zumindest teilweise innerhalb der Bohrung angeordnet ist und mit der Antriebswelle gekoppelt ist, wobei der Magnet ausgebildet ist zum Erzeugen eines Magnetfeldes innerhalb der Bohrung; ein Sensorelement, das zumindest teilweise innerhalb der Bohrung angeordnet ist, und das ausgebildet ist zum Erfassen einer Rotation des Magnetfeldes ansprechend auf eine Rotation der Antriebswelle; und eine magnetostatische Abschirmung, die angeordnet ist, um den Magneten und das Sensorelement zu umgeben, wobei die magnetostatische Abschirmung in Bezug auf die Antriebswelle stationär ist.
Optional umfasst die Welle ein eisenhaltiges Material.
Wiederum optional umfasst die magnetostatische Abschirmung ein eisenhaltiges Material.
Optional umfasst die Sensoranordnung ferner eine Komponentenplatine, wobei das Sensorelement und die magnetostatische Abschirmung auf der Komponentenplatine befestigt sind.
Wiederum optional umfasst die Sensoranordnung ferner einen Stator, der auf der Komponentenplatine befestigt ist und zumindest einen Abschnitt der Antriebswelle umgibt.
Optional umfasst die Sensoranordnung ferner einen Dichtkörper, der zwischen der magnetostatischen Abschirmung und der Antriebswelle angeordnet ist.
Wiederum optional umfasst die Sensoranordnung ferner eine Flachdichtung, die zwischen der drehbaren Antriebswelle und der magnetostatischen Abschirmung angeordnet ist.
Optional umfasst die Sensoranordnung ferner eine Komponentenplatine, wobei die magnetostatische Abschirmung auf der Komponentenplatine befestigt ist; einen Stator, der angeordnet ist, um zumindest einen Abschnitt der Antriebswelle zu umgeben und um direkt über eine Sicherungsvorrichtung auf der Komponentenplatine befestigt zu sein, wobei freie Enden der magnetostatischen Abschirmung in entsprechende, innerhalb des Stators gebildete Zentrierungsrillen eingefügt sind.
Wiederum optional ist die magnetostatische Abschirmung in Form einer Kappe mit einem geschlossenen Ende an einer Seite der Komponentenplatine und einem offenen Ende an einer Seite der Antriebswelle.
Optional weist die magnetostatische Abschirmung Öffnungen entlang ihres Umfangs auf.
Wiederum optional umfasst die Sensoranordnung ferner eine Komponentenplatine, wobei die magnetostatische Abschirmung auf der Komponentenplatine befestigt ist; einen Stator, der angeordnet ist, um zumindest einen Abschnitt der Antriebswelle zu umgeben, wobei die magnetostatische Abschirmung angeordnet ist, um den Stator an der Komponentenplatine zu befestigen.
Optional ist die magnetostatische Abschirmung in Form einer Kappe mit einem geschlossenen Ende an einer Seite der Komponentenplatine und einem offenen Ende an einer Seite der Antriebswelle, und ferner umfassend Zentrierstifte, die entlang einer Manschette der kappenförmigen magnetostatischen Abschirmung angeordnet sind, um eine Platzierung zwischen der magnetostatischen Abschirmung und dem Stator aufrechtzuerhalten.
Wiederum optional ist die magnetostatische Abschirmung in Form einer Kappe mit einem offenen Ende an einer Seite der Antriebswelle, und die Sensoranordnung umfasst ferner eine Komponentenplatine, die angeordnet ist, um innerhalb der kappenförmigen magnetostatischen Abschirmung befestigt zu sein, und die eine zentrale Öffnung aufweist; und einen Verbinder, der in der zentralen Öffnung der Komponentenplatine angeordnet ist, und der ausgebildet ist, um elektrische Verbindungen zu dem Sensorelement weiterzuleiten.
Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Sensoranordnung, umfassend eine drehbare Antriebswelle, die sich entlang einer Rotationsachse erstreckt; einen Magneten, der ausgebildet ist zum Erzeugen eines Magnetfeldes; ein Sensorelement, das ausgebildet ist zum Erfassen einer Rotation des Magnetfeldes ansprechend auf eine Rotation der Antriebswelle; und eine magnetostatische Abschirmung, die angeordnet ist, um den Magneten und das Sensorelement zu umgeben, und die ausgebildet ist zum Rotieren mit der Antriebswelle.
Optional ist die magnetostatische Abschirmung an einem ersten Ende auf der Antriebswelle muffen-befestigt, und ist an einem zweiten Ende an dem Magneten befestigt.
Wiederum optional ist ein Durchmesser des zweiten Endes der magnetostatischen Abschirmung kleiner als ein Durchmesser des ersten Endes.
Optional ist die magnetostatische Abschirmung an dem ersten Ende auf der Antriebswelle durch zumindest eines von Einpressen, einem Adhäsionsmittel und entsprechenden diametralen Löchern mit Sicherungselementen in der Antriebswelle und der magnetostatischen Abschirmung muffen-befestigt.
Wiederum optional ist die magnetostatische Abschirmung an einem ersten Ende auf der Antriebswelle muffen-befestigt und der Magnet ist direkt an dem ersten Ende des Antriebswelle befestigt, derart, dass es einen radialen Zwischenraum zwischen dem Magneten und der magnetostatischen Abschirmung gibt.
Optional weist die Antriebswelle eine Bohrung auf, die sich von einer ersten Endfläche der Antriebswelle entlang der Rotationsachse erstreckt, und die Antriebswelle umfasst ein nicht eisenhaltiges Material, das Sensorelement ist innerhalb der Antriebswelle angeordnet, und der Magnet ist direkt mit der Antriebswelle gekoppelt und ist außerhalb der Bohrung der Antriebswelle.
Wiederum optional weist der Magnet eine Bohrung auf und ist direkt mit der Antriebswelle gekoppelt, und das Sensorelement ist innerhalb der Bohrung des Magneten angeordnet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm eines integrierten Sensorsystems, das unter Verwendung von Magnetfeldern betrieben wird.
2 ist ein Querschnittsdiagramm eines wellenintegrierten Sensorsystems mit einer Hohlwelle und einem ringförmigen Magnetmodul.
3 ist ein Querschnittsdiagramm eines wellenintegrierten Sensorsystems mit einer Hohlwelle und einem pillenförmigen Magneten.
4 ist ein Querschnittsdiagramm eines integrierten Sensorsystems mit einer Vollwelle und einem ringförmigen Magnetmodul.
5 ist ein Querschnittsdiagramm eines integrierten Sensorsystems mit einer Vollwelle und einem pillenförmigen Magnetmodul.
6 ist ein Diagramm, das ein Sensormodulsystem darstellt.
7 ist ein Querschnittsdiagramm, das einen ringförmigen Magneten darstellt, der in einem Magnetmodul, z. B. den oben beschriebenen Magnetmodulen, verwendet werden kann.
8 ist eine Querschnittsansicht, die einen pillenförmigen oder zylindrisch geformten Magneten darstellt, der in einem Magnetmodul, z. B. den oben beschriebenen Magnetmodulen, verwendet werden kann.
9 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren des Betreibens eines Sensorbauelements darstellt.
10 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Welle, die in Kombination mit Sensorsystemen, wie hierin beschrieben, einsetzbar ist.
11A stellt ein Szenario dar, das bei numerischen Simulationen verwendet wird.
11B stellt einige Ergebnisse der Simulationen dar, die basierend auf dem in 11A dargestellten Szenario berechnet sind.
12 stellt eine Anordnung eines Sensors dar, der in eine Welle in einer Querschnittsansicht eingefügt ist.
12A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors, der in eine Bohrung einer Welle integriert ist.
12B stellt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Sensors dar, der in einen dünnwandigen Endabschnitt einer Welle mit einer Muffe integriert ist.
12C stellt eine Sättigung eines magnetisierbaren dünnwandigen Endabschnitts einer Welle dar, wie bei den Ausführungsbeispielen von 10, 12A und 12B.
12D stellt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Sensors dar, der in einen dünnwandigen Endabschnitt einer Welle mit noch einer anderen Muffe integriert ist.
12E stellt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Sensors dar, der in einen dünnwandigen Endabschnitt einer Welle mit einer alternativen Muffe integriert ist.
13 stellt einen Aufbau für ein mit Anschlussleitungen versehenes (leaded) Sensorgehäuse dar.
14A–14D stellen Symmetriebetrachtungen für Magnet- und Sensoranordnungen gemäß der vorliegenden Offenbarung dar.
15A–15I stellen verschiedene Symmetrien zum Anordnen eines Magneten/von Magneten innerhalb einer dünnwandigen Bohrung an einem Endabschnitt einer Welle dar.
16 stellt einen gesplitteten Magneten innerhalb einer Bohrung dar.
17 stellt einen Magneten dar, der Rillen aufweist, die in eine Bohrung einer Welle eingefügt sind.
18 stellt einen Schlüssel dar, um einen Magneten innerhalb einer Bohrung einer Welle zu orientieren.
19A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Magneten innerhalb einer Bohrung einer Welle.
19B zeigt ein noch weiteres Ausführungsbeispiel eines Magneten innerhalb einer verjüngten Bohrung einer Welle.
20 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Magneten innerhalb einer Bohrung einer Welle.
21A, 21B und 21C stellen ein Abdichten einer Öffnung einer Bohrung, umfassend eine Magnetanordnung und ein Erfassungselement, dar.
22A, 22B stellen Halbach-Typ-Magnet-Anordnungen dar.
22C stellt noch eine andere einheitlich inhomogene Magnetanordnung dar.
23A stellt eine Sensoranordnung dar, umfassend einen Magneten und ein Sensorelement, die innerhalb einer Bohrung einer Antriebswelle angeordnet sind.
23B stellt eine Sensoranordnung dar, umfassend einen Magneten und ein Sensorelement, die innerhalb einer Bohrung einer Welle angeordnet sind, und eine magnetostatische Abschirmung, die an einer Komponentenplatine befestigt ist.
23C stellt eine Sensoranordnung dar, umfassend einen Magneten und ein Sensorelement, die innerhalb einer Bohrung einer Antriebswelle angeordnet sind, und eine kappenförmige magnetostatische Abschirmung, die ausgebildet ist zum Befestigen einer Komponentenplatine an einem Stator.
23D stellt eine Sensoranordnung dar, umfassend einen Magneten und ein Sensorelement, die innerhalb einer Bohrung einer Antriebswelle angeordnet sind, und eine Komponentenplatine, die innerhalb einer kappenförmigen magnetostatischen Abschirmung befestigt ist.
24A stellt eine Sensoranordnung dar, umfassend einen Magneten und ein Sensorelement, die an einem Ende einer Antriebswelle angeordnet sind, und eine magnetostatische Abschirmung, die ausgebildet ist zum Rotieren mit der Antriebswelle.
24B stellt eine Sensoranordnung dar, umfassend einen Magneten und ein Sensorelement, die an einem Ende einer Antriebswelle angeordnet sind, und eine magnetostatische Abschirmung, die über einem Ende der Antriebswelle muffen-befestigt ist.
24C stellt eine Sensoranordnung dar, umfassend ein Sensorelement, das an einem Ende einer Antriebswelle angeordnet ist, und einen Magneten, der direkt an dem Ende der Antriebswelle befestigt ist.
24D stellt ein Sensorelement dar, das angeordnet ist, um im Inneren einer Bohrung einer Antriebswelle zu sein, und einen Magneten, der angeordnet ist, um außerhalb der Bohrung der Antriebswelle zu sein.
24E stellt eine Sensoranordnung dar, umfassend einen Magneten und ein Sensorelement, die an einem Ende einer Antriebswelle angeordnet sind, und das Sensorelement ist angeordnet, um innerhalb einer Bohrung des Magneten zu sein.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung wird nun Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um durchgehend Bezug auf gleiche Elemente zu nehmen, und wobei die dargestellten Strukturen und Bauelemente nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind.
Bauelemente, Systeme und Verfahren sind offenbart, die Winkelsensoren ermöglichen und Störungen in Magnetfeldern verringern. Raue Umgebungen, z. B. automotive Systeme, weisen eine Vielzahl von Komponenten und Bedingungen auf, die die Elektronik, Sensoren und Magnetfelder beeinflussen. Diese Störungen können in fehlerhaften Messungen, Sensorausfällen resultieren und erfordern ein Erfüllen von Positionstoleranzen, um beim Betrieb des Sensors ein bestimmtes Präzisionsniveau zu erreichen. Winkelsensoren sind typischerweise von Interesse, um eine Winkelposition eines Objekts, das um eine Achse rotiert, zu identifizieren. Bei einigen Anwendungen kann es von Interesse sein, eine Winkelposition eindeutig nur über 180 Grad zu identifizieren; d. h. eine halbe Rotation. Bei andere Anwendungen kann es jedoch von Interesse sein, eine Winkelposition eindeutig über 360 Grad zu identifizieren, was einer vollen Rotation der Objektrotation um die Achse entspricht.
1 ist ein Diagramm eines integrierten Sensorsystems 100, das unter Verwendung von Magnetfeldern betrieben wird. Das System 100 ist in einer vereinfachten Form bereitgestellt, um das Verständnis zu erleichtern. Das System 100 kann in rauen Umgebungen, automotiven Systemen, Fahrzeugsystemen und dergleichen verwendet werden. Das System 100 kann in ein oder mehrere Bauelemente oder Anordnungen gefertigt sein.
Hybridsysteme, z. B. automotive Systeme, weisen mechanische Komponenten und elektrische Komponenten auf. Die mechanischen Komponenten umfassen Maschinen, Motoren, Räder, Fluide, Bremssysteme, Aktoren und dergleichen. Die elektrischen Komponenten umfassen Sensoren, Verarbeitungseinheiten, Steuereinheiten und dergleichen. Die mechanischen Komponenten können Störungen für die elektrischen Komponenten schaffen. Diese Störungen umfassen Leistungsspitzen, Leistungsverlust, Leistungsleiterbahnen, Hochleistungsleiterbahnen, Vibration, Partikel, Metallplättchen (Metall-Flakes)/-stücke, Fluidkontamination, Getriebeflüssigkeitskontamination (sehr aggressiv), Bremsenreiniger, Kühlmittel, Material, Schmutz und dergleichen. Je mehr Motoren, Aktoren und andere Komponenten, desto mehr Strom und Fluktuationen sind vorhanden.
Andere Ansätze sind anfällig für Störungen und stellen keine Mechanismen gegen diese Störungen bereit.
Typischerweise trackt ein Winkelsensor eine Rotationsbewegung einer Achse oder einer Welle. Ein Ansatz ist, einen Sensor an einem Ende einer Welle hinzuzufügen und den Sensor einzukapseln. Eine Kapselung addiert jedoch Kosten und zusätzliche Verarbeitung und erfordert zusätzlichen Platz. Zusätzlich umfassen solche Ansätze auch ein Platzieren eines Sensorelements an einem Ende einer Welle. Dies erhöht die Gesamtlänge der Welle oder daran angebrachten Komponente, was extra Fahrzeug-/Maschinenplatz erfordert. Zusätzliche Halterungen, Verbinder und dergleichen sind erforderlich, um den Sensor an dem Ende der Welle zu befestigen. Diese können die verbrauchte Länge/Platz weiter erhöhen und erfordern sogar noch mehr Fahrzeug-/Maschinenraum.
Das System 100 umfasst ein optionales Sensormodul 102, ein Sensorelement 104 und ein Magnetmodul 106. Das Sensormodul 102 kann in der Form eines Gehäuses oder jeglicher anderen Hilfe zum Platzieren des Sensors 104 sein, wie nachstehend erklärt. Das System 100 kann das Sensormodul 102 mit einer Abschirmung in der Form eines Gehäuses, einer Welle oder anderen Komponente zum Bereitstellen einer Selbstabschirmung integrieren. Durch das Integriert sein verbraucht das System 100 zusätzlich weniger Platz als andere Ansätze. Ferner verwendet das System 100 die Selbstabschirmung, um es Komponenten zu erlauben, geringere Fähigkeiten aufzuweisen unter Bereitstellung einer geeigneten oder ausgewählten Genauigkeit.
Bei einigen Implementierungen kann das Sensormodul 102 eine integrierte Komponente sein, dahingehend, dass es in einem Gehäuse oder anderen Komponente integriert ist. Das Sensormodul 102 umfasst das integrierte Sensorelement 104. Das Modul 102 kann auch Leistungsregulierungskomponenten, Signalerzeugungskomponenten, Speicherkomponenten und dergleichen umfassen. Obgleich nicht gezeigt, können anderen Komponenten enthalten sein, die Halterungen, Befestigungsmittel, Verbindungen, ein Gehäuse und dergleichen umfassen. Bei einem Beispiel ist das Sensormodul 102 auf einem Chip (die) mit einem Leitungsrahmen (lead frame) gebildet. Das Sensormodul 102 ist in einem Gehäuse unter Verwendung eines überspritzten (over molded) Kunststoffs eingeschlossen. Verbinder mit dem Leitungsrahmen sind bereitgestellt und stellen externe Verbindungen mit dem Sensormodul 102 bereit, wie nachstehend detaillierter erklärt wird. Das Sensormodul kann mit Komponenten gekoppelt oder in dieselben eingebracht sein, z. B. ein Gehäuse, einen Hebel, einen Arm, ein Achselbein und dergleichen.
Das Sensorelement 104 misst eine Richtung eines Magnetfeldes oder eine Richtung eines Flusses eines Magnetfeldes. Das Element 104 oder eine andere Komponente berechnet dann eine Charakteristik, z. B. eine Winkel- oder Wellenposition, basierend auf der Messung der Feldrichtung. Das Sensorelement 104 ist ausgebildet zum Empfangen einer Versorgungsleistung, zum Bereitstellen von Messungen und/oder zum Empfangen von Steuer- oder Kalibrierinformation. Bei einem Beispiel wird eine einzelne Schnittstelle für Versorgungs-Leistungs- und -Übertragungs-Messungen verwendet. Bei einem anderen Beispiel werden mehrere Drähte oder Anschlüsse für Leistung und/oder Kommunikation verwendet.
Das Sensorelement 104 ist ein Absolut- oder 360-Grad-Typ-Sensor, was bedeutet, dass er einen Fluss an jeglichem Winkel einzig über eine volle Rotation messen kann. Es ist von einem geeigneten Typ, z. B. magnetoresistive oder magnetempfindliche Typen von Elementen.
Das Magnetmodul 106 ist an einer Komponente, die gemessen werden soll, fixiert oder angebracht oder mit einer selben integriert, und ist ausgebildet zum Erzeugen eines Magnetfeldes nahe dem Sensorelement 104. Das Magnetmodul 106 kann bei einem Beispiel diametral magnetisiert sein. Das Magnetmodul 106 kann Magneten einer Vielzahl von Größen und Formen umfassen. Einige beispielhafte Formen umfassen Pillen- oder Festkörpermagneten, Ringmagneten und dergleichen. Die Größen sind ausgewählt, um ein geeignetes Magnetfeld bereitzustellen. Typischerweise umfassen die Größen eine Dicke und einen Durchmesser.
Störungen, z. B. die oben Gezeigten, können ein Magnetfeld stören, das gerade durch das Sensorelement 104 gemessen wird. Allerdings ist das Sensormodul 102 mit einer Komponente integriert, um das Modul 102 und das Element 104 abzuschirmen, ohne dass eine extensive Kapselung oder andere Mechanismen zum Verringern der Störungen erforderlich sind. Die Komponente, die die Abschirmung für das Sensorelement 104 und das Magnetmodul 106 bereitstellt, umfasst zum Beispiel ein drehbares Objekt, z. B. eine Welle, einen Stab und dergleichen, welches ein geeignetes Material umfasst. Bei einem Beispiel umfasst das geeignete Material ein relativ weichmagnetisches Material mit einer Permeabilität von größer als 1.
2 ist ein Querschnittsdiagramm eines integrierten Sensorsystems 200 mit einer Hohlwelle und einem ringförmigen Magnetmodul. Das System 200 ist in einer vereinfachten Form bereitgestellt, um das Verständnis zu erleichtern. Das System 200 kann in rauen Umgebungen, automotiven Systemen, Fahrzeugsystemen und dergleichen verwendet werden. Das System 200 kann in eine oder mehrere Bauelemente gefertigt sein. Zusätzliche Details für einige der Komponenten können aus der obigen Beschreibung ähnlich nummerierter Komponenten entnommen werden.
Das System 200 umfasst ein Gehäuse 208, ein Sensormodul 102, ein Sensorelement 104, ein Magnetmodul 206 und eine Welle 210. Das System 200 integriert das Sensormodul 102 mit der Welle 210, die das Sensormodul 102 und das Magnetmodul 206 von Störungen abschirmt und Magnetfelder durchsetzt, die durch das Magnetmodul 206 erzeugt werden.
Das Sensormodul 102 umfasst das Sensorelement 104, das innerhalb eines Gehäuses gebildet wird. Das Gehäuse ist typischerweise ein überspritzter Kunststoff, ist aber nicht darauf begrenzt. Das Sensorelement 104 kann mit einem Leitungsrahmen ausgebildet sein. Dann umfasst das Modul 102 Verbindungen von dem Leitungsrahmen des Sensorelements 104 zu Anschlüssen oder externen Verbindungen, wie in Bezug auf 13 detaillierter erklärt wird.
Das Gehäuse 208 kann Teil eines Getriebekastens, einer Kammer, eines Antriebsstrang-(power train)Verbrennungsmotors und dergleichen sein. Das Gehäuse 208 ist ausgebildet zum Empfangen und Unterstützen der Welle 210. Das Gehäuse 208 umfasst bei einem Ausführungsbeispiel eine ausgehöhlte Aussparung, in die die Welle 210 eingefügt ist. Lager 212 oder eine andere Komponente/Bauelement sind ausgebildet zum Ermöglichen einer Rotation der Welle 210 ohne übermäßige Reibung. Das Gehäuse 208 kann auch eine Modulöffnung aufweisen, wobei ein Sensormodul 102 eingefügt oder positioniert ist. Es versteht sich, dass das Sensormodul beim Platzieren in die Modulöffnung ein vorgesehenes Positionieren des tatsächlichen Sensorelements 104 relativ zu der drehbaren Welle 210 und einem Magneten 206, der Rotationen der Welle 210 für das Sensorelement 104 „sichtbar” macht, ermöglicht. Es wird darauf hingewiesen, dass das Sensormodul 102 aus dem Gehäuse 208 entfernt werden kann. Bei einem anderen Beispiel ist das Sensormodul unbeweglich an dem Gehäuse 208 angebracht. Bei einem Beispiel stellt das Gehäuse 208 eine hermetische Dichtung bereit, die das Sensormodul 102 vor Partikel und Verunreinigungsstoffen schützt. Zusätzlich kann das Gehäuse 208 ausgebildet sein zum Bereitstellen einer magnetischen und/oder elektrischen Abschirmung. Aspekte des Abschirmens des Sensorelements 104 und/oder des Magneten 206 gegenüber jeglichen externen Magnetfeldern werden nachfolgend in Bezug auf 10–18 detaillierter erörtert.
Die Welle 210 ist von dem Gehäuse 208 getrennt. Ein erstes Ende der Welle ist an einem Motor oder anderen drehbaren Objekt angebracht und ein zweites Ende ist nahe dem Gehäuse 208. Das zweite Ende der Welle 210 kann mit Lager gekoppelt sein, um eine Rotation zu ermöglichen. Die Welle 210 kann Teil eines automotiven Systems, z. B. Antriebsstrang, Getriebesystem und dergleichen, sein. Die Welle 210 ist im Allgemeinen ein langer zylindrischer Stab, der ein geeignetes Material umfasst, z. B. einem Metall, einem weichmagnetischen Material und dergleichen. Einige Beispiele eines geeigneten Metalls umfassen Stahl und Aluminium. Ein Beispiel eines weichmagnetischen Materials umfasst ein Material mit einer magnetischen Permeabilität von größer als 1. Die Welle 210 rotiert in einem Bereich von Rotationen pro Minute (RPM; RPM = Rotations Per Minute = Rotationen pro Minute = Umdrehungen pro Minute) und in einer Rotationsrichtung, im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn. Die RPM können Niedrig-RPM-Bereiche, z. B. 0 bis 200 RPM, und Hoch-RPM-Bereiche, z. B. diejenigen, die 4.000 RPM übersteigen, umfassen.
Die Welle 210 ist mit einer als z gezeigten Rotationsachse gezeigt. Die Welle 210 rotiert um die Rotationsachse mit einer Rotationsrichtung, die im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn sein kann.
Die Welle 210 kann ausgehöhlt, voll oder anderweitig ausgebildet sein. In 2 ist die Welle 210 ausgehöhlt und weist eine ausgewählte Wanddicke auf. Alternativ kann die Welle 210 voll sein und einen dünnwandigen Endabschnitt aufweisen, wie in 2 gezeigt. Zumindest ein Abschnitt des Sensormoduls 102 und des Sensorelements 104 erstreckt sich teilweise in den offenen Abschnitt der Welle 210 an dem zweiten Ende. Zusätzlich befindet sich das Magnetmodul 206 zumindest teilweise auch innerhalb des offenen Abschnitts der Welle. Da sie ausgehöhlt ist, kann die Welle kostengünstiger und von geringerem Gewicht sein verglichen mit Vollwellen.
Das Magnetmodul 206 erzeugt ein Magnetfeld mit einem Fluss und ist ausgebildet zum Messen. Bei diesem Beispiel umfasst das Magnetmodul 206 einen ringförmigen Magneten, der entlang einer Innenoberfläche der Welle 210, nämlich einer Innenumfangsoberfläche in 2, positioniert ist. Der ringförmige Magnet umgibt teilweise das Sensormodul 102 und umgibt das Sensorelement 104 in Bezug auf die Rotationsachse z.
Bei diesem Beispiel ist das Sensormodul 102 in das Gehäuse 208 integriert. Das Sensormodul 102 kann einen O-Ring oder ähnliches Material aufweisen, um zwischen dem Sensormodul 102 und dem Gehäuse 208 (in 2 nicht gezeigt) abzudichten. Das Sensorelement 104 ist nahe an einem zweiten Ende des Moduls 102 positioniert. Das Sensorelement 104 misst typischerweise das Magnetfeld, das durch das Magnetmodul 206 erzeugt wird, genauer gesagt eine Richtung des Magnetfeldes bei Verwendung als ein Winkelsensor. Nach Rotation der Welle 210 erscheint das durch den Magneten erzeugte Magnetfeld dem Sensorelement 104 als ein Dreh-Magnetfeld, das verwendet werden kann, um eine Rotationsposition der Welle zu überwachen.
Die durch das Sensorelement 104 erhaltenen Messungen werden verwendet, um Winkelmessungen zu berechnen, umfassend eine radiale Position der Welle, eine Winkelposition der Welle, Rotationen pro Minute (RPM), eine Rotationsrichtung und dergleichen.
Eine Steuereinheit, z. B. eine elektronische Steuereinheit (ECU; ECU = Electronic Control Unit), kann die Messungen und/oder Winkelinformation von dem Sensormodul 102 empfangen.
3 ist ein Querschnittsdiagramm eines wellenintegrierten Sensorsystems 300 mit einer Hohlwelle oder zumindest einem dünnwandigen Endabschnitt der Welle und einem pillenförmigen Magneten. Das System 300 ist in einer vereinfachten Form bereitgestellt, um das Verständnis zu erleichtern. Das System 300 kann in rauen Umgebungen, automotiven Systemen, Fahrzeugsystemen und dergleichen verwendet werden. Das System 300 kann in ein oder mehrere Bauelemente gefertigt sein. Das System 300 ist ähnlich zu dem System 200, das oben beschrieben ist, verwendet aber einen pillenförmigen oder runden Magneten anstelle eines ringförmigen Magneten. Zusätzliche Details für einige der Komponenten können aus der obigen Beschreibung ähnlich nummerierter Komponenten entnommen werden.
Das System 300 umfasst ein Gehäuse 208, ein Sensormodul 102, ein Sensorelement 104, ein Magnetmodul 306 und eine Welle 210. Das System 300 integriert das Sensormodul 102 in die Welle 210, die das Sensormodul 102 von Störungen elektrisch, mechanisch und/oder magnetisch abschirmt.
Das Sensormodul 102 umfasst das Sensorelement 104, das innerhalb eines Gehäuses gebildet wird. Das Gehäuse ist ein überspritzter Kunststoff. Das Sensorelement 104 ist typischerweise mit einem Leitungsrahmen ausgebildet. Das Modul 102 weist Verbindungen von dem Leitungsrahmen des Sensorelements 104 zu Anschlüssen oder externen Verbindungen auf.
Das Gehäuse 208 kann Teil eines Antriebsstrangs, Getriebesystems und dergleichen sein. Das Gehäuse 208 ist ausgebildet zum Empfangen und Unterstützen der Welle 210. Das Gehäuse 208 weist eine ausgehöhlte Aussparung auf, die als eine Gehäuseaussparung bezeichnet wird, in die die Welle 210 eingefügt ist. Lager 212 oder eine andere Komponente/Bauelement sind ausgebildet zum Ermöglichen einer Rotation der Welle 210 ohne übermäßige Reibung.
Die Welle 210 ist von dem Gehäuse 208 getrennt. Ein erstes Ende der Welle ist an einem Motor oder anderen drehbaren Objekt angebracht und ein zweites Ende ist nahe dem Gehäuse 208. Die Welle 210 ist im Allgemeinen ein langer zylindrischer Stab, der ein geeignetes Material, z. B. wie oben beschrieben, umfasst. Die Welle 210 rotiert in einem Bereich von Rotationen pro Minute (RPM) und in einer Rotationsrichtung, im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn. Die RPM können Niedrig-RPM-Bereiche, z. B. 0 bis 200 RPM, und Hoch-RPM-Bereiche, z. B. diejenigen, die 4.000 RPM übersteigen, umfassen.
Die Welle 210 kann ausgehöhlt, voll oder anderweitig ausgebildet sein. In 3 ist die Welle 210 wieder ausgehöhlt und weist eine ausgewählte Wanddicke auf. Ein Abschnitt des Sensormoduls 102 erstreckt sich teilweise in den offenen Abschnitt der Welle 210 an dem zweiten Ende. Das Magnetmodul 306 befindet sich innerhalb des offenen Abschnitts der Welle.
Das Magnetmodul 306 erzeugt ein Magnetfeld mit einem Fluss und ist ausgebildet zum Messen. Die Welle 210 setzt das erzeugte Magnetfeld durch. Bei diesem Beispiel umfasst das Magnetmodul 306 einen pillenförmigen oder runden Magnet, der über der Öffnung in der Welle 210 positioniert ist. Der pillenförmige Magnet ist entlang der gleichen Achse z wie das Sensormodul 102 und das Sensorelement 104 positioniert. Ferner weist der pillenförmige Magnet einen Durchmesser und eine Dicke auf, die ausgewählt sind, um ein geeignetes Magnetfeld bereitzustellen. Der Durchmesser kann weniger sein als ein Durchmesser der Innenoberfläche der Welle 210.
Das Sensormodul 102 ist in das Gehäuse 208, wie oben beschrieben, integriert. Das Sensormodul 102 kann einen O-Ring oder ähnliches Material aufweisen, um zwischen dem Sensormodul 102 und dem Gehäuse 208 abzudichten. Das Sensorelement ist nahe an einem zweiten Ende des Moduls 102 positioniert. Das Sensorelement 104 misst das Magnetfeld, genauer gesagt eine Orientierung des Magnetfeldes, das durch das Magnetmodul 306 erzeugt wird.
Die durch das Sensorelement 104 erhaltenen Messungen werden verwendet, um eine Azimut- oder Winkel-Position der Welle, Rotationen pro Minute (RPM), eine Rotationsrichtung und dergleichen zu berechnen.
Eine Steuereinheit, z. B. eine elektronische Steuereinheit (ECU; ECU = Electronic Control Unit), kann die Messungen und/oder Winkelinformation von dem Sensormodul 102 empfangen.
4 ist ein Querschnittsdiagramm eines Sensorsystems 400 mit einer Vollwelle 410 und einem ringförmigen Magnetmodul 206. Das System 400 ist in einer vereinfachten Form bereitgestellt, um das Verständnis zu erleichtern. Das System 400 kann in rauen Umgebungen, automotiven Systemen, Fahrzeugsystemen und dergleichen verwendet werden. Zusätzlich kann das System 400 in ein oder mehrere Bauelemente gefertigt sein. Zusätzliche Details für einige der Komponenten können aus der obigen Beschreibung ähnlich nummerierter Komponenten entnommen werden.
Das System 400 umfasst ein Gehäuse 208, ein Sensormodul 102, ein Sensorelement 104, ein Magnetmodul 206 und eine Welle 410. Das System 200 integriert das Sensormodul 102 in die Welle 410, die das Sensormodul 102 von Störungen elektrisch, mechanisch und/oder magnetisch abschirmt.
Das Sensormodul 102 umfasst wieder das Sensorelement 104, das optional innerhalb eines Gehäuses gebildet wird. Bei einem Beispiel ist das Gehäuse ein überspritzter Kunststoff. Das Sensorelement 104 kann mit einem Leitungsrahmen ausgebildet sein. Das Modul 102 kann Verbindungen von dem Leitungsrahmen des Sensorelements 104 zu Anschlüssen oder externen Verbindungen aufweisen.
Das Gehäuse 208 kann Teil eines Antriebsstrangs, Getriebesystems und dergleichen sein. Das Gehäuse 208 ist ausgebildet zum Empfangen und Unterstützen der Welle 410. Das Gehäuse 208 umfasst eine ausgehöhlte Aussparung, in die die Welle 410 eingefügt ist. Optionale Lager 212 oder eine andere Komponente/Bauelement sind ausgebildet zum Ermöglichen einer Rotation der Welle 410 ohne übermäßige Reibung.
Die Welle 410 ist von dem Gehäuse 208 getrennt. Ein erstes Ende der Welle ist an einem Motor oder anderen drehbaren Objekt angebracht und ein zweites Ende ist nahe dem Gehäuse 208. Die Welle 410 ist im Allgemeinen ein langer zylindrischer Stab, der ein geeignetes Material, z. B. einem Metall, umfasst. Einige Beispiele eines geeigneten Metalls sind oben gezeigt. Die Welle 410 rotiert in einem Bereich von Rotationen pro Minute (RPM) und in einer Rotationsrichtung, im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn. Die RPM können Niedrig-RPM-Bereiche, z. B. 0 bis 200 RPM, und Hoch-RPM-Bereiche, z. B. diejenigen, die 4.000 RPM übersteigen, umfassen.
Bei diesem Beispiel ist die Welle 410 voll und weist einen ausgewählten Durchmesser auf. Das zweite Ende der Welle 410 weist einen Wellenhohlraum 414 auf. Der Hohlraum 414 wird innerhalb des zweiten Endes unter Verwendung eines geeigneten Mechanismus, z. B. Bohren, gebildet. Der Hohlraum 414 weist einen Durchmesser und eine Tiefe auf. Zumindest ein Abschnitt des Sensormoduls 102 erstreckt sich in den Wellenhohlraum 414. Zusätzlich befindet sich das Magnetmodul 206 innerhalb des Wellenhohlraums. Da sie voll ist, kann die Welle 410 eine größere Stärke aufweisen verglichen mit ausgehöhlten Wellen, wie in Bezug auf 2 und 3 erörtert.
Das Magnetmodul 206 erzeugt ein Magnetfeld mit einem Fluss und ist ausgebildet zum Messen. Bei diesem Beispiel umfasst das Magnetmodul 206 einen ringförmigen Magneten, der über einer Innenoberfläche des Wellenhohlraums 414 positioniert ist. Der ringförmige Magnet umgibt teilweise das Sensormodul 102 und umgibt das Sensorelement 104 in z-Richtung. Der ringförmige Magnet 206 stellt typischerweise ein besseres Feld zum Messen in Bezug auf eine axiale Verschiebung bereit als ein pillenförmiger Magnet.
Bei diesem Beispiel ist das Sensormodul 102 in das Gehäuse 208 integriert. Das Sensormodul 102 kann einen O-Ring oder ähnliches Material umfassen, um zwischen dem Sensormodul 102 und dem Gehäuse 208 abzudichten. Das Sensorelement ist nahe einem zweiten Ende des Moduls 102 positioniert. Das Sensorelement 104 misst das Magnetfeld, das durch das Magnetmodul 206 erzeugt wird.
Die durch das Sensorelement 104 erhaltenen Messungen werden verwendet, um eine radiale Position der Welle, Rotationen pro Minute (RPM), eine Rotationsrichtung und dergleichen zu berechnen. Eine Steuereinheit (nicht gezeigt), z. B. eine elektronische Steuereinheit (ECU) kann die Messungen und/oder Winkelinformation von dem Sensormodul 102 empfangen.
5 ist ein Querschnittsdiagramm eines wellenintegrierten Sensorsystems 500 mit einer Vollwelle und einem pillenförmigen Magneten. Das System 500 ist in einer vereinfachten Form bereitgestellt, um das Verständnis zu erleichtern. Das System 500 kann in rauen Umgebungen, automotiven Systemen, Fahrzeugsystemen und dergleichen verwendet werden. Zusätzlich kann das System 500 in ein oder mehrere Bauelemente gefertigt sein. Zusätzliche Details für einige der Komponenten können aus der obigen Beschreibung ähnlich nummerierter Komponenten entnommen werden.
Das System 500 umfasst ein Gehäuse 208, ein Sensormodul 102, ein Sensorelement 104, ein Magnetmodul 306 und eine Welle 410. Das System 200 integriert das Sensormodul 102 und das Magnetmodul 306 in die Welle 410, die das Sensormodul 102 von Störungen elektrisch, mechanisch und/oder magnetisch abschirmt.
Das Sensormodul 102 umfasst das Sensorelement 104, das innerhalb eines Gehäuses gebildet wird. Das Gehäuse ist ein überspritzter Kunststoff. Das Sensorelement 104 kann mit einem Leitungsrahmen ausgebildet sein. Das Modul 102 weist Verbindungen von dem Leitungsrahmen des Sensorelements 104 zu Anschlüssen oder externen Verbindungen auf.
Das Gehäuse 208 kann Teil eines Antriebsstrangs, Getriebesystems und dergleichen sein. Das Gehäuse 208 ist ausgebildet zum Empfangen und Unterstützen der Welle 410. Das Gehäuse 208 weist eine ausgehöhlte Aussparung auf, in die die Welle 410 eingefügt ist. Lager 212 oder eine andere Komponente/Bauelement sind ausgebildet zum Ermöglichen einer Rotation der Welle 410 ohne übermäßige Reibung.
Die Welle 410 ist von dem Gehäuse 208 getrennt. Ein erstes Ende der Welle ist an einem Motor oder anderen drehbaren Objekt angebracht und ein zweites Ende ist nahe dem Gehäuse 208. Die Welle 410 ist im Allgemeinen ein langer zylindrischer Stab, der ein geeignetes Material, z. B. wie oben gezeigt, umfasst. Die Welle 410 rotiert in einem Bereich von Rotationen pro Minute (RPM) und in einer Rotationsrichtung, im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn. Die RPM können Niedrig-RPM-Bereiche und Hoch-RPM-Bereiche und Variationen derselben umfassen.
Die Welle 410 ist voll und weist einen ausgewählten Durchmesser auf. Das zweite Ende der Welle 410 weist einen Wellenhohlraum 414 auf. Der Hohlraum 414 wird innerhalb des zweiten Endes unter Verwendung eines geeigneten Mechanismus gebildet. Der Hohlraum 414 weist einen Durchmesser und eine Tiefe auf. Ein Abschnitt des Sensormoduls 102 erstreckt sich teilweise in den Wellenhohlraum 414. Zusätzlich befindet sich das Magnetmodul 306 innerhalb des Wellenhohlraums.
Das Magnetmodul 306 erzeugt ein Magnetfeld mit einem Fluss und ist ausgebildet zum Messen. Bei diesem Beispiel umfasst das Magnetmodul 306 einen pillenförmigen Magneten, der in dem Wellenhohlraum 414 positioniert ist. Der pillenförmige Magnet ist auf einer Achse mit dem Sensor 104, nämlich der z-Achse in 5, positioniert. Ferner weist der pillenförmige Magnet einen Durchmesser und eine Dicke auf, wie in Bezug auf 3 oben beschrieben.
Bei diesem Beispiel ist das Sensormodul 102 in das Gehäuse 208 und die Welle 410 integriert. Das Sensormodul 102 kann einen O-Ring oder ähnliches Material umfassen, um zwischen dem Sensormodul 102 und dem Gehäuse 208 abzudichten. Das Sensorelement ist nahe an einem zweiten Ende des Moduls 102 positioniert. Das Sensorelement 104 misst das Magnetfeld oder eine Richtung des Magnetfeldes, das durch das Magnetmodul 206 erzeugt wird. Das Magnetfeld von dem Magneten 206 ist für den Sensor „sichtbar” als ein Dreh-Magnetfeld, das eine Winkelposition der rotierenden Welle 410 anzeigt.
Die durch das Sensorelement 104 erhaltenen Messungen werden verwendet, um eine radiale Position der Welle, Rotationen pro Minute (RPM), eine Rotationsrichtung und dergleichen zu berechnen, wie oben bereits erklärt wurde. Eine Steuereinheit (nicht gezeigt), z. B. eine elektronische Steuereinheit (ECU) kann die Messungen und/oder Winkelinformation von dem Sensormodul 102 empfangen. Die Messungen oder Information umfassen analoge oder digitale Rohdaten, berechnete Winkelinformation und dergleichen.
6 ist ein Diagramm, das ein Sensormodulsystem 600 darstellt. Das System 600 kann mit den obigen Systemen und Bauelementen verwendet werden und ist bereitgestellt, um das Verständnis zu erleichtern.
Das System 600 umfasst ein Sensormodul 102, eine Schnittstelle 616 und eine Steuerung oder Steuereinheit 614. Das Sensormodul 102 umfasst ein Sensorelement 104. Das Sensorelement 104 ist eine magnetempfindliche Technologie, z. B. ein magnetoresistiver Hall-Effekt, und dergleichen. Das Sensorelement 104 ist ausgebildet zum Messen eines Magnetfeldes, einer magnetischen Flussdichte, einer Magnetfeldrichtung und dergleichen nahe dem Element 104. Das Sensorelement 104 ist auf einem Chip gebildet und weist einen Leitungsrahmen für Leistung und zum Bereitstellen von Messungen auf.
Das Sensormodul 102 umfasst ein Gehäuse 618, das aus einem geeigneten Material, z. B. überspritztem Kunststoff, gebildet ist. Das Gehäuse 618 dichtet im Allgemeinen das Sensorelement 104 gegen Partikel und andere Störungen ab.
Die Schnittstelle 616 ist mit dem Sensorelement 104 verbunden. Die Schnittstelle 616 kein eine oder mehrere Verdrahtungen/Verbindungen mit dem Sensorelement 104 und extern mit dem Gehäuse 618 aufweisen. Die Schnittstelle 616 ist ausgebildet zum Übertragen von Messergebnissen von dem Sensorelement 104 zu der Steuerung 614 und zum Versorgen des Sensorelements 104 mit Leistung.
Die Steuerung 614 ist mit der Schnittstelle 616 verbunden und ist ausgebildet zum Steuern des Sensorelements 104 und zum Empfangen von Magnet-Feld-/-Fluss-Messergebnissen von dem Sensorelement 104. Die Steuerung 614 bestimmt eine Winkelinformation über eine Komponente, z. B. Winkelposition, winkelige Position, Rotationsgeschwindigkeit, Beschleunigung und dergleichen. Die Komponente ist im Allgemeinen eine drehbare Komponente, z. B. eine Motorwelle, Rad, Antriebsstrangwelle, Getriebewelle und dergleichen. Insbesondere ist die Steuerung 614 ausgebildet zum Bestimmen einer Winkelposition, einer Winkelrichtung, von RPM und dergleichen.
7 ist eine Querschnittsansicht, die einen ringförmigen Magneten 700 darstellt, der in einem Magnetmodul, z. B. dem oben beschriebenen Magnetmodul, verwendet werden kann. Der ringförmige Magnet 700 kann in den obigen Systemen verwendet werden, um ein Magnetfeld zum Messen von Winkelinformation, umfassend Position und RPM, zu erzeugen.
Der Magnet 700 ist innerhalb eines Endes einer Welle eines Motors, Rads und dergleichen positioniert. Der Magnet erzeugt ein geeignetes Feld, das durch seine Zusammensetzung und Abmessungen bestimmt ist.
Die Abmessungen umfassen einen Außendurchmesser 720, eine Breitendicke 722 und einen Innendurchmesser 724. Die Differenz zwischen dem Innendurchmesser 724 und dem Außendurchmesser definiert eine Ringdicke. Im Allgemeinen, je größer die Breitendicke und die Ringdicke, umso größer das erzeugte Magnetfeld und umso toleranter kann das Sensorelement gegenüber Verschiebungen des Sensors relativ zu dem Magneten sein, was auch als Positionierungstoleranzen bezeichnet wird.
8 ist eine Querschnittsansicht eines pillenförmigen oder runden Magneten 800, der in einem Magnetmodul, z. B. dem oben beschriebenen Magnetmodul, verwendet werden kann. Der pillenförmige Magnet 800 kann in den obigen Systemen verwendet werden, um ein Magnetfeld zum Messen von Winkelinformation, umfassend Position und RPM, zu erzeugen.
Der Magnet 800 kann innerhalb eines Endes einer Welle eines Motors, Rads und dergleichen positioniert sein. Der Magnet 800 erzeugt eine geeignete Magnetfeldverteilung oder -fluss, was durch seine Zusammensetzung und Abmessungen bestimmt ist.
Die Abmessungen umfassen einen Durchmesser 820 und eine Dicke 822. Im Allgemeinen, je größer der Durchmesser 820 und je größer die Dicke 822, umso größer das erzeugte Magnetfeld und umso toleranter kann das Sensorelement gegenüber Positionstoleranzen sein, wie nachfolgend detaillierter erklärt wird.
9 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 900 des Betreibens eines Sensorbauelements darstellt. Das Verfahren 900 fügt ein oder integriert ein Sensormodul in eine Welle, um eine Abschirmung gegenüber Störungen bereitzustellen, und setzt optional eine Erzeugung eines Magnetfeldes durch. Das Verfahren 900 kann in Verbindung mit den obigen Systemen, Bauelementen und Variationen derselben verwendet werden.
Das Verfahren 900 beginnt bei Block 902, wobei ein Sensormodul in eine Welle und/oder ein Gehäuse ausgebildet oder positioniert ist. Die Welle stellt eine Abschirmung an das Sensormodul bereit, sodass Störungen, z. B. diejenigen, die oben beschrieben sind, verringert oder vermieden werden. Das Gehäuse kann ein Gehäuse oder eine Wand einer Kammer, z. B. einer automotiven Getriebekomponente, und dergleichen sein. Das Sensormodul kann überspritzt sein und kann typischerweise aus dem Gehäuse entfernt werden. Das Sensormodul umfasst ein Sensorelement (magnetoresistiv), das ausgebildet ist zum Messen von Magnetfeldern in einer, zwei oder drei Achsen (1D, 2D, 3D) oder einer Richtung von Magnetfeldern.
Eine Welle ist ausgebildet zum Aufweisen einer Wellenaussparung und ein Magnetmodul ist innerhalb der Wellenaussparung an Block 904 positioniert. Die Wellenaussparung kann in einer Voll- oder ausgehöhlten Welle durch Bohren oder einen anderen geeigneten Mechanismus gebildet werden. Das Magnetmodul umfasst einen Magneten, z. B. einen ringförmigen Magneten oder einen pillenförmigen Magneten.
Ein Magnetfeld wird durch das Sensormodul an Block 906 gemessen. Das Magnetfeld rotiert mit der Welle, wenn die Welle rotiert wird. Das Magnetfeld ist von Störungen durch die Welle im Wesentlichen abgeschirmt und folglich wird das Magnetfeld ohne die Störungen erzeugt.
Das Magnetfeld wird durch das Sensormodul an Block 908 gemessen. Das Sensormodul ist durch die Welle abgeschirmt und ist folglich von Störungen im Wesentlichen abgeschirmt. Folglich sind Magnetfeldmessungen, die irgendeine Abschirmung verwenden, im Allgemeinen genauer als nicht-abgeschirmte Ansätze.
Winkelinformation wird durch eine Steuereinheit basierend auf den Magnetfeldmessungen an Block 910 bestimmt. Die Winkelinformation umfasst z. B. eine Rotationsgeschwindigkeit der Welle, eine Winkelposition der Welle und dergleichen. Es versteht sich, dass die Winkelinformation alternativ durch das Sensorelement hergeleitet sein kann und die hergeleitete Winkelinformation wird an die ECU weitergeleitet.
Unter Betrachtung eines Aufbaus wie in 10 wird nachfolgend erörtert, wie tief das Sensorelement (wie z. B. in Bezug auf 1–6 erörtert) vorzugsweise im Inneren der Achse oder Röhre 101 sein soll. 10 zeigt eine Querschnittsansicht einer Welle 101 mit einer Bohrung an ihrem linken Ende. Ein Bohrungsdurchmesser ist Di. Die Welle 101 kann aus einem weichmagnetischen Material sein. Dies bedeutet, dass die relative Permeabilität μ_r größer ist als 100, typischerweise zwischen 1000 und 10000, und die Koerzitivfeldstärke ist gering, typischerweise weniger als 1 kA/m. Der Magnet (siehe z. B. Magnet 206 in 2 und 4, Magnet 306 in 3 und 5, Magnetring 700 in 7 oder Magnetpille 800 von 8) ist hier nicht gezeigt, da er für die folgende, gegebene Regel irrelevant ist.
Das Sensorelement 104 (in 10 nicht gezeigt) weist einen empfindlichen Punkt auf, der durch ein Kreuz x auf der Rotationsachse z bezeichnet ist. Ungeachtet eines gegebenen Magneten soll der empfindliche Punkt des Magnetfelderfassungselements 104 (z. B. Sensorelement 104 von 1–6) vorzugsweise in einer Distanz da innerhalb der Bohrung sein, wobei da > 0,4·Di. Unter dieser Bedingung schirmt das permeable, dünnwandige Wellenende externe Magnetfelder von dem Sensorelement 104 effektiv ab. Wenn das Sensorelement 104 um mehr als da = 0,4·Di eingefügt ist, verbessert sich die Abschirmung im Allgemeinen, jedoch nur moderat für einen großen da. Wenn das Sensorelement 104 um weniger als da = 0,4·Di eingefügt ist, ist ein bedeutender Abschnitt eines jeglichen externen Magnetfeldes immer noch an der Sensorstelle vorhanden und kann eine (Winkel-)Sensorfunktion des Sensorelements 104 korrumpieren.
11A zeigt eine Konfiguration, die für numerische Simulationen verwendet wird, um zu der obigen Schätzung der Einfügung da des Sensorelements 104 zu gelangen, damit sie weniger als 0,4·Di in die Bohrung eines dünnwandigen Endabschnitts einer drehbaren Welle 101 ist. Angenommene Parameter bei der Simulation waren: ein Innendurchmesser Di = 22 mm der Welle, ein Außendurchmesser der Welle von 26 mm, eine relative Permeabilität μ_r der Achse wurde von 100 bis 7400 variiert. Das Rohr 101 erstreckt sich entlang einer z-Richtung von z = –50 mm bis +50 mm. Aufgrund von Symmetriebetrachtungen ist in 11A nur 1/8 der Geometrie modelliert. Bei diesen Simulationen wurde ein magnetisches Störfeld in der B_x-Richtung angelegt und es wurde angenommen, dass das Sensorelement 104 empfindlich gegenüber der B_x-Komponente ist.
11B stellt Ergebnisse einer Simulation basierend auf den Parameter und dem Aufbau, wie in Verbindung mit 11A dargestellt, dar. In 11B ist eine Größe des Verhältnisses der B_x-Komponente, die an der Sensorstelle abgetastet wird, über die angelegte B_x-Komponente in einer großen Distanz außerhalb des Rohrs aufgetragen.
Als Abszisse für die Skizze von 11B ist ein Verhältnis einer z-Position über einen Durchmesser (bei z = 0,05 m endet das Rohr) aufgetragen, das gleich (–1)·da/Di für die obigen Parameter ist, die in der Simulation verwendet werden. Der Parameter, der in der Simulation von 11B variiert wurde, war die relative Permeabilität μ_r.
Wenn ein Testpunkt, nämlich die potentielle Sensorposition entlang der z-Achse, ein halber Durchmesser innerhalb des Rohrs 101 ist, ist die Abschirmung ziemlich gut. Tief im Inneren des Rohrs 102 ist die Abschirmung
gemäß Kaden „Wirbelströme und Schirmung in der Nachrichtentechnik”, S. 82, wobei d eine Wanddicke bezeichnet. Gemäß 10 ist 2·d gleich Außendurchmesser D – Innendurchmesser Di.
Von dieser Formel kann man die folgende Faustregel für den Winkelfehler ableiten, wenn das Magnetfelderfassungselement tief im Inneren der Bohrung ist: Ein Winkelfehler [°] = ca. (57/μr)·(Di/d)·(B_d/B_m), mit dem Störungsmagnetfeld B_d und dem Magnetfeld des Magneten B_m. Normalerweise sind die Störfelder bis zu 1,5 mT, das Feld des Magneten ist 40 mT, und der Winkelfehler soll weniger als 0,2° sein.
Daher gelangt man zu einer Entwurfsregel von: μ_r·d/Di > 10.
Die relative Permeabilität μ_r der Abschirmung, mal ihrer Dicke d, geteilt durch den Innendurchmesser soll größer sein als 10 sein.
Beispiel:
Das Rohr 101 weist einen Innendurchmesser von 22 mm und eine Wanddicke von 2 mm auf, das Feld des Magneten ist 40 mT, und die Störung ist 1,5 mT. Wenn der Sensor im Inneren des Rohrs 11 mm ist, mit μ_r = 800, ist die Abschirmung 3%, sodass die Störung im Inneren des Rohrs 0,03·1,5 mT = 0,045 mT ist. Dies gibt einen Winkelfehler von 0,045/40·180/pi = 0,065° und es gilt μ_r·d/Di = 800·2/22 = 73 > 10.
Wenn man μ_r um einen Faktor von 7,3 reduziert, würde dies einen Grenzwert von μ_r·d/Di = 10 geben und zu einem Winkelfehler von 0,065°·7,3 = 0,47° führen. Für eine bessere Abschirmung sind eine größere μ_r und/oder eine dickere Wand des Rohrs 101 und/oder ein kleinerer Durchmesser Di der Bohrung von Vorteil.
Ausgehend von der obigen numerischen Simulation versteht ein Fachmann, dass bei einer kleinen μ_r die Abschirmung geringer ist als für eine große μ_r – was trivial ist. Dennoch erkennt ein Fachmann ferner, dass es für eine große μ_r umso interessanter ist, das Sensorelement 104 tief genug in die Bohrung der Welle 101 einzufügen: Das bedeutet, wenn das Sensorelement 104 nur um 0,4·Di (was dem Abszissenwert (z – 0,05)/0,022 = –0,4 entspricht), in die Bohrung eingefügt wird, ist die Abschirmung so ziemlich die Gleiche für μ_r = 7400 und μ_r = 3200, aber wenn das Sensorelement um Di (was dem Abszissenwert (z – 0,05)/0,022 = –1 entspricht) eingefügt wird, schirmt die μ_r = 7400-Kurve externe Felder mehr als 2,5 Mal besser ab als für μ_r = 3200.
Ein weiterer, zu berücksichtigender Aspekt ist ein Effekt von Wirbelströmen und/oder Hysterese für einen Aufbau, wobei das Sensorelement 104 und/oder der Magnet innerhalb einer Bohrung entlang der Rotationsachse angeordnet sind.
Wenn das magnetische Erfassungselement 104 entlang der Rotationsachse (die die z-Achse in 10 ist) positioniert ist, und der Permanentmagnet an der drehbaren Welle angebracht ist, gibt es zwei Möglichkeiten zum Abschirmen des magnetischen Erfassungselements 104 gegenüber externen magnetischen Störungen:
Die Abschirmung kann in Bezug auf den Magneten in Ruhe sein, oder (ii) Magnet und Abschirmung können gegeneinander rotieren.
In Fall (i) kann die Abschirmung an dem Magneten oder an der Welle 101 angebracht sein, sodass Magnet und Abschirmung synchron um das (Magnetfeld-)Erfassungselement 104 rotieren. Im Fall (ii) kann die Abschirmung an dem Sensorelement 104 oder an einem Stator, z. B. einem Befestigungspunkt für die Welle, angebracht sein, wobei er nicht mit der Welle rotiert.
Es wird bevorzugt, dass sich die Abschirmung relativ zu dem Magneten nicht bewegt. Ein solcher Aufbau verhindert das starke Feld des Magneten (206 in 2, 4, 306 in 3, 5, 700 in 7 und 800 in 8), um Wirbelströme innerhalb der Abschirmung zu erzeugen. Diese Wirbelströme sollen vermieden werden, weil sie ein sekundäres Magnetfeld erzeugen, das zu einem Winkelfehler bei der Winkelmessung des Sensors 104 führt. Die Wirbelströme führen zu einem Magnetfeld, das hinter dem Dreh-Magnetfeld während der Rotation der Welle zurückbleibt, was umso kritischer ist, je schneller die Rotation der Welle 101 ist.
Ferner gibt es eine kleine Kraft zwischen Wirbelströmen und Magneten, die stören kann, zum Beispiel in der Form einer Rotationsenergie, die in Wärme abgeführt wird.
Ferner ist bei Verwendung einer Abschirmung eine genaue relative Positionierung zwischen Abschirmung und Magnet von Interesse. Angenommen Magnet und Abschirmung sind nicht koaxial, kann dies das durch das Erfassungselement 104 erfasste Magnetfeld verzerren und zu Winkelfehlern führen. Im Allgemeinen ist es einfacher, eine exakte Position zwischen Abschirmung und Magnet zu definieren, wenn sie sich nicht gegeneinander bewegen. Umgekehrt, ihre relative Positionierung ist weniger genau, wenn sie gegeneinander rotieren, z. B. aufgrund von Zwischenräumen in den Lagern.
Schließlich kann eine magnetische Hysterese der Abschirmung zu zusätzlichen Winkelfehlern für den gemessenen Winkel führen. Wenn die Richtung von Rotationsänderungen häufig ist: die Abschirmung kann kleine magnetische Verzerrungen zu dem durch den Magneten verursachten Magnetfeld hinzufügen. Die magnetischen Verzerrungen aufgrund von Hysterese der magnetischen Abschirmung sind typischerweise unterschiedlich für eine Rotation im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn, weil die Hysterese der Abschirmung verursacht, dass das gesamte Feld hinter dem Magnetfeld zurückbleibt.
In bestimmten Fällen kann es immer noch vorzuziehen sein, eine magnetische Abschirmung zu verwenden, die in Ruhe mit dem Sensor 104 ist, und der Magnet daher gegen die Abschirmung rotiert: Ein solcher Aufbau ist von Interesse, wenn es erforderlich ist, das Trägheitsmoment der Welle 101 klein zu halten, sodass man die Abschirmung nicht auf der Welle 101 befestigen möchte.
Weiter oben in dieser Offenbarung wurde das Erfassungselement 104 als eine integrierte Schaltung beschrieben. Als eine Alternative kann das Erfassungselement 104 als ein diskretes Element implementiert sein. Beide Optionen haben ihre eigenen Vorzüge, wie nachfolgend detaillierter erklärt wird.
Eine Winkelsensorschaltung, die das Erfassungselement 104 implementiert, benötigt typischerweise zumindest ein Magnetfelderfassungselement, um die Rotationsposition des Magneten basierend auf dem (Dreh-)Magnetfeld an der Sensorposition zu detektieren. Zu diesem Zweck kann man Magnetowiderstände wie AMRs (anisotrope Magnetowiderstände; AMR = anisotropic magneto-resistor), GMRs (Riesenmagnetowiderstände; GMR = giant magneto-resistor), TMRs (Tunnelmagnetowiderstände; TMR = tunneling magneto-resistor), CMRs (kolossale Magnetowiderstände; CMR = colossal magneto-resistor), Hall-Platten, Vertikal-Hall-Effekt-Bauelemente, MAGFETs oder ein Magnetoimpedanzsensorelement verwenden.
In vielen Fällen benötigt die Sensorschaltung sogar zwei oder mehr solche Sensorelemente zum Implementieren des Erfassungselements 104, die in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind: Die unterschiedlichen Richtungen sind: im Fall von Magnetowiderständen oder Hall-Effekt-Bauelementen ihre Referenzrichtungen (d. h. die Stromflussrichtung im Fall von AMRs, Hall-Effekt-Bauelementen und MAGFETs, während die Referenzrichtung eine Richtung von gepinnter (festgelegter) Magnetisierung im Fall von GMR, TMR, CMR ist). Es ist erforderlich, dass die unterschiedlichen Richtungen deutlich unterschiedlich sind, was zumindest um 15° unterschiedlich bedeutet.
Bei einem idealen Aufbau sind die unterschiedlichen Richtungen um 90° unterschiedlich; mit Ausnahme von AMRs, wo sie um 45° unterschiedlich sind. Diese mehr als ein Magnetfelderfassungselemente sollen verglichen mit dem Magneten klein sein und nahe zusammen (nahe verglichen mit einer charakteristischen Abmessung des Magneten): Wenn der Magnet eine Abmessung von 10 mm aufweist, sollen alle Magnetfelderfassungselemente, die zum Berechnen des Winkels beim Implementieren des Erfassungselements 104 verwendet werden, innerhalb einer Region von < 0,5 mm liegen (d. h. 1/20 des Magneten). Als eine bevorzugte obere Grenze kann man sagen: Sie sollten nicht mehr als 1/10 der Größe des Magneten voneinander entfernt sein. Die Größe des Magneten ist wie folgt auszulegen: Die Magnetanordnung ist typischerweise durch drei räumliche Abmessungen charakterisiert. Abhängig von den Umständen können die drei räumlichen Abmessungen identisch sein, in welchen Fall diese Abmessung als eine Größe des Magneten betrachtet werden kann. Wenn allerdings die drei räumlichen Abmessungen des Magneten nicht identisch sind, kann für die verbleibende Offenbarung jegliche der drei räumlichen Abmessungen so betrachtet werden, dass sie eine Größe des Magneten repräsentiert.
Zum Implementieren des Erfassungselements 104 ist es irrelevant, ob nur die Magnetfelderfassungselemente innerhalb der Bohrung 101 platziert sind oder ob Magnetfelderfassungselemente plus Signalkonditionierungsschaltungen innerhalb der Bohrung platziert sind (am besten zu sehen in 10). Im ersten Fall kann das Erfassungselement 104 unter Verwendung diskreter Wandler implementiert sein, in letzterem Fall kann das Erfassungselement 104 unter Verwendung integrierter Sensoren implementiert sein.
Integrierte Sensoren sind so auszulegen, dass sie eine integrierte Schaltung umfassen. Die integrierte Schaltung ist eine elektronische Schaltung, die die Sensorelemente mit Leistung versorgt und optional ihre Ausgangssignale konditioniert, z. B. durch Vorverstärken und A/D-Wandlung und Kalibrierung gegen Temperatur-Drift etc.
Abhängig von Umständen kann es von Interesse sein, den integrierten Sensor auf einem Einzelchip oder als eine Multichip-Lösung in einem gemeinsamen Gehäuse zu implementieren.
TMRs sind ideal geeignet als diskrete Magnetfelderfassungsbauelemente, weil sie große Signale erzeugen, die über eine Distanz von mehreren Zentimetern oder mehreren zehn Zentimetern zu einer Signalkonditionierungsschaltung übertragen werden können. Es ist auch möglich, mehrere Chips in ein einzelnes elektronisches Gehäuse einzusetzen und dieses in die Bohrung der Welle 101 einzufügen.
Schließlich sollt erwähnt werden, dass es nicht erforderlich ist, dass der integrierte Sensor, genauer gesagt ein Sensorchip, entlang der z-Achse oder entlang jeglicher vordefinierter Orientierung innerhalb des Magneten oder innerhalb der Welle 101 ausgerichtet ist, wenn der integrierte Sensor, der das Erfassungselement 104 implementiert, ein 3D-Magnetfeldsensor ist. 3D-Magnetfeldsensor ist auszulegen als ein Sensor, der im Wesentlichen alle Komponenten des Magnetfeldvektors misst. Ein solcher 3D-Magnetfeldsensor kann aus einer Hall-Platte zum Detektieren z. B. der x-Komponente des Magnetfeldvektors, einem Vertikal-Hall-Effekt-Bauelement zum Detektieren z. B. der y-Komponente des Magnetfeldvektors, plus einem Vertikal-Hall-Effekt-Bauelement zum Detektieren z. B. der z-Komponente des Magnetfeldvektors bestehen. Ein Fachmann erkennt ohne Weiteres andere mögliche Implementierungen eines 3D-Sensors, die der Kürze halber hier nicht erklärt werden.
Ein Fachmann erkennt ferner, dass ein Lager, dass beim Positionieren des Erfassungselements 104 innerhalb der Welle 210 verwendet wird, einen Effekt auf die Performance (Leistungsfähigkeit) des Winkelsensors haben kann, wie nachfolgend kurz erörtert wird.
12 stellt eine Querschnittsansicht des Endabschnitts der Welle 210 da, der einen Magneten 206 umfasst. Das Lager 212 wird verwendet, um ein Gehäuse 208 zu befestigen, die wiederum hilft, das/die Sensorelement(e) 104 zu befestigen. Da das/die Magnetfelderfassungselement(e) 104 und der Magnet 206 im Inneren der Bohrung an dem Endabschnitt der Welle 210 platziert sind, gibt es ein potentielles Risiko, dass das/die Erfassungselement(e) 104 und/oder der Magnet 206 das Lager 212 (z. B. Kugellager, aber nicht darauf beschränkt) der Welle 210 stören, was normalerweise auch nahe dem Endabschnitt 210 der Welle ist.
Einerseits reduziert die Bohrung die Stärke der Welle 210. Wenn eine Wanddicke ((D-Di)/2 in 10) zu gering ist, kann es passieren, dass sich der Endabschnitt der Welle 210 unter schwerer Last deformiert, was dazu führen kann, dass der Magnet 206 bricht oder sich löst und nicht mehr starr an der Welle 210 angebracht ist. Wenn das Lager 212 versagt, kann es sich erhitzen und dieser Temperaturanstieg kann verursachen, dass der Magnet 206 nicht richtig funktioniert oder auseinanderfällt oder sich von dem Endabschnitt der Welle 210 löst. Das Lager 212 setzt normalerweise irgendeine Art von Schmierfett ein, um eine Reibung zu reduzieren und dieses Schmierfett erreicht das Sensorgehäuse 102 und/oder den Magneten 206, wo es zu einer ungewollten chemischen Interaktion führen kann (z. B. die Stärke des Klebstoffs reduzieren, der den Magneten 206 an der Welle 210 anbringt).
Eine einfache Abhilfemaßnahme gegen diese Probleme ist, das Sensorelement 104 und den Magneten tiefer ins Innere der Bohrung zu bewegen, was sowieso empfohlen wird, um eine elektromagnetische Abschirmung zu verbessern.
12A stellt eine erste Lösung für einige der Probleme bezogen auf das Lager, wie vorher erörtert, dar. 12A zeigt eine Querschnittsansicht eines Endabschnitts der Welle 101 parallel zu einer Rotationsachse, die als z-Achse angezeigt ist.
In 12A wird ein Lager 212 weiter als in 12 über eine Welle gezogen, d. h. das Lager ist weiter entfernt von der Bohrung positioniert. Bei dem Aufbau von 12A gibt es zwei Magneten 206, die ein Magnetfeld an einer Position des Erfassungselements 104 erzeugen. Ohne Einschränkung können die Magneten 206 als ein einheitlicher Körper oder umfassend mehr als zwei Körper implementiert sein. Die Position des Erfassungselements 104 in einer Distanz da von einer Öffnung der Bohrung entfernt ist wiederum durch ein Kreuz x angezeigt, wie vorher in Verbindung mit 10 erörtert.
Für die Anordnung von 12A werden Kraft und mechanische Belastung, die von dem Magneten 206 erfahren und durch das Lager 212 verursacht werden, minimiert. Anders ausgedrückt, eine Interaktion zwischen dem Lager 212 und dem Magneten 206 wird reduziert verglichen mit dem Aufbau wie in 12 erörtert. Eine thermische Kopplung zwischen dem Lager 212 und dem/den Magnet(en) wird in dem Aufbau von 12A minimiert verglichen mit dem Aufbau von 12. Die Welle 101 kann eine kleine Schulter 103 (e. g. 1/10 mm in radialer Richtung) aufweisen, die vermeidet, dass der dünnwandige Teil der Welle beschädigt wird, wenn das Lager 212 über die Welle 101 gezogen wird.
12B stellt eine Situation dar, nachdem eine Muffe (sleeve) 214a auf dem dünnwandigen Endabschnitt der Welle +101, wie in 12A dargestellt, befestigt ist. Der Kürze halber sind gleiche Elemente unter Verwendung gleicher Bezugszeichen dargestellt. Die Implementierung von 12B verbessert eine Abschirmung über der Anordnung von 12A aufgrund einer insgesamt erhöhten Wanddicke an dem Endabschnitt der Welle 101:
Es ist zu beachten, dass eine leichte Exzentrizität der Außenmuffe 214a (z. B. aufgrund von Befestigungstoleranzen – in 12B nicht gezeigt) höchstwahrscheinlich einen Winkelfehler des Winkelsensors, nämlich des/der Erfassungselement(e) 104 nicht erhöht. Der Grund dafür ist, dass der Innenschirm der durch den dünnwandigen Abschnitt der Dicke d gebildet ist, dominant ist. Das bedeutet, der Innenschirm schirmt den Magneten von der Außenmuffe 214a ab, sodass jegliche Interaktion zwischen Magnet 206 und Muffe 214a durch den Innenschirm deutlich reduziert ist. Es ist allerdings zu beachten, dass die Außenmuffe 214a die Abschirmeffizienz in Bezug auf externe magnetische Störungen erhöht.
Vorzugsweise sollte gelten d2 > d, d. h. die Außenmuffe 214a sollte eine größere Dicke d2 aufweisen als der dünnwandige Endabschnitt der Welle 101. Selbst wenn d2 > d nicht gilt, verbessert die Außenmuffe 214a allerdings die Abschirmung, aber mit geringerer Effizienz.
Noch bevorzugter sollte gelten da2 > da, d. h. die Außenmuffe 214a ist länger in axialer Richtung als die Distanz da, um die das/die Magnetfelderfassungselement(e) 104 in die Bohrung eingefügt sind. Selbst wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, verbessert die Außenmuffe 214a allerdings die Abschirmung, aber mit geringerer Effizienz.
Die Muffe 214a ist vorzugsweise ein weich(magnetisches) Material mit großer relativer Permeabilität μ_r > 10, vorzugsweise μ_r > 100, noch bevorzugter μ_r > 1000 und wiederum noch bevorzugter μ_r > 10000. Es ist anzumerken, dass die Muffe 214a aus einem unterschiedlichen Material hergestellt sein kann als die Welle 101. Wenn die Muffe 214a und die Welle 101 aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, wird bevorzugt, dass die Muffe 214a einen größeren μ_r aufweist als die Welle 101 aus den folgenden Gründen: Der (Permanent-)Magnet 206 weist eine starke Magnetisierung auf. Da der Magnet 206 näher an dem dünnwandigen Wellenendabschnitt der Wanddicke d ist, magnetisiert der Magnet 206 auch den dünnwandigen Endabschnitt der Welle 101. Diese Magnetisierung des dünnwandigen Wellenendabschnitts verschlechtert die Abschirmkapazität desselben: der dünnwandige Wellenendabschnitt kommt näher an eine Sättigung, wodurch seine effektive Permeabilität für kleine, überlagerte, externe Magnetfelder reduziert wird.
Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist Sättigung so zu verstehen, dass im Wesentlichen alle magnetischen Momente im Inneren eines Materials mit dem (starken) Nettomagnetfeld ausgerichtet werden, sodass sie nicht weiter auf zusätzliche, überlagerte, kleine Magnetfelder antworten können.
Folglich kann sich der dünnwandige Endabschnitt der Welle 101 nicht länger gegen die überlagerten kleinen Magnetfelder abschirmen. Der Nettoeffekt ist, dass diejenigen Teile der Welle 101, die einem großen Magnetfeld ausgesetzt sind, weniger effizient für eine Abschirmung sind – sie agieren, als ob die Wand des dünnwandigen Endabschnitts in einem magnetischen Sinne noch dünner wird. Je größer eine relative Permeabilität μ_r eines Materials, umso kleiner sind die Magnetfelder, um das Material zu sättigen.
12C stellt dieses Verhältnis dar. B ist die Flussdichte in Tesla-[T]-Einheiten, H ist das Magnetfeld in Amper-Einheiten pro Meter [A/m] und μ0 ist die magnetische Permeabilität eines Vakuums (= 4π·10^–7 [T]), und B_rem ist die Remanenz des Materials, das erhalten wird, wenn alle internen Momente entlang des Erregung-H-Feldes ausgerichtet sind: je steiler die Kurve nahe an dem Ursprung H = 0 ist, umso größer ist die relative Permeabilität μ_r, aber dies bedeutet auch, dass das Material bei kleineren Magnetfeldern H₁ < H₂ sättigt als für ein Material mit kleinerer Neigung nahe dem Ursprung H = 0, wie durch die gestrichelte Linie in 12C zum Vergleich angezeigt.
Es ist ferner denkbar, dass die Muffe 214a (siehe 12B) der einzige Teil ist, der magnetostatische Felder in dem Aufbau von 12B abschirmt. Eine solche Situation kann z. B. auftreten, wenn die Welle 101 aus einem nicht-magnetischen Material, z. B. Aluminium oder Blech oder Kohlefaser, hergestellt ist, während die Muffe 214a aus einem weichmagnetischen Material hergestellt ist. Unter solchen Bedingungen schirmt die Muffe 214a das/die Magnetfelderfassungselement(e) 104 gegenüber externer magnetischer Störung ab.
Die Abschirmung 214a minimiert auch ungewollte Interaktion zwischen dem Lager 212 und dem Magneten 206. Es versteht sich, dass das Lager 212 bewegliche Teile (z. B. die Kugeln) aufweist, die magnetisch sein können, und daher aufgrund des Magnetfeldes des Magneten 206 magnetisiert sein können. Folglich kann das magnetisierte Lager 202 ein schlecht definiertes Magnetfeld erzeugen, das auf dem Feld des Magneten 206 an der Stelle des/der Magnetfelderfassungselement(e) 104 überlagert, wie durch ein Kreuz x angezeigt, das eine Länge da nach innen in die Bohrung liegt. Das magnetisierte Lager 202 ruft daher zusätzliche Fehler bei der Messung der Rotationsposition der Welle 101 hervor.
Es versteht sich, dass der Magnet 206 von 12B von zylindrischer Form ist, während der Magnet von 12A zwei individuelle Magneten 206 umfasste. In beiden Fällen wird die Bohrung innerhalb des Endabschnitts der Welle von einem Bolzenloch terminiert. Ohne Einschränkung sind weitere Optionen denkbar und nicht auf die vorliegende Offenbarung begrenzt.
12D zeigt eine andere Anordnung ähnlich zu der, die in Bezug auf 12A und B erörtert wurde. Der Kürze halber werden Entitäten in 12D gleiche Bezugszeichen gegeben wie denjenigen in 12A oder 12B. Die Anordnung eines Sensors, der in eine Bohrung eines dünnwandigen Endabschnitts einer Welle 101 von 12D eingefügt wird, umfasst insbesondere eine Muffe 214b, die sich von der Muffe 214a von 12B unterscheidet. Die Muffe von 12D zeigt einen Spalt in radialer Richtung der Breite gr. Der Spalt kann zweckmäßig nur mit Luft oder Kunststoff oder einem anderen nicht-magnetischen Material befüllt werden. Der Spalt gr hilft, die Abschirmeffizienz der Muffe 214b zu verbessern. Es wird von Vorteil sein, eine Stärke des Magneten 206 an die Breite des radialen Spalts gr anzupassen, derart, dass das Magnetfeld des Magneten 206 die Muffe 214b nicht übermäßig sättigen wird. Ein solcher Aufbau wird die Abschirmeffizienz der Muffe 214b weiter erhöhen.
12E stellt eine weitere Variante einer Muffe 214c dar. Die Anordnung von 12E ist ähnlich zu der von 12D und 12B, und der Kürze halber sind gleiche Elemente unter Verwendung gleicher Bezugszeichen angezeigt. Während sich in 12D der radiale Spalt gr der Muffe 214b über die volle Länge der Muffe 214b in axialer Richtung erstreckt, erstreckt sich der radiale Spalt gr der Muffe 214c von 12E nur teilweise entlang einer Länge des dünnwandigen Endabschnitts der Welle 101. Vorzugsweise kann sich der Spalt gr zumindest über eine Länge der Erfassungselemente erstrecken (angezeigt durch ein x entlang der Rotationsachse, eine Distanz da von der Öffnung der Bohrung entfernt). Auf diese Weise wird die Muffe 214 zumindest die Erfassungselemente gegenüber jeglichen externen magnetischen Störungen effektiv abschirmen. Was die Muffe 124b von 12D betrifft, kann die eine Stärke des Magneten 206 an eine Breite des radialen Spalts gr angepasst werden, um die Muffe 214c nicht übermäßig zu sättigen.
Beim Entwerfen einer Anordnung eines/von Erfassungselements/en (angezeigt durch x in 10, 12A, 12B, 12D und 12E) innerhalb eines dünnwandigen Endabschnitts einer Welle 101 können entsprechende Abmessungen von individuellen Elementen berücksichtigt werden, um die Gesamtperformance der Anordnung zu optimieren.
Im Allgemeinen soll ein Innendurchmesser Di der Bohrung 101 so klein wie möglich sein, weil dies erstens zu kleineren Magneten mit größeren Magnetfeldern an einer Position des/der Magnetfelderfassungselements/e für eine gegebene Magnetmasse führt (oder gleichwertig: Verhältnis eines erreichbaren Magnetfeldes über Kosten für Magnetmaterial). Zweitens, je kleiner der Innenbohrungsdurchmesser Di, umso effizienter werden externe Magnetfelder durch den dünnwandigen Endabschnitt der Welle 101 und/oder eine Muffe 214a, 214b, 214c abgeschirmt.
Wenn ein Standard-SMD-Sensorgehäuse für ein Erfassungselement(e) 106 verwendet wird (am besten zu sehen in 12, wo das SMD-Sensorgehäuse 104 perpendikulär zu der Rotationsachse orientiert ist), weist das SMD-Sensorgehäuse laterale Abmessungen von etwa 5 mm × 6 mm auf. Wenn das Gehäuse mit einer kleinen gedruckten Schaltungsplatine (PCB; PCB = Printed Circuit Board) gelötet ist und beide innerhalb der Welle platziert sind, verlangt dies einen minimalen Innenbohrungsdurchmesser des Magneten 206 von etwa 12 mm. Dann ist es erforderlich, dass der Bohrungsdurchmesser Di der Welle zumindest 16 mm ist und der Wellenaußendurchmesser sollte zumindest 10–20 mm sein.
Für mit Anschlussleitungen versehene Sensorgehäuse ist die Situation allerdings etwas anders, wie aus 13 zu sehen ist: 13 stellt eine Querschnittsansicht durch die Welle 101 innerhalb des dünnwandigen Endabschnitts nahe einer Position der Erfassungselemente 106 im Inneren der Bohrung der Welle 101 dar.
Im Rest dieser Offenbarung verstehen sich mit Anschlussleitungen versehene Sensorgehäuse als ein Sensorgehäuse, wo zumindest ein Halbleiterchip (in 13 als Chip angezeigt) im Inneren des Gehäuses befestigt ist und durch irgendeine Schutzabdeckung, z. B. eine im Stand der Technik bekannte Formmasse mc, bedeckt ist. Für den mit Anschlussleitungen versehenen Sensor ragen ferner zumindest zwei Sensoranschlussleitungen aus der Schutzabdeckung mc heraus, und die Sensoranschlussleitungen sind mit dem Chip in Kontakt gebracht, um in der Lage zu sein, den Chip mit elektrischer Energie zu versorgen und ein Ausgangssignal des Chips zu erhalten. Es ist zweckmäßig für die Anschlussleitungen, dass sie zu einer Seite des Gehäuses gerichtet sind (die das offene Ende der Wellenseite ist – in 13 links).
Es ist zu beachten, dass die Anschlussleitungen an mehreren Flächen an ihrem Umfang in die Schutzabdeckung eintreten können – es ist für die Anschlussleitungen allerdings nützlich, wenn sie sich in Richtung einer Seite biegen, nämlich, des offenen Endes der Welle 101. Selbstverständlich ist der bevorzugte Fall, dass alle Anschlussleitungen an einer Fläche des Gehäuses herausragen. Es ist auch nicht notwendig, dass der/die Chip(s) auf einem Leitungsrahmen befestigt ist/sind, wie in 13 dargestellt. Der Leitungsrahmen kann ein Chip-Paddle (die paddle)s, an das der Chip geklebt oder befestigt ist, und Anschlussleitungen umfassen. Es versteht sich, dass Anschlussleitungen erforderlich sind, um die Erfassungselemente mit Energie zu versorgen und eine Ausgabe des Sensors zu erhalten. Alternativ können einfache Drähte anstelle des Leitungsrahmens verwendet werden. Es versteht sich eher, dass der Leitungsrahmen für alle Erfassungselemente, die in der ganzen Offenbarung erörtert werden, optional ist.
Ferner kann der Chip auf verschiedene Weisen kontaktiert werden: z. B. durch Bonddrähte (bw; bw = bond wire = Bonddraht) wie in 13 gezeigt, durch eine Flip-Chip-Zusammensetzung auf einem Leitungsrahmen oder andere Mittel des Kontaktierens, die im Stand der Technik bekannt sind, die für die vorliegende Offenbarung nicht wesentlich sind und daher nicht eingehend erörtert werden.
Eine untere Grenze von Di ist durch das Gehäuse für das/die Magnetfelderfassungselement(e) plus den notwendigen Zwischenraum zwischen diesem Gehäuse und der Innenbohrung des Magneten 206 gegeben. Die kleinste mögliche Halbleiterchipgröße in diametraler Richtung ist etwa 1 mm. Dies ergibt eine Gehäusegröße von 2,5 mm in diametraler Richtung. Somit ist der minimale Bohrungsdurchmesser für den Magneten 3 mm und somit ist der minimale Bohrungsdurchmesser Di des dünnwandigen Endabschnitts der Welle 5 mm. Um eine mechanische Stabilität der Welle aufrechtzuerhalten, ist ein minimaler Außendurchmesser der Welle 6 mm.
Es ist zu beachten, dass in 13 die Magnetfelderfassungselemente 106 vorzugsweise eine Orientierung des Magnetfeldvektors detektieren, der auf eine Ebene projiziert ist, die perpendikulär zu der z-Achse ist. Der Chip ist typischerweise parallel zu der z-Achse angeordnet. Folglich kann die Projektion des Magnetfeldvektors auf eine Ebene, die perpendikulär zu der z-Achse ist, in eine x- und eine y-Komponente zerlegt werden, wodurch die y-Komponente in Ebene mit dem Chip ist und die x-Komponente perpendikulär zu dem Chip ist.
Wenn man sich nun entscheidet, ein kartesisches Koordinatensystem mit (x,y,z)-Achsen zu verwenden. Folglich ist es erforderlich, dass die Magnetfelderfassungselemente 106 in der Lage sind, den Winkel zwischen x- und y-Komponente des durch den Magneten 206 erzeugten Magnetfeldes zu detektieren. Dies ist ein Winkel außerhalb der Ebene gemäß tan(Winkel) = Bx/By (weil x perpendikulär zu der Chipebene ist). Herkömmliche magnetoresistive Elemente detektieren nur Winkel in der Ebene (d. h. Winkel zwischen y- und z-Komponente von Magnetfeldern gemäß tan(Winkel) = By/Bz). Winkel außerhalb der Ebene können durch eine Kombination von zumindest einer Hall-Platte und einem vertikalen Hall-Effekt-Bauelement detektiert werden.
Es versteht sich ferner, dass eine Platzierung der Erfassungselemente 106 in die Bohrung so symmetrisch wie möglich in Bezug auf den Magneten 206 sein sollte. Ebenso ist es von Interesse, den Magneten 206 so symmetrisch wie möglich innerhalb der Bohrung zu platzieren.
14A stellt eine Querschnittsansicht des dünnwandigen Endabschnitts der Welle 101 mit einem zylindrischen Magneten 206 dar. Es ist zu beachten, dass 14A, genauso wie die anderen Zeichnungen, auf die hierin Bezug genommen wird, möglicherweise nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Eine Position der Erfassungselemente 106 ist durch ein Kreuz entlang der z-Achse angezeigt. Tatsächlich wird die Position des Erfassungselements als Ursprung in dem Aufbau von 14A gewählt. Der Magnet 206 kann symmetrisch in z-Richtung um die Sensorposition x platziert sein. Für eine solche Platzierung ist die Länge S1 identisch zu S2. Wenn ferner eine Öffnung des Magneten 206 konzentrisch mit der z-Achse ist, ist eine Distanz S5 identisch zu einer Distanz S6, wie in 14A angezeigt. Sollte jedoch die Öffnung des Magneten nicht konzentrisch mit einem Außenumfang des Magneten 206 sein, ist eine Distanz S7 möglicherweise nicht identisch mit einer Distanz S8 von 14A. Es versteht sich weiterhin, dass S5 möglicherweise nicht identisch ist zu S6, wenn die innere Bohrung des Magneten 206 und/oder ein Umfang des Magneten 306 elliptisch in Form oder nicht kreisförmig sein kann.
Vorzugsweise sollen so viele der oben genannten Gleichungen wie möglich gelten, nämlich S1 = S2, S3 = S4, S5 = S6 und S7 = S8. Eine Motivation zum Erfüllen so vieler der obigen Gleichungen wie möglich ist die Tatsache, dass ein höchstmögliches Maß an Feldhomogenität des Magnetfeldes erreicht werden kann. Dies ist eine andere Art zu sagen, dass eine maximale Anzahl von räumlichen Ableitungen des Magnetfeldes an der Sensorposition x verschwindet, wenn die obigen Gleichungen erfüllt sind. Infolge von verschwindenden Magnetfeldableitungen werden (Zusammensetzungs-)Toleranzen in Richtung der verschwindenden Magnetfeldableitung keine Auswirkung auf eine Winkelmessung des Erfassungselements 106 haben. Ein Fachmann erkennt, dass die obigen Symmetriebetrachtungen unter der Annahme einer im Wesentlichen homogenen Magnetisierung des Magnets 206 vorgenommen werden.
14B–14D stellen Varianten des dünnwandigen Endabschnitts der Welle 101 mit dem Magneten 206 und einer Länge der Bohrung S3 + S4 dar, die um die Sensorposition x zentriert sind. Der Kürze halber wird auf gleiche Elemente unter Verwendung gleicher Bezugszeichen Bezug genommen.
In 14B terminiert die Bohrung in einer kegelförmigen Spitze, während die Bohrung in 14C von dem Innendurchmesser Di zu einem minimalen Durchmesser Dm verjüngt, während sich die Bohrung von 14D stattdessen von dem Innendurchmesser Di, was eine Schulter ergibt, zu dem minimalen Durchmesser Dm ändert. Ein Fachmann erkennt Wege, um die unterschiedlichen Formen des Terminierens der Bohrung an einem Ende, das der Öffnung nicht zugewandt ist (in den Figuren rechts dargestellt), zu erreichen.
Es ist zu beachten, dass bisher die dünnwandige Bohrung der Welle 101, der Magnet 206 und die Bohrung des Magneten bei einer Ansicht entlang der z-Achse als kreisförmig betrachtet wurden. Eine sehr große Anzahl von Formen ist für diese Elemente möglich, und nur eine Auswahl derselben wird nachfolgend in Verbindung mit 15A–15I erörtert. Diese Figuren stellen jeweils eine Querschnittsansicht in die Bohrung an dem dünnwandigen Endabschnitt einer Welle in einer Ebene perpendikulär zu der Rotations-Z-Achse dar.
15A zeigt einen Querschnitt einer Welle 101 mit kreisförmigem Außenumfang, einer kreisförmigen Bohrung und eines Magneten 206 mit sowohl kreisförmigem Außenumfang und Bohrung, wobei alle kreisförmigen Bohrungen und/oder Umfänge konzentrisch zu der Rotationsachse z sind.
In 15B ist ein Außenumfang der Welle 101 zylindrisch, während eine Bohrung der Welle 101 elliptisch ist, der Außenumfang des Magneten in die elliptische Bohrung passt. Ferner ist eine Bohrung des Magneten auch elliptisch, aber eine lange und kurze Achse der Wellenbohrung fallen möglicherweise nicht mit einer langen und kurzen Achse der elliptischen Bohrung des Magneten 206 fallen. Bei dem Aufbau von 15B ist die lange Achse des Außenumfangs des Magneten entlang der x-Richtung, während die lange Achse der Magnetbohrung entlang der y-Richtung ist. Alternativ können beide langen Achsen auch parallel oder in jeglichem anderen Winkel zwischen ihnen sein.
15C zeigt eine zylindrische Welle 101, während eine Bohrung in dem dünnwandigen Endabschnitt der Welle von einer quadratischen oder rechteckigen Form ist. Der Außenumfang des Magneten 206 entspricht tatsächlich der Form der Bohrung der Welle 101. Die Bohrung des Magneten 205 ist von kreisförmiger Form. Wiederum sind alle Formen auf der Rotationsachse z zentriert, was allerdings die vorliegende Offenbarung nicht einschränkt.
15D ist ähnlich zu 15C, aber die Bohrung des Magneten 206 ist rechteckig oder quadratisch geformt, anstelle von kreisförmig. Der Außenumfang des Magneten 206 entspricht der rechteckigen Form der Bohrung der Welle 101.
15E ist ähnlich zu 15C oder 15D. In 15E ist die Bohrung des Magneten 206 allerdings von sechseckiger Form. Wiederum entspricht der Außenumfang des Magneten 206 der rechteckigen Form der Bohrung der Welle 101.
In 15F ist eine Bohrung der Welle 101 von einem fünfeckigen Umfang, während eine Bohrung des Magneten 206 von sechseckiger Form ist. Wie zuvor entspricht ein Innenumfang der Bohrung innerhalb der Welle 101 einem Außenumfang des Magneten 206.
In 15G–15H weist eine Bohrung der Welle 101 eine unterschiedliche Geometrie als ein Außenumfang des Magneten 206 auf. In 15G ist ein Innenumfang des dünnwandigen Endabschnitts der Welle 101 kreisförmig, während ein Außenumfang des Magneten 206 von fünfeckiger Form ist. Ein solcher Aufbau lässt etwas Zwischenraum zwischen dem Innenumfang der Bohrung der Welle und dem Außenumfang des Magneten 206. Der Magnet 206 von 15G weist eine sechseckige Bohrung auf.
In 15H ist ein Außenumfang der Welle 101 nicht kreisförmig, sondern sechseckig, während ein Umfang der Bohrung des dünnwandigen Endabschnitts der Welle 101 von kreisförmiger Form ist. Ein Außenumfang des Magneten ist von fünfeckiger Form. Was 15H betrifft, ist eine Bohrung des Magneten von sechseckiger Form.
In beiden Fällen von 15G und 15H gibt es einen Spalt zwischen dem entsprechenden Magneten 206 und der Bohrung der Welle, aber dieser Spalt weist eine variierende Breite auf. Es versteht sich, dass der Magnet 208 in die Bohrung der Welle 101 geklebt oder mechanisch im Inneren der Bohrung durch ein geeignetes Mittel fixiert sein kann.
In 5I gibt es einen Spalt von konstanter Breite zwischen dem Magneten 206 und der Bohrung der Welle 101. Der Spalt kann mit Luft oder mit Kunststoff oder mit irgendeinem anderen Material befüllt sein, dass prinzipiell nicht-magnetisch ist, oder einem Klebstoff, um den entsprechenden Magneten 206 innerhalb der Bohrung der Welle 101 zu fixieren.
Ohne Einschränkung kann ein Magnet 206, wie hierin erörtert, in 2, 3, 4...N Segmente zerlegt sein, die in einem Muster angeordnet sind, das eine Symmetrie aufweist, derart, dass sie bei Rotation um die Rotationsachse z um einen Winkel 360°/N identisch zu der ursprünglichen Form ist, was auch als eine N-fache Symmetrie bezeichnet werden kann. Ein Magnet 206 von N-facher Symmetrie ist im Querschnitt in 16 gezeigt, für den Fall N = 4, umfassend Magnetsegmente 206a, 206b, 206c, 206d. Ein solcher segmentierter Magnet 206 kann zum Beispiel durch einen Injektionsformgebungsprozess hergestellt werden, wie er im Stand der Technik bekannt ist.
Ein Fachmann erkennt, dass, um eine Rotationsposition der Welle 101 basierend auf (Dreh-)Magnetfeldern an der Sensorposition zu bestimmen, es von Interesse ist, eine gut definierte Position des Magneten 206 innerhalb der Bohrung der Welle 101 sicherzustellen, insbesondere in Bezug auf eine Azimutrichtung, die die Rotationsrichtung der Welle 101 ist. Zu diesem Zweck ist es zweckmäßig, eine oder mehrere Rillen 205a, 205b und 205c auf dem Außenumfang des Magneten 206 bereitzustellen. Die Rillen können mit Klebstoff befüllt sein, der verwendet wird, um den Magneten in die Bohrung der Welle zu kleben. Die Rillen 205a, 205b, 205c können auch den Zweck haben, einer thermo-mechanischen Belastung des Magneten 206 im Innen der Bohrung der Welle 101 standzuhalten, um eine mechanische Belastung auf dem Magneten 206 zu reduzieren. Dies hilft dabei, ein Brechen des Magneten 206 zu vermeiden. Während die Rillen 205a, 205b, 205c in 17 als Rillen des Magneten 206 dargestellt sind, können die Rillen alternativ oder zusätzlich auf dem Innenumfang der Bohrung (in 17 nicht gezeigt) bereitgestellt sein.
18 stellt eine weitere Option des Sicherstellens einer definierten Azimutposition des Magneten 206 innerhalb der Welle 101 dar. Als eine weitere Option ist es auch möglich, bestimmte einmalige Asymmetrien in den Magneten und die Welle einzuführen, die als Schlüssel 207 dienen, um eine Azimutposition des Magneten 206 relativ zu der Welle 101 zu definieren. Wiederum gibt 18 ein nicht einschränkendes Beispiel solcher absichtlicher Asymmetrien. Ebenso kann der Magnet eine Stumpfform in Kombination mit einer Passform der Bohrung innerhalb der Welle 101 aufweisen.
19A stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Magneten 206 innerhalb der Welle 101 mit einem Außendurchmesser D dar. Während eine Bohrung in axialer Richtung der Welle 101 einen konstanten Innendurchmesser 2·S4 aufweist und der Magnet 206 einen entsprechenden Außendurchmesser aufweist, variiert der Innendurchmesser des Magneten 206 entlang der axialen Richtung z von 2·S5 bis 2·S3 mit S3 < S5 or S3 > S5 (nicht gezeigt).
19B stellt eine weitere Variante eines Magneten 206 innerhalb der Welle 101 des Außendurchmessers D dar. Für das beispielhafte Ausführungsbeispiel von 19B verjüngt der Innendurchmesser der Bohrung von 2·S4 auf 2·S6. Entsprechend entspricht ein Außendurchmesser des Magneten 206 innerhalb der Bohrung dem Innendurchmesser der Bohrung entlang der axialen Erstreckung des Magneten 206. Es ist zu beachten, dass die verjüngte Form des Außendurchmessers des Magneten 206 und des Innendurchmessers der Bohrung gewählt werden kann, um den Magneten 206 innerhalb der Bohrung in einer vorgesehenen axialen Position anzuordnen, d. h. zentriert um den empfindlichen Punkt einer Sensoranordnung, der durch das Kreuz in 19B angezeigt ist. Anders als das innerhalb von 19A dargestellte Ausführungsbeispiel sind für das Ausführungsbeispiel von 19B keine weiteren Maßnahmen erforderlich, um den Magneten innerhalb der Bohrung an einer vorgesehenen Position entlang der axialen Richtung z anzuordnen. Anders als das Ausführungsbeispiel von 19A kann es ausreichend sein, den Magneten 206 in die Bohrung einzuschieben, bis der Magnet aufhört, entlang der axialen Richtung z zu wandern, wenn er die vorgesehene axiale Position erreicht, in der sich eine Außenfläche des Magneten 206 mit einer Innenfläche der Bohrung deckt, wie in 19B angezeigt.
20 stellt eine weitere Implementierung eines Magneten 206 innerhalb einer Bohrung einer Welle 101 dar. Der Innendurchmesser der Bohrung weist jedoch eine Stufe oder eine Schulter auf, was den Innendurchmesser der Bohrung von 2·S4 auf 2·S6 mit S6 < S4 ändert. Offensichtlich stellt die Schulter ein Widerlager zum Begrenzen einer axialen Beweglichkeit des Magneten 206 in z-Richtung dar.
Es versteht sich, dass jegliche Sensor- und/oder Magnetanordnungen innerhalb einer Bohrung einer Welle, wie hierin erörtert, von besonderem Interesse in Berg auf ein Messen einer Winkelposition einer drehbaren Welle oder einer Antriebswelle eines Motors sind. Beispiele, an die man denkt, sind eine Antriebswelle eines Verbrennungsmotors, eine Getriebewelle von jeglichem Antriebsstrang-(power train, driving train)System oder eine Antriebswelle eines elektrischen Motors, wie sie in einem elektrischen Fahrzeug verwendet wird, als nicht einschränkende Beispiele. Es versteht sich, dass die drehbare Welle 101 gemäß der Betrachtung in dieser Offenbarung ausgebildet ist zum Senden eines Drehmoments bis zu mehreren hundert oder sogar tausend Newtonmetern Nm. Daher ist es erforderlich, dass die Welle 101 gemäß der Betrachtung in dieser Offenbarung von ausreichender Torsionssteifigkeit ist, um solche hohen Drehmomente zuverlässig zu liefern.
Ein Fachmann erkennt ferner, dass es wesentliche räumliche Begrenzungen innerhalb eines Motorraums von z. B. einem elektrischen Fahrzeug geben kann. Zur Steuerung des elektrischen Motors eines solchen Fahrzeugs ist es erforderlich, dass eine Winkelposition der Antriebswelle mit hoher Genauigkeit bekannt ist. Gemäß dem Stand der Technik wurde diese Aufgabe unter Verwendung eines Koordinatenwandlers (Resolver), d. h. einer mechanischen Erstreckung der Antriebswelle, die die Winkelposition der Welle anzeigen würde, gelöst. Offensichtlich erfordert ein solcher Koordinatenwandler extra Platz innerhalb des Motorraums als Kompromiss.
Ferner hängt die Genauigkeit einer Winkelposition, wie durch den Koordinatenwandler angezeigt, an einer präzisen Befestigung des Koordinatenwandlers, der die Antriebswelle 101 erstreckt. Jegliche Abweichung oder Toleranz bei der Position des Koordinatenwandlers relativ zu der Antriebswelle verschlechtert eine Präzision der Winkelposition der Antriebswelle wie durch das Koordinatenwandlerelement angezeigt. Vorteile eines Endabschnitts der Welle, der eine Bohrung in axialer Richtung der Antriebswelle aufweist, und der Bohrung, die das Winkelerfassungselement enthält, gegenüber einer im Stand der Technik bekannten Koordinatenwandlerlösung überwiegen auch für Verbrennungsmotoren, z. B. in einem Auto, das durch einen solchen Verbrennungsmotor mit Leistung versorgt wird.
Ein Fachmann erkennt ohne Weiteres, dass es für Antriebswellen 101, die eine Bewegung mit hohem Drehmoment liefern, typischerweise erkennbare Zusammensetzungstoleranzen für einen Koordinatenwandler gibt. Diese Toleranzen können durch eine statische oder dynamische Deformation der Welle, Positionierungstoleranzen von beteiligten mechanischen Teilen oder ebenso das Koordinatenwandlerelement verursacht werden.
Eine statische Deformation der Antriebswelle 101 kann durch jegliche Verschlechterung der Welle oder von Objekten, die die Antriebswelle selbst treffen, bedingt sein.
Eine dynamische Deformation der Antriebswelle kann durch ein Ungleichgewicht der Antriebswelle verursacht sein, z. B. aufgrund einer Deformation, was ein zusätzliches Trägheitsmoment aufgrund einer solchen Deformation verursacht. Offensichtlich projiziert eine solche statische und/oder dynamische Deformation auf das Koordinatenwandlerelement und verschlechtert eine erreichbare Präzision einer Winkelposition, wie durch das Koordinatenwandlerelement angezeigt.
Eine statische Deformation eines Koordinatenwandlerelements kann ebenso durch ein Objekt verursacht sein, das den Koordinatenwandler trifft und ihn deformiert. Eine solche Deformation kann potenziell verursachen, dass der Koordinatenwandler relativ zu der Achse der Antriebswelle versetzt wird, um nur ein Beispiel zu nennen. Eine solche Deformation kann ferner ein Ungleichgewicht des Koordinatenwandlers verursachen, was zu einem zusätzlichen Trägheitsmoment während einer Rotation des Koordinatenwandlers mit der Antriebswelle 101 führt, was eine weitere Verschlechterung des Koordinatenwandlers und/oder der Antriebswelle 101 tatsächlich unterstützen kann.
Ein Fachmann erkennt, dass Hochleistungs-(heavy duty)Rollerlager in Kombination mit einer Antriebswelle, die eine Bewegung mit hohem Drehmoment überträgt, von Interesse sein kann. Solche Rollerlager erfordern ein erhebliches Lagerspiel (bearing backlash) als dies typischerweise der Fall für Präzisionslager wäre, die zum Übertragen einer Bewegung mit niedrigem Drehmoment in dem Bereich von wenigen Newtonmetern oder sogar unter einem Newtonmeter verwendet werden. Das Lagerspiel bei Hochleistungslagern erhöht typischerweise das Spiel in radialer und axialer Richtung verglichen mit Präzisionslagern, wie sie zum Übertragen einer Bewegung mit niedrigem Drehmoment verwendet werden.
Es ist daher für einen Fachmann offensichtlich, warum es von Interesse ist, ein Lager 202, 212 für die Antriebswelle 101 beim Verwenden der Winkelerfassungslösung für eine Antriebswelle, die eine Rotation mit hohem Drehmoment liefert, wie hierin offenbart und bereits in Bezug auf 2–5, 12–12B, 12D und 12E beschrieben, bereitzustellen.
Ein Fachmann erkennt ferner, dass es zweckmäßig ist, eine Voll- oder massive Welle zu verwenden, sodass eine Bewegung mit hohem Drehmoment durch die Antriebswelle 101 geliefert wird, gemäß der vorliegenden Offenbarung. Mit einer Hohlwelle kann es sich als schwierig erweisen, die Bewegung mit hohem Drehmoment zuverlässig zu liefern, da eine Hohlwelle möglicherweise nicht die Torsionssteifigkeit bereitstellt, die für eine solche Lieferung erforderlich ist. Die vorliegende Offenbarung erreicht eine Winkelmessung mit höherer Genauigkeit durch Platzieren des Winkelerfassungselements in eine axiale Bohrung innerhalb eines Endabschnitts der Antriebswelle 101. Als Kompromiss kann die mechanische Stabilität, insbesondere Torsionssteifigkeit dieses ausgehöhlten Endabschnitts reduziert werden. Es kann daher von Interesse sein, einen Abschnitt der Antriebswelle bereitzustellen, der massiv ist und durch ein Lager unterstützt wird, wie in Ausführungsbeispielen zu sehen ist, die in 12A, B, D und 12E erörtert werden. Für eine solche Anordnung ist das Lager nicht in Eingriff mit der Antriebswelle in einem Abschnitt von reduzierter Torsionssteifigkeit aufgrund der axialen Bohrung innerhalb des Endabschnitts der Welle 101.
Es ist ein Vorteil einer „In-Welle”-Platzierung des (Winkel-)Erfassungselements 106, wie hierin offenbart, zusätzliche mechanische Toleranzen, die durch statische oder dynamische Deformationen verursacht werden, zu reduzieren, wie oben in Bezug auf die Verwendung des Koordinatenwandlers erörtert.
Es kann von Interesse sein, das Erfassungselement 104 von rauen Umgebungen innerhalb des Motorraums von Fahrzeugen abzudichten. Solche rauen Umgebungen können zum Beispiel aufgrund von aggressiven Flüssigkeiten verursacht sein, die potenziell das Erfassungselement 106 schädigen würden, z. B. ein Getriebeschmiermittel, wie es in Getriebekästen vorhanden ist, die bei Autos allgemein bekannt sind, die durch einen Verbrennungsmotor betrieben werden, um ein nicht einschränkendes Beispiel zu nennen. Automatische Getriebekästen umfassen typischerweise eine oder mehrere Antriebswellen 101, für die eine Winkelposition und/oder eine Winkelgeschwindigkeit von Interesse ist, um ein reibungsloses Gangschalterlebnis bereitzustellen.
Es versteht sich, dass jegliche Offenbarung nachfolgend, die sich auf das Erfassungselement 106 bezieht, auch ohne Einschränkung auf die Erfassungselemente 104, wie in Verbindung mit 1–6 und 12 oben erörtert, angewandt werden kann.
Ferner kann es von Interesse sein, das (Winkel-)Erfassungselement 106 gegenüber magnetischer Verunreinigung, da sie das Sensorelement 106 beeinflussen kann, basierend auf einem magnetischen Erfassungsprinzip abzudichten. Magnetische Verunreinigung ist bekannt in Form von Eisenfeilspänen, die bei vielen Maschinentypen omnipräsent sind. Wenn eine solche magnetische Verunreinigung die Bohrung innerhalb der Antriebswelle 101 erreicht, verschlechtert sich die (Winkel-)Erfassung erheblich. Daher kann ein Abdichten der Bohrung für eine In-Wellen-(Winkel-)Erfassung wie hierin offenbart von Interesse sein.
21A und 21B stellen Beispiele einer möglichen Abdichtung von Erfassungselementen 106 dar. Die in 21A und 21B gezeigten Anordnungen sind etwas ähnlich zu der in Verbindung mit 13 oben erörterten Anordnung. Eine Abdeckung 212 wird verwendet, um die axiale Bohrung innerhalb des Endabschnitts der Antriebswelle 101 zu schließen. Die Abdeckung kann aus einem Gedruckte-Schaltungsplatine-(PCB-)Material hergestellt sein, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Gleiche Elemente in 21A und 21B sind mit identischen Bezugszeichen versehen und werden daher nicht nochmals ausführlich erörtert, um übermäßige Wiederholungen zu vermeiden.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 21A wird vorgeschlagen, einen Ring 208 zu verwenden, der auf einer Oberfläche der Abdeckung 212 befestigt ist. Es kann von Interesse sein, den Ring 208 mit einem Dichtkörper 210 zusammenpassen zu lassen. Eine Rille in Azimutrichtung kann den Dichtkörper 210 unterbringen. Der Dichtkörper 210 kann als ein einfacher O-Ring oder ein abgedichtetes Lager wie im Stand der Technik bekannt, implementiert sein, z. B. implementiert als ein Lager, das eine innere Dichtlippe (nicht gezeigt) aufweist, um die Innenseite der Bohrung von einer Außenseite abzudichten. Ohne Einschränkung kann das abgedichtete Lager ferner eine äußere Dichtlippe aufweisen. Es ist zu beachten, dass ungeachtet eines Drehmoments, das die Antriebswelle 101 liefert, er Dichtkörper 210 mit einem wesentlichen Abschnitt des gelieferten Drehmoments innerhalb der Azimutrichtung in Kontakt sein kann. Geeignete Materialien und Abmessungen für den Dichtkörper, um dem wesentlichen Abschnitt des gelieferten Drehmoments in Azimutrichtung standzuhalten, sind im Stand der Technik bekannt. Ein nicht einschränkendes Beispiel für den Dichtkörper ist ein verpresster O-Ring von geeigneten Abmessungen, der das Innere der Bohrung gegenüber einer Außenseite abdichtet.
Es ist ferner von Interesse, die Abdeckung 212 zu befestigen, derart, dass sie nicht der Rotationsbewegung der Antriebswelle 101 folgt, sondern eine statische Position in Bezug auf die Azimutrichtung einnimmt, während das Innere der Bohrung gegenüber der Außenseite abgedichtet ist. Die statische oder Stator-Position der Abdeckung 212 und somit des (Winkel-)Erfassungselements 216 relativ zu der Antriebswelle 101 kann unter Verwendung einer Halterstruktur (nicht gezeigt) erreicht werden.
21B offenbart ein weiteres Ausführungsbeispiel einer möglichen Abdichtung eines Erfassungselements 106 von einem Äußeren der Antriebswelle 101. Eine Flachdichtung (gasket) 214, die mit der Abdeckung 212 verbunden ist, wird eingesetzt, um einen Umfang eines hohlen Endabschnitts der Welle, d. h. Antriebswelle 101, zu umschließen. Es kann zweckmäßig sein, ein Dichtelement zu implementieren, das die Flachdichtung 214 und die Antriebswelle 101 in radialer Richtung (angezeigt als radiale Richtung x in 21B) überbrückt. Was den Dichtkörper von 21A betrifft, kann der Dichtkörper 208 als ein O-Ring oder ein Lager implementiert sein, aufweisend zumindest eine Dichtlippe wie sie im Stand der Technik bekannt ist.
Gemäß einer Variante des Dichtkörpers 208, wie in Bezug auf 21A und 21B erörtert, kann man die Abdeckung 208 entsprechend der Rotationsbewegung der Antriebswelle 101 implementieren. Ein solcher Entwurf zum Abdichten der Erfassungselemente 106 würde Anforderungen an den Dichtkörper 208 locker, da diese Elemente nicht länger dem gelieferten Drehmoment ausgesetzt wären, sondern sich gleichzeitig mit der Antriebswelle 101 bewegen würden. Allerdings ist zu beachten, dass für einen solchen Aufbau ein weiteres Dichtelement 210 erforderlich wäre, das einen Abschnitt der PCB umschließt, der die Abdeckung 212 durchquert. Dies ist von Interesse, um sicherzustellen, dass das (Winkel-)Erfassungselement 106 in einer im Wesentlichen festen Winkelposition relativ zu der drehbaren Antriebswelle 101 bleibt.
Während eine wellenintegrierte oder „In-Wellen”-Anordnung der (Winkel-)Erfassungselemente 106 innerhalb des Endabschnitts der Antriebswelle 101 hilft, um radiale und/oder axiale Zusammensetzungstoleranzen zu reduzieren verglichen mit einem Aufbau, der einen Koordinatenwandler einsetzt, sind diese Zusammensetzungstoleranzen bei der In-Wellen-Anordnung immer noch vorhanden, jedoch in einem reduzieren Maß. Das bedeutet, für einen Koordinatenwandler mit einer Exzentrizität von z. B. 0,5 mm in Bezug auf die Rotationsachse der Antriebswelle wird ein mit dem Koordinatenwandler erreichter Winkelfehler größer sein als ein mit der In-Welle-Anordnung erreichter Winkelfehler für einen Aufbau mit einer Exzentrizität des Magneten von 0,5 mm relativ zu der Rotationsachse.
Es ist eine Option, Magnetanordnungen 206 mit Magnetfeldern von hoher Homogenität einzusetzen, um einen sich verschlechternden Effekt radialer und/oder axialer Zusammensetzungstoleranzen für die In-Welle-Anordnung von Winkelerfassungselementen 106 innerhalb der Welle 101 weiter zu reduzieren. Es versteht sich, dass Magneten mit hoher Homogenität mit jeder der In-Welle-Magnet-Anordnungen 206, die hierin offenbart sind, verwendet werden können.
22A stellt ein erstes Beispiel solcher Magnetanordnungen 206 mit hoher Homogenität dar. In 22A ist eine Querschnittsansicht einer Magnetanordnung gezeigt. Ein Kreuz in 22A zeigt eine Position an, um einer Position der Rotationsachse der Antriebswelle zu entsprechen, sobald der Magnet innerhalb der Bohrung der Antriebswelle (nicht gezeigt) angeordnet ist. Die Magnetanordnung von 22A umfasst acht magnetische Körper, die angeordnet sind, um einen Magnetring von achteckiger Form zu bilden, als ein nicht einschränkendes Beispiel. Für jeden der magnetischen Körper ist eine Magnetisierungsrichtung 206-1 bis 206-4 angezeigt. Für eine solche Anordnung von magnetischen Körpern bildet sich ein im Wesentlichen gleichmäßiges Gesamtmagnetfeld 207 im Inneren des Magnetrings, während außerhalb der ringförmigen Magnetanordnung 206 ein sehr schwaches oder nahezu kein Magnetfeld vorhanden sein kann. Solche Magnetanordnungen sind im Stand der Technik als Halbach-Magneten bekannt. Es kann zweckmäßig sein, die individuellen Magnetelemente 206 zusammen zu kleben, bevor oder nachdem jedes Segment magnetisiert worden ist. Jeder andere Weg des Anordnens von magnetischen Elementen 206 kann stattdessen eingesetzt werden, vorausgesetzt, das Anordnen wird die Homogenität des Magnetfeldes innerhalb der Ringstruktur nicht wesentlich beeinträchtigen.
Eine Person, die mit Magnetanordnungen 206 des Halbach-Typs vertraut ist, erkennt, dass eine Erstreckung der Halbach-Magnet-Anordnung 206 in axialer Richtung vorzugsweise größer ist als ein Innendurchmesser des Halbach-Typ-Magneten in der radialen Richtung, noch bevorzugter größer als ein Außendurchmesser des Halbach-Typ-Magneten in der radialen Richtung. Solche Abmessungen helfen typischerweise, um die Magnetfeldhomogenität in radialer Richtung und in axialer Richtung gleichermaßen zu verbessern.
22B stellt ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Halbach-Typ-Magneten 206 in einer Querschnittsansicht dar. Es ist zu beachten, dass der Magnet 206 von 22B ein einheitlicher Körper mit einer inhomogenen Magnetisierung, die etwas ausgeglichen ist, innerhalb des gezeigten Querschnitts aufweist, sodass der Großteil der Magnetfeldlinien in dem Zentrum des Magneten 206 konzentriert ist, während das Äußere des ringförmigen Magneten nahezu frei ist von Magnetfeldern. Eine solche Halbach-Typ-Anordnung für den Magneten 206, wie in Bezug auf 22A, 22B erörtert, hat zwei Vorteile:
Erstens ist das Erfassungselement 106 weniger empfindlich gegenüber Zusammensetzungstoleranzen in radialer und/oder axialer Richtung, da der Sensor für eine solche Verschiebung nahezu keine oder eine sehr geringe Änderung des Magnetfeldes (Magnetfeldrichtung) bei Vorhandensein solcher Zusammensetzungstoleranzen erfährt. Daher wird es einfacher, mehr als ein (Winkel-)Erfassungselement 106 innerhalb der Region eines im Wesentlichen homogenen Magnetfeldes 207 (wie in 22A–C angezeigt) zu platzieren. Das mehr als eine Erfassungselement erfährt dann das identische Magnetfeld 207, das beim Bauen eines redundanten und/oder diversitären Magnet(winkel)erfassungssystems von Interesse sein kann. Ein diversitäres Magnet(winkel)erfassungssystem misst das Magnetfeld 207 mit dem mehr als einen Erfassungselement, von denen jedes ein unterschiedliches, d. h. ein diversitäres, Erfassungsprinzip, einsetzt, z. B. verwendet das erste einen GMR-Sensor, das zweite verwendet einen Hall-Sensor als ein nicht einschränkendes Beispiel.
Im Fall einer (transienten) Störung würde das mehr als eine diversitäre Erfassungselement unterschiedlich auf die (transiente) Störung antworten aufgrund seines diversitären Erfassungsprinzips. Ein Fachmann erkennt daher, dass die (transiente) Störung beim Einsetzen des mehr als einen diversitären Erfassungselements offensichtlich wird. Stattdessen würden jegliche erfasste Daten aufgrund der (transienten) Störung nicht offensichtlich werden, wenn mehr als ein Erfassungselement nur redundant eingesetzt wird, von denen alle ein identisches, d. h. nicht-diversitäres, Erfassungsprinzip einsetzen. Für das nur redundante, mehr als eine Erfassungselement würden alle der Erfassungselemente einen im Wesentlichen identischen erfassten Wert zeigen, wie er durch die gleiche (transiente) Störung verursacht wird – auch als Ausfall aufgrund gemeinsamer Ursache (common cause fault) aufgrund der (transienten) Störung bezeichnet.
Als ein zweiter Vorteil des Halbach-Typ-Magneten 206 ist der Raum außerhalb des Magneten 206 im Wesentlichen frei von jeglichem Magnetfeld, was jegliche magnetische Störungen reduziert, die von dem Magneten 206 zu jeglichen magnetisch anfälligen Strukturen, die den Magneten 206 und somit die Antriebswelle 101 umgeben, projizieren. Ferner verschlechtert ein exzentrisches Befestigen des Magneten im Inneren der Bohrung einer eisenhaltigen Welle nicht die Homogenität des Magnetfeldes auf den Erfassungselementen in dem Zentrum des Halbach-Typ-Ringmagneten, weil der Magnet kein Magnetfeld an die Welle angelegt, die ihn umgibt.
Der Halbach-Typ-Magnet 206 von 22B kann als ein einheitlicher Körper gebildet sein, der irgendwelche Formgebungstechniken oder Magnetisierungstechniken einsetzt, die einen nicht-homogenen Magneten erreichen, wie ausführlich in einer früheren Patentanmeldung der Anmelderin erklärt wurde, die von der Anmelderin am 29. Juli 2015 als US 14/812,907 eingereicht wurde, die hierin in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
22C stellt einen Querschnitt eines anderen Halbach-Typ-Magneten 206 da, wobei sich eine Magnetisierung innerhalb des ringförmigen Magneten fast durchgehend ändert, während das Magnetfeld im Inneren des Rings ein sehr hohes Maß an Homogenität zeigt.
23A–23D stellen Sensoranordnungen 2300 dar, bei denen ein Magnet 2306 und ein Sensorelement 2304 so angeordnet sind, dass sie innerhalb einer Bohrung einer drehbaren Antriebswelle 2310 sind. Die Antriebswelle 2310 kann eisenhaltig sein und als eine magnetostatische Abschirmung agieren oder kann alternativ nicht-eisenhaltig sein. Es gibt eine weitere magnetostatische Abschirmung 2312, die angeordnet ist, um sowohl den Magneten 2306 als auch das Sensorelement 2304 zu umgeben, und diese magnetostatische Abschirmung 2312 ist stationär (d. h. nicht drehbar). In diesen Figuren werden die Komponenten unter Verwendung unterschiedlicher Schraffiertypen unterschieden. Dieses Schraffieren soll keine Komponentenmaterialien anzeigen, da eine solche Wiedergabe ein eindeutiges Lesen beeinträchtigen würde.
23A stellt eine Sensoranordnung 2300A dar, umfassend einen Magneten 2306a und ein Sensorelement 2304a, die im Inneren einer Bohrung einer drehbaren Antriebswelle 2310a angeordnet sind.
Die Sensoranordnung 2300A umfasst auch eine magnetostatische Abschirmung 2312a, eine Komponentenplatine 2314a, einen Stator/ein Gehäuse 2316a, ein Kugellager 2322a, eine optionale Dichtlippe/Flachdichtung 2324a und einen Trägerpfosten 2330a, zusammen mit anderen sonstigen Komponenten.
Die drehbare Antriebswelle 2310a erstreckt sich entlang einer Rotationsachse und weist eine Bohrung auf, die sich von einer ersten Endfläche der Antriebswelle 2310a entlang der Rotationsachse erstreckt. Die drehbare Antriebswelle 2310a weist eine relative Permeabilität μ_r auf, die größer oder gleich 1 ist.
Der Magnet 2306a ist so angeordnet, dass er zumindest teilweise innerhalb der Bohrung ist und ist mit der Antriebswelle 2310a gekoppelt. Der Magnet 2306a ist ausgebildet zum Erzeugen eines Magnetfeldes innerhalb der Bohrung.
Das Sensorelement 2304a ist so angeordnet, dass es zumindest teilweise innerhalb der Bohrung ist, und ist ausgebildet zum Erfassen einer Rotation des Magnetfeldes ansprechend auf eine Rotation der Antriebswelle 2310a und des gekoppelten Magneten 2306a.
Die magnetostatische Abschirmung 2312a ist angeordnet, um den Magneten 2306a und das Sensorelement 2304a zu umgeben. Die magnetostatische Abschirmung 2312 ist stationär in Bezug auf die Antriebswelle 2310a. Ferner ist die magnetostatische Abschirmung 2312a auf einer gleichen Komponentenplatine 2314a (z. B. einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB)) wie das Sensorelement 2304a befestigt.
Die Komponentenplatine 2314a ist an dem Stator/Gehäuse 2316a durch ein anderes Mittel als die magnetostatische Abschirmung 2312a fixiert. Bei diesem Beispiel ist die Komponentenplatine 2314a an dem Stator/Gehäuse 2316a durch Distanzhalter 2318a und Schrauben 2320a fixiert, obwohl die Offenbarung diesbezüglich nicht eingeschränkt ist. Der Stator/das Gehäuse 2316a umgibt zumindest einen Abschnitt der Antriebswelle 2310a.
Die magnetostatische Abschirmung 2312a kann für Abschirmzwecke optimiert werden. Insbesondere kann ein Durchmesser der magnetostatischen Abschirmung 2312a so gewählt werden, dass er kleiner ist als ein Außendurchmesser des Kugellagers 2322a. Wenn die magnetostatische Abschirmung 2312a auch als ein Anbringungsmittel oder Distanzhalter zwischen der Komponentenplatine 2314a und dem Stator/Gehäuse 2316a funktioniert, ist sein Durchmesser größer als der Außendurchmesser des Kugellagers 2322a, wie in 23B und 23C nachfolgend beschrieben. Je kleiner der Durchmesser der magnetostatischen Abschirmung 2312a, desto besser kann die magnetostatische Abschirmung 2312a externe Störfelder von dem Sensorelement 2304a abschirmen.
Die Antriebswelle 2310a kann eisenhaltig sein, um als Abschirmung gegen magnetostatische Felder zu agieren, oder kann alternativ nicht-eisenhaltig sein. Wenn sowohl die Antriebswelle 2310a als auch die magnetostatische Abschirmung 2312a eisenhaltig sind, schirmen diese Komponenten externe Störfelder effizienter von dem Sensorelement 2304a ab. Insbesondere kann es passieren, dass ein starker Magnet 2310a die eisenhaltige Antriebswelle 2310a teilweise sättigen kann, wodurch die Abschirmeffizienz der Antriebswelle 2310a gegen magnetostatische Felder reduziert wird. In diesem Fall ist es zu bevorzugen, wenn die eisenhaltige magnetostatische Abschirmung 2312a um die Antriebswelle 2310a herum ist.
Ein anderer Vorteil einer Antriebswelle 2310a, die eisenhaltig ist plus eine zweite Abschirmung, ist eine höhere Genauigkeit gegenüber Befestigungstoleranzen der magnetostatischen Abschirmung 2310a. Der Magnet 2306a ist im Inneren der Antriebswelle 2310a mit höherer Platzierungstoleranz (d. h. kleinerer Exzentrizität) befestigt als eine relative Position zwischen dem Magneten 2306a und der magnetostatischen Abschirmung 2312a, weil es zusätzliche Zusammensetzungstoleranzen zwischen der magnetostatischen Abschirmung 2312a und der Komponentenplatine 2314a, der Komponentenplatine 2314a und dem Stator 2316a, dem Stator 2316a und der Antriebswelle 2310a über das Kugellager 2322a, und der Antriebswelle 2310a und den Magneten 2306a gibt. Wenn eine innerste eisenhaltige Wand um den Magneten 2306a exzentrisch zu dem Magneten 2306a ist, verzerrt die Wand die Symmetrie des Magnetfeldes auf dem Sensorelement 2304a, was zu zusätzlichen Fehlern beim Erfassen des Rotationswinkels führt; dies sollte vermieden oder minimiert werden.
Die Dichtlippe/Flachdichtung 2324a ist optional. Ihr Hauptzweck ist es, zu vermeiden, dass das Sensorelement 2304a durch Öl oder Schmierfett von dem Kugellager 2322a verunreinigt wird, und Feuchtigkeit von dem Sensorelement 2304a fernzuhalten. Feuchtigkeitsaufnahme der Sensoranordnung kann eine bedeutende Quelle für Lebenszeit-Drift und Ungenauigkeiten des Sensorelements 2304a sein. Die Dichtlippe/Flachdichtung 2324a wird platziert zwischen der magnetostatischen Abschirmung 2312a und der Antriebswelle 2310a, und eine Dichtlippe/Flachdichtung 2324a kann an einer dieser Komponenten angebracht sein.
Das Sensorelement 2304a und sein Trägerpfosten 2330a können überspritzt sein, um Anschlussleitungen des Sensorelements 2304a zu schützen. Für weniger Genauigkeit kann der Trägerpfosten 2330a übergangen werden.
23B stellt eine Sensoranordnung 2300B dar, die einen Magneten 2306b und ein Sensorelement 2304b, die im Inneren einer Bohrung einer drehbaren Antriebswelle 2310b angeordnet sind, und eine magnetostatische Abschirmung 2312b, die auf einer Komponentenplatine 2314b befestigt ist, umfasst.
Die Sensoranordnung 2300B umfasst ferner eine Komponentenplatine 2314b, einen Stator/ein Gehäuse 2316b und Schrauben 2320b, zusammen mit anderen sonstigen Komponenten. Die drehbare Antriebswelle 2310a weist eine relative Permeabilität μ_r auf, die größer oder gleich 1 ist.
Die magnetostatische Abschirmung 2312b funktioniert als Distanzhalter und Zentriermittel, aber nicht als Anbringungsmittel. Ferner ist die magnetostatische Abschirmung 2312b auf der Komponentenplatine 2314b befestigt, aber nicht an dem Stator 2316b.
Die magnetostatische Abschirmung 2312b ist an der Komponentenplatine 2314b angebracht, z. B. durch Nieten, Schrauben, ein Adhäsionsmittel oder eine Snap-On-Anbringung. Die magnetostatische Abschirmung 2314b weist freie Enden auf, die in entsprechende Zentrierungsrillen 2322b eingefügt sind, die innerhalb des Stators 2315b gebildet sind. Die Komponentenplatine 2314b wird in Bezug auf den Stator 2316b durch Schrauben 2320b, wie gezeigt, gehalten. Es ist gezeigt, dass diese Schrauben 2320b außerhalb der magnetostatischen Abschirmung 2312b sind. Alternativ können diese Schrauben 2320b im Inneren der magnetostatischen Abschirmung 2312b platziert sein, was bedeutet, dass es erforderlich ist, dass der Durchmesser der magnetostatischen Abschirmung 2312b vergrößert wird. Dieser vergrößerte Durchmesser reduziert seine Abschirmeffizienz, weist aber einen Vorteil auf, dass die Schrauben 2320b von außen nicht sichtbar sind und vor Schmutz und Korrosion besser geschützt sind.
Die magnetostatische Abschirmung 2312b kann in Form einer Kappe, wie gezeigt, sein mit einem geschlossenen Ende an einer Seite der Komponentenplatine 2314b und einem offenen Ende an einer Seite der Antriebswelle 2310b. Das geschlossene Ende weist ein kleines Loch auf um durch dasselbe Anschlussleitungen für das Sensorelement 2304b zu führen. Diese Kappenform kann Abschirmeffizienz, mechanische Stabilität und hermetische Abdichtung des Innenraums von der äußeren Umgebung verbessern. Sie vermeidet auch eine Kollision zwischen einem Ende der drehbaren Antriebswelle 2310b und der Komponentenplatine 234b, wenn die Antriebswelle 2310b ein übermäßiges axiales Spiel z. B. aufgrund von abgenutzten Kugellagern 2322b, aufweist.
Die magnetostatische Abschirmung 2312b kann auch Löcher/Aperturen (nicht gezeigt) entlang ihres Umfangs aufweisen. Diese Löcher/Aperturen können für eine Sichtinspektion des Endes der Antriebswelle 2310b verwendet werden, oder sie können ein Kühlen des Sensorelements 2304b durch einen Luftzug ermöglichen.
23C stellt eine Sensoranordnung 2300C da, die einen Magneten 2306c und ein Sensorelement 2304c, die innerhalb einer Bohrung einer drehbaren Antriebswelle 2310c angeordnet sind, und eine kappenförmige, magnetostatische Abschirmung 2312c, die ausgebildet ist zum Befestigen einer Komponentenplatine 2314c an einem Stator 2316c, umfasst.
Die Sensoranordnung 2300C umfasst ferner Schrauben 2320c und einen Zentrierstift 2322c, zusammen mit anderen sonstigen Komponenten. Die drehbare Antriebswelle 2310a weist eine relative Permeabilität μ_r auf, die größer als oder gleich 1 ist.
Die kappenförmige magnetostatische Abschirmung 2312c funktioniert, um die Komponentenplatine 2314c an dem Stator 2316c über Schrauben 2320c zu befestigen. Wenn es erforderlich ist, die Platzierungsgenauigkeit der magnetostatischen Abschirmung 2312c zu verbessern, ist es möglich, zusätzlich einen oder mehrere Zentrierstifte 2324c entlang der Manschette (collar) 2312c-1 der magnetostatischen Abschirmung 2312c, wie gezeigt, zu platzieren. Wenn das kleine zentrale Loch in der magnetostatischen Abschirmung 2312c größer gemacht wird, ist es möglich, zuerst die magnetostatische Abschirmung 2312c an dem Stator 2316c zu befestigen, und danach die Komponentenplatine 2314c mit dem Sensorelement 2304c auf der magnetostatischen Abschirmung 2312c zu befestigen, wodurch das Sensorelement 2304c durch das Loch in der magnetostatischen Abschirmung 2312c in eine Bohrung des Magneten 2304c eingeführt wird.
23D stellt eine Sensoranordnung 2300D dar, die einen Magneten 2306d und ein Sensorelement 2304d, die innerhalb einer Bohrung einer drehbaren Antriebswelle 2310d angeordnet sind, und eine Komponentenplatine 2314d, die im Inneren einer kappenförmigen magnetostatischen Abschirmung 2312d befestigt ist, umfasst.
Die Sensoranordnung 2300D umfasst ferner einen Stator/ein Gehäuse 2316c, einen Zentrierstift 2322c, eine Verbinderbuchse 2326d und Verbinderstifte 2328d zusammen mit anderen sonstigen Komponenten. Die drehbare Antriebswelle 2310a weist eine relative Permeabilität μ_r auf, die größer als oder gleich 1 ist.
Die Komponentenplatine 2314d ist im Inneren der kappenförmigen magnetostatischen Abschirmung 2312d befestigt. Die magnetostatische Abschirmung 2312d weist eine zentrale Öffnung auf, durch die die elektrischen Verbindungen mit dem Sensorelement 2304d durch die Verbinderbuchse 2326d und die Verbinderstifte 2328d geführt werden können. Die Komponentenplatine 2314d weist einen kleineren Durchmesser auf als die magnetoresistive Abschirmung 2312d. Die Komponentenplatine 2314d wird in die magnetoresistive Abschirmung 2312d eingefügt, nachdem das Sensorelement 2304d an der Komponentenplatine 2314d befestigt worden ist und ein Verbindungsmittel an der Komponentenplatine 2314d angebracht worden ist (ist z. B. durch einen Draht oder irgendeinen Verbinder an der Seite der Komponentenplatine 2314d auf einer Seite gegenüberliegend zu der Sensorelementseite befestigt).
Es ist möglich, empfindliche elektrische Komponenten auf der Seite der Komponentenplatine 2314d, die der Antriebswelle 2310d zugewandt ist, zu platzieren. Zum Beispiel können diese elektrischen Komponenten einfache feine Leiterbahnen sein, die in einer radialen Richtung ähnlich zu einem Stern orientiert sind. Wenn die Antriebswelle 2310d zu viel axiales Spiel aufweist und mit der Komponentenplatine 2314d kollidiert, zerstört die Antriebswelle 2310d die feinen Bahnen, d. h. entweder bricht die Antriebswelle 2310d die Bahnen auf, sodass ihr Widerstandswert stark ansteigt, oder schmiert Material zwischen benachbarten Bahnen heraus, sodass zwei parallel Bahnen, die sich in radialer Richtung erstrecken, ursprünglich galvanisch voneinander isoliert sind und nach der Kollision mit der Antriebswelle 2310d eine elektrische Verbindung dazwischen aufweisen. Natürlich ist es möglich, andere Elemente anstelle von Leiterbahnen zu platzieren, deren Zweck es ist, irgendeine elektrische Eigenschaft nach einer Kollision mit der Antriebswelle 2310d signifikant und zuverlässig zu indem. Diese Elemente können über die Verbinderbuchse 2326d mit irgendeiner Bewertungsschaltung verbunden sein, die sich von der Komponentenplatine 2314d entfernt befindet. Alternativ können die Elemente mit dem Sensorelement 2304d verbunden sein. Das Sensorelement 2304d oder irgendeine Schaltung außerhalb der Platine kann elektrische Eigenschaften überwachen und überprüfen, ob eine Kollision detektiert wird, um das Ereignis an eine Steuereinheit zu signalisieren.
24A–24E stellen Sensoranordnungen 2400 dar, die einen Magneten 2406 umfassen, der nicht im Inneren einer Bohrung einer Antriebswelle 2410 befestigt ist. Ferner ist eine magnetostatische Abschirmung 2412 nicht stationär, sondern rotiert stattdessen mit der Antriebswelle 2410. In diesen Figuren werden die Komponenten unter Verwendung unterschiedlicher Schraffiertypen unterschieden. Dieses Schraffieren soll keine Komponentenmaterialien anzeigen, da eine solche Wiedergabe ein eindeutiges Lesen beeinträchtigen würde.
24A stellt eine Sensoranordnung 2400A dar, umfassend einen Magneten 2406a und ein Sensorelement 2404a, die an einem Ende einer drehbaren Antriebswelle 2410a angeordnet sind, und eine magnetostatische Abschirmung 2412a, die ausgebildet ist zum Rotieren mit der Antriebswelle 2410a. Anders ausgedrückt, die magnetostatische Abschirmung 2412a ist auf der Antriebswelle 2410a und an dem Magneten 2406a befestigt.
Die Sensoranordnung 2400a umfasst ferner eine Komponentenplatine 2414a und einen Stator/ein Gehäuse 2416a, zusammen mit anderen sonstigen Komponenten. Die drehbare Antriebswelle 2310a weist eine relative Permeabilität μ_r auf, die größer als oder gleich 1 ist.
Die drehbare Antriebswelle 2410a erstreckt sich entlang einer Rotationsachse. Der Magnet 2406a ist ausgebildet zum Erzeugen eines Magnetfeldes. Das Sensorelement 2404a ist ausgebildet zum Erfassen einer Rotation des Magnetfeldes ansprechend auf eine Rotation der Antriebswelle 2410a und des Magneten 2406a.
Die magnetostatische Abschirmung 2410a ist angeordnet, um den Magneten 2406a und das Sensorelement 2404a zu umgeben, und ist ausgebildet zum Rotieren mit der Antriebswelle 2410a. Die magnetostatische Abschirmung 2410a ist an einem ersten Ende auf der Antriebswelle 2410a muffen-befestigt, und ist an einem zweiten Ende an dem Magneten 2406a befestigt.
24B stellt eine Sensoranordnung 2400B dar, die einen Magneten 2406b und ein Sensorelement 2406d, die an einem Ende einer drehbaren Antriebswelle 2410d angeordnet sind, und eine magnetostatische Abschirmung 2412d, die über einem Ende der Antriebswelle 2410b muffen-befestigt ist, umfasst.
Die Sensoranordnung 2400B umfasst ferner eine Komponentenplatine 2414b, einen Stator/ein Gehäuse 2416b und ein Kugellager 2422b, zusammen mit anderen sonstigen Komponenten. Die drehbare Antriebswelle 2310a weist eine relative Permeabilität μ_r auf, die größer als oder gleich 1 ist.
Diese Sensoranordnung 2400B resultiert in einer größeren axialen Länge, um die die magnetostatische Abschirmung 2412b und der Magnet 2406b aus dem Kugellager 2422b herausstehen, verglichen mit Varianten, wo der Magnet 2406b im Inneren einer Bohrung in der Antriebswelle 2410b platziert ist. Die magnetostatische Abschirmung 2412b wird über das Ende der Antriebswelle 2410b entlang einer vernünftigen Länge, d. h. ungefähr zumindest so lange wie der Durchmesser der Antriebswelle 1410b, geschoben (sleeved over) um genau um die Rotationsachse der Antriebswelle 2410b zentriert zu sein. Die Muffe kann an der Antriebswelle 2410b fixiert sein durch Einpressen (Pressfitting, eng. press-fitting), ein Adhäsionsmittel oder durch ein diametrales Loch in der Antriebswelle 2410b und der magnetostatischen Abschirmung 2412b, durch das eine Schraube oder anderer Stift platziert werden kann. Einpressen erfordert eine erhebliche Kraft, die den Magneten 2406b zerstören kann, wenn die Antriebswelle 2410b vor dem Einpressen in der magnetostatischen Abschirmung 2412b befestigt wird. Andererseits erfordern andere Verfahren irgendeinen radialen Zwischenraum zwischen der Antriebswelle 2410b und der magnetostatischen Abschirmung 2412b, und dies verursacht, dass der Magnet 2406b nicht gut auf der Rotationsachse zentriert ist, was zu Fehlern bei dem detektierten Winkel führt.
Die magnetostatische Abschirmung 2412b kann ausgebildet sein, derart, dass ein Durchmesser eines Endes der magnetostatischen Abschirmung 2412b, das der Komponentenplatine 2414b zugewandt ist, kleiner ist als ein Durchmesser des anderen Endes. Dieser kleinere Durchmesser verbessert die Abschirmung und schützt den Magneten 2406b.
24C stellt eine Sensoranordnung 2400C dar, die ein Sensorelement 2404c, das an einem Ende einer Antriebswelle 2410c angeordnet ist, und einen Magneten 2406c, der direkt an dem Ende der drehbaren Antriebswelle 2410c befestigt ist, umfasst.
Die Sensoranordnung 2400C umfasst ferner eine magnetostatische Abschirmung 2412c, eine Komponentenplatine 2414c und einen Stator/ein Gehäuse 2416c, zusammen mit anderen sonstigen Komponenten. Die drehbare Antriebswelle 2310a weist eine relative Permeabilität μ_r auf, die größer als oder gleich 1 ist.
Um große Kräfte auf dem Magneten 2406c zu vermeiden, wenn die magnetostatische Abschirmung 2412c durch Einpressen auf der Antriebswelle 2410c muffen-befestigt ist, kann der Magnet 2406c direkt an der Antriebswelle 2410c angebracht sein, z. B. unter Verwendung eines Adhäsionsmittels 2432c und Aufrechterhaltung eines radialen Zwischenraums zwischen der magnetostatischen Abschirmung 2412c und dem Magneten 2406c.
24D und 24E stellen Sensoranordnungen 2400D, 2400E dar, bei denen ein Magnet 2406 auf einer nicht-eisenhaltigen Antriebswelle 2410 befestigt ist, und eine magnetostatische Abschirmung 2312 an dem Magneten 2406 befestigt ist.
24D stellt eine Sensoranordnung 2400D dar, die ein Sensorelement 2404d, das im Inneren einer Bohrung einer drehbaren Antriebswelle 2410d angeordnet ist, und einen Magneten 2406d, der so angeordnet ist, dass er außerhalb der Bohrung der Antriebswelle 2410d ist, umfasst.
Die Sensoranordnung 2400D umfasst eine magnetostatische Abschirmung 2412d, eine Komponentenplatine 2414d und einen Stator/ein Gehäuse 2416d, zusammen mit anderen sonstigen Komponenten. Die drehbare Antriebswelle 2310a weist eine relative Permeabilität μ_r auf, die ungefähr 1 ist.
Die drehbare Antriebswelle 2410d weist eine Bohrung auf, die sich von einer ersten Endfläche der Antriebswelle 2410d entlang der Rotationsachse erstreckt. Die Antriebswelle 2410d umfasst ein nicht eisenhaltiges Material. Das Sensorelement 2404d ist so angeordnet, dass es innerhalb der Bohrung der Antriebswelle 2410d angeordnet ist. Der Magnet 2406d ist direkt mit der Antriebswelle 2410d gekoppelt und ist außerhalb der Bohrung der Antriebswelle 2410d.
24E stellt eine Sensoranordnung 2400E dar, umfassend einen Magneten 2406e und ein Sensorelement 2404e, die an einem Ende einer drehbaren Antriebswelle 2410e angeordnet sind, und das Sensorelement 2404e ist so angeordnet, dass es innerhalb einer Bohrung des Magneten 2406e ist.
Die Sensoranordnung 2400E umfasst ferner eine magnetostatische Abschirmung 2412e, eine Komponentenplatine 2414e und einen Stator/ein Gehäuse 2416e, zusammen mit anderen sonstigen Komponenten. Die drehbare Antriebswelle 2310a weist eine relative Permeabilität μ_r auf, die ungefähr 1 ist.
Der Magnet 2406e weist eine Bohrung auf und ist direkt mit der Antriebswelle 2410e gekoppelt. Das Sensorelement 2404e ist so angeordnet, dass es innerhalb der Bohrung des Magneten 2406e angeordnet ist. Während das Verfahren und Variationen desselben nachfolgend als eine Reihe von Schritten oder Ereignissen dargestellt und beschrieben sind, wird darauf hingewiesen, dass die dargestellte Reihenfolge solcher Schritte oder Ereignisse nicht in einem einschränkenden Sinn interpretiert werden soll. Zum Beispiel können einige Schritte in unterschiedlichen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Schritten oder Ereignissen abgesehen von jenen auftreten, die hierin dargestellt und/oder beschrieben sind. Zusätzlich dazu sind möglicherweise nicht alle dargestellten Schritte erforderlich, um einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsbeispiele der Offenbarung hierin zu implementieren. Ferner können einer oder mehrere der hierin gezeigten Schritte in einem oder mehreren separaten Schritten und/oder Phasen ausgeführt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass der beanspruchte Gegenstand als ein Verfahren, eine Vorrichtung oder ein Herstellungsartikel implementiert sein kann, die standardmäßige Programmierungs- und/oder Konstruktionstechniken verwenden, um Software, Firmware, Hardware oder jegliche Kombination derselben zu erzeugen, um einen Computer zu steuern, um den offenbarten Gegenstand zu implementieren (z. B. sind die Systeme/Bauelemente, die in 1, 2 etc. gezeigt sind, nicht einschränkende Beispiele eines Systems, das zum Implementieren der obigen Verfahren verwendet werden kann). Der Ausdruck „Herstellungsartikel”, wie er hierin verwendet wird, soll ein Computerprogramm einschließen, das von jeglichem computerlesbaren Bauelement, Träger oder Medium aus lesbar ist. Natürlich werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass viele Modifikationen an dieser Konfiguration vorgenommen werden können, ohne von dem Wesen und dem Schutzbereich des beanspruchten Gegenstandes abzuweichen.
Eine Sensoranordnung umfasst ein Sensorelement und ein Magnetmodul. Das Sensorelement ist ausgebildet zum Messen eines Magnetfeldes und ist innerhalb einer Welle positioniert. Die Welle ist ausgebildet zum Abschirmen des Magnetmoduls und des Sensorelements. Das Magnetmodul ist ausgebildet zum Erzeugen des Magnetfeldes. Das Sensorelement ist zumindest teilweise innerhalb der Welle positioniert.
Eine andere Sensoranordnung umfasst ein Sensormodul, ein Gehäuse und eine Welle. Das Magnetmodul ist ausgebildet zum Messen eines Magnetfeldes. Das Gehäuse weist eine Modulöffnung und eine Gehäuseaussparung auf. Das Sensormodul ist innerhalb der Modulöffnung positioniert. Die Welle ist mit der Wellenaussparung gekoppelt und weist ein Magnetmodul auf, das ausgebildet ist zum Erzeugen des Magnetfeldes. Die Welle ist ausgebildet zum Abschirmen des Magnetmoduls und des Sensormoduls.
Ein integriertes Sensorbauelement umfasst ein Sensormodul, ein Gehäuse und ein Magnetmodul. Das Magnetmodul ist ausgebildet zum Messen eines Magnetfeldes. Das Gehäuse weist eine Modulöffnung und eine Wellenaussparung auf und ist ausgebildet zum Abschirmen des Sensormoduls. Das Sensormodul ist innerhalb der Modulöffnung positioniert. Das Magnetmodul ist innerhalb einer Welle positioniert. Die Welle ist mit der Wellenaussparung gekoppelt. Das Magnetmodul ist ausgebildet zum Erzeugen des Magnetfeldes. Die Welle ist ausgebildet zum Abschirmen des Magnetmoduls.
Ein Sensorsystem mit einem Sensormodul, einer Schnittstelle und einer Steuereinheit ist offenbart. Das Sensormodul befindet sich innerhalb eines Gehäuses und weist ein Sensorelement auf, das ausgebildet ist zum Bereitstellen von Messungen eines Magnetfeldes. Das Gehäuse schirmt das Sensormodul von einer oder mehreren Störungen ab. Die Schnittstelle ist mit dem abgeschirmten Sensormodul gekoppelt und ist ausgebildet zum Übertragen von Magnetfeldmessungen von dem abgeschirmten Sensormodul. Die Steuereinheit ist ausgebildet zum Bestimmen einer Winkelinformation basierend auf den Magnetfeldmessungen.
Ein Verfahren des Betreibens eines Sensorbauelements ist offenbart. Ein Sensormodul ist in ein Gehäuse ausgebildet oder positioniert. Das Sensormodul ist von einer oder mehreren Störungen durch Das Gehäuse abgeschirmt. Eine Welle ist ausgebildet zum Aufweisen einer Wellenaussparung. Ein Magnetmodul ist innerhalb der Wellenaussparung positioniert. Das Magnetmodul wird durch die Welle von der einen oder den mehreren Störungen abgeschirmt. Ein Magnetfeld wird durch das Magnetmodul erzeugt. Das Magnetfeld wird durch das Sensormodul gemessen.
Unter besonderer Betrachtung der verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Zusammensetzungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme, etc.) ausgeführt werden, sollen die Ausdrücke (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „Mittel”), die zum Beschreiben solcher Komponenten verwendet werden, außer anderweitig angegeben, jeglicher Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (die z. B. funktional äquivalent ist), obwohl sie strukturell nicht äquivalent zu der offenbarten Struktur ist, die die Funktion bei den hierin dargestellten beispielhaften Implementierungen der Erfindung ausführt. Während ein bestimmtes Merkmal der Erfindung möglicherweise in Bezug auf nur eine von mehreren Implementierungen offenbart worden ist, kann ein solches Merkmal zusätzlich mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie es für jegliche gegebene oder bestimmte Anwendung erwünscht oder vorteilhaft sein kann. Insoweit die Ausdrücke „umfassend”, „umfasst”, „haben”, „hat”, „mit” oder Varianten derselben entweder in der detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, sollen solche Ausdrücke ferner umfassend sein, auf eine Weise ähnlich zu dem Ausdruck „aufweisend”.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 14/812907 [0239]

Claims

Eine Sensoranordnung, umfassend: eine drehbare Antriebswelle, die sich entlang einer Rotationsachse erstreckt und eine Bohrung aufweist, die sich von einer ersten Endfläche der Antriebswelle entlang der Rotationsachse erstreckt; einen Magneten, der zumindest teilweise innerhalb der Bohrung angeordnet ist und mit der Antriebswelle gekoppelt ist, wobei der Magnet ausgebildet ist zum Erzeugen eines Magnetfeldes innerhalb der Bohrung; ein Sensorelement, das zumindest teilweise innerhalb der Bohrung angeordnet ist, und das ausgebildet ist zum Erfassen einer Rotation des Magnetfeldes ansprechend auf eine Rotation der Antriebswelle; und eine magnetostatische Abschirmung, die angeordnet ist, um den Magneten und das Sensorelement zu umgeben, wobei die magnetostatische Abschirmung in Bezug auf die Antriebswelle stationär ist.
Die Sensoranordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Welle ein eisenhaltiges Material aufweist.
Die Sensoranordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die magnetostatische Abschirmung ein eisenhaltiges Material aufweist.
Die Sensoranordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Komponentenplatine, wobei das Sensorelement und die magnetostatische Abschirmung auf der Komponentenplatine befestigt sind.
Die Sensoranordnung gemäß Anspruch 4, ferner umfassend: einen Stator, der auf der Komponentenplatine befestigt ist und zumindest einen Abschnitt der Antriebswelle umgibt.
Die Sensoranordnung gemäß Anspruch 5, ferner umfassend: einen Dichtkörper, der zwischen der magnetostatischen Abschirmung und der Antriebswelle angeordnet ist.
Die Sensoranordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Flachdichtung, die zwischen der drehbaren Antriebswelle und der magnetostatischen Abschirmung angeordnet ist.
Die Sensoranordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Komponentenplatine, wobei die magnetostatische Abschirmung auf der Komponentenplatine befestigt ist; einen Stator, der angeordnet ist, um zumindest einen Abschnitt der Antriebswelle zu umgeben und um direkt über eine Sicherungsvorrichtung auf der Komponentenplatine befestigt zu sein, wobei freie Enden der magnetostatischen Abschirmung in entsprechende, innerhalb des Stators gebildete Zentrierungsrillen eingefügt sind.
Die Sensoranordnung gemäß Anspruch 8, wobei die magnetostatische Abschirmung in Form einer Kappe mit einem geschlossenen Ende an einer Seite der Komponentenplatine und einem offenen Ende an einer Seite der Antriebswelle ist.
Die Sensoranordnung gemäß Anspruch 9, wobei die magnetostatische Abschirmung Aperturen entlang ihres Umfangs aufweist.
Die Sensoranordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Komponentenplatine, wobei die magnetostatische Abschirmung auf der Komponentenplatine befestigt ist; einen Stator, der angeordnet ist, um zumindest einen Abschnitt der Antriebswelle zu umgeben, wobei die magnetostatische Abschirmung angeordnet ist, um den Stator an der Komponentenplatine zu befestigen.
Die Sensoranordnung gemäß Anspruch 11, wobei die magnetostatische Abschirmung in Form einer Kappe mit einem geschlossenen Ende an einer Seite der Komponentenplatine und einem offenen Ende an einer Seite der Antriebswelle ist, und ferner umfassend Zentrierstifte, die entlang einer Manschette der kappenförmigen magnetostatischen Abschirmung angeordnet sind, um eine Platzierung zwischen der magnetostatischen Abschirmung und dem Stator aufrechtzuerhalten.
Die Sensoranordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die magnetostatische Abschirmung in Form einer Kappe mit einem offenen Ende an einer Seite der Antriebswelle ist, und wobei die Sensoranordnung ferner umfasst: eine Komponentenplatine, die angeordnet ist, um innerhalb der kappenförmigen magnetostatischen Abschirmung befestigt zu sein, und die eine zentrale Öffnung aufweist; und einen Verbinder, der in der zentralen Öffnung der Komponentenplatine angeordnet ist, und der ausgebildet ist zum Weiterleiten elektrischer Verbindungen zu dem Sensorelement.
Eine Sensoranordnung, umfassend: eine drehbare Antriebswelle, die sich entlang einer Rotationsachse erstreckt; einen Magneten, der ausgebildet ist zum Erzeugen eines Magnetfeldes; ein Sensorelement, das ausgebildet ist zum Erfassen einer Rotation des Magnetfeldes ansprechend auf eine Rotation der Antriebswelle; und eine magnetostatische Abschirmung, die angeordnet ist, um den Magneten und das Sensorelement zu umgeben, und die ausgebildet ist zum Rotieren mit der Antriebswelle.
Die Sensoranordnung gemäß Anspruch 14, wobei die magnetostatische Abschirmung an einem ersten Ende auf der Antriebswelle muffen-befestigt ist, und an einem zweiten Ende an dem Magneten befestigt ist.
Die Sensoranordnung gemäß Anspruch 15, wobei ein Durchmesser des zweiten Endes der magnetostatischen Abschirmung kleiner ist als ein Durchmesser des ersten Endes.
Die Sensoranordnung gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei die magnetostatische Abschirmung an dem ersten Ende auf der Antriebswelle durch zumindest eines von Einpressen, einem Adhäsionsmittel und entsprechenden diametralen Löchern mit Sicherungselementen in der Antriebswelle und der magnetostatischen Abschirmung muffen-befestigt ist.
Die Sensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei: die magnetostatische Abschirmung an einem ersten Ende auf der Antriebswelle muffen-befestigt ist, und der Magnet direkt an dem ersten Ende der Antriebswelle befestigt ist, derart, dass es einen radialen Zwischenraum zwischen dem Magneten und der magnetostatischen Abschirmung gibt.
Die Sensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei: die Antriebswelle eine Bohrung aufweist, die sich von einer ersten Endfläche der Antriebswelle entlang der Rotationsachse erstreckt, und die Antriebswelle ein nicht eisenhaltiges Material umfasst, das Sensorelement innerhalb der Bohrung der Antriebswelle angeordnet ist, und der Magnet direkt mit der Antriebswelle gekoppelt ist und außerhalb der Bohrung der Antriebswelle ist.
Die Sensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei: der Magnet eine Bohrung aufweist und direkt mit der Antriebswelle gekoppelt ist, und das Sensorelement innerhalb der Bohrung des Magneten angeordnet ist.