DE102017221753A1

DE102017221753A1 - Antriebseinrichtung mit einer magnetischen Sensoreinrichtung

Info

Publication number: DE102017221753A1
Application number: DE102017221753.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hampe; Bernd Mack; Ferdinand Seitz
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2017-12-04
Filing date: 2017-12-04
Publication date: 2019-06-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung (1) mit einer Welle (3), die an einer Struktur (4) um eine axiale Wellendrehachse (6) drehbar gelagert ist, und mit einer Sensoreinrichtung (7), welche zur Bestimmung der Drehposition der Welle (3) relativ zur Struktur (4) einen Magnetkörper (8) sowie einen Sensor (9) zum Erfassen des magnetischen Feldes des Magnetkörpers (8) aufweist. Eine baumraumsparende Ausbildung der Antriebseinrichtung (1) und der Sensoreinrichtung (7) sowie eine verbesserte Präzision der Bestimmung der Drehposition der Welle (3) werden dadurch erreicht, dass der Magnetkörper (8) sich radial außen in Umfangsrichtung (10) der Welle (3) erstreckt und Magnetpole (16, 17) aufweist, welche in der Art eines Hallbach-Arrays ausgestaltet sind, so dass die magnetische Flussdichte des Magnetkörpers (8) an einer ersten axialen Stirnseite (13) des Magnetkörpers (8) zumindest doppelt so stark ist wie an einer der ersten axialen Stirnseite (13) gegenüberliegenden zweiten axialen Stirnseite (14) des Magnetkörpers (8).
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine solche Sensoreinrichtung (7).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung mit einer drehbar gelagerten Welle und mit einer Sensoreinrichtung zur Bestimmung der Drehposition der Welle, welche einen Magnetkörper sowie einen Sensor aufweist. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine solche Sensoreinrichtung.
Eine gattungsgemäße Antriebseinrichtung weist eine Welle auf, mit der Elemente innerhalb und außerhalb der Antriebseinrichtung verstellt werden können. Beispielsweise kann die Antriebseinrichtung Ventile, Klappen und dergleichen verstellen und dementsprechend als Aktuator fungieren. Wünschenswert ist es, bei solchen Antriebseinrichtungen eine Drehposition der Welle zu kennen. Dies erlaubt es beispielsweise, die Antriebseinrichtung, insbesondere die Welle, besser anzusteuern und/oder eine Position bzw. Stellung des mit der Welle verstellten Elements zu ermitteln. Zur Bestimmung der Drehposition der Welle können prinzipiell Sensoreinrichtungen eingesetzt werden, die einen Magnetkörper sowie einen Sensor zum Detektieren des Magnetfelds des Magnetkörpers aufweisen, wobei Sensor und Magnetkörper sich entsprechend der Drehung der Welle relativ zueinander bewegen, so dass aufgrund des erfassten magnetischen Felds bzw. dessen Änderung auf die Drehposition der Welle geschlossen werden kann.
Vorstellbar ist es, den Magnetkörper in der Art einer Scheibe auszubilden und an einer Stirnseite der Welle anzuordnen, so dass sich der Magnetkörper mit der Welle dreht. Nachteilig hierbei ist, dass es zwischen dem Magnetkörper und der üblicherweise metallischen oder metallhaltigen Welle zu magnetischen und/oder elektromagnetischen Wechselwirkungen kommen kann. Zudem ist eine genaue Positionierung des Magnetkörpers an der Stirnseite der Welle erforderlich. Darüber hinaus führt eine solche Ausgestaltung zu einer vergrößerten Dimensionierung der Antriebseinrichtung, insbesondere entlang der Drehachse der Welle und somit zu einem erhöhten Bauraumbedarf in Axialrichtung. Ferner kann eine solche Anordnung des Magnetkörpers zu einer erschwerten Lagerung der Welle innerhalb der Antriebseinrichtung führen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für eine Antriebseinrichtung der eingangs genannten Art sowie für eine Sensoreinrichtung einer solchen Antriebseinrichtung verbesserte oder zumindest andere Ausführungsformen anzugeben, die sich insbesondere durch einen vereinfachten und/oder kostengünstigen und/oder bauraumsparenden Aufbau und/oder eine erhöhte Präzision der Drehpositionsbestimmung der Welle auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Antriebseinrichtung mit einer um eine axial verlaufende Wellendrehachse drehbar gelagerten Welle, einen Magnetkörper einer Sensoreinrichtung zur Drehpositionsbestimmung der Welle radial außenseitig der Welle bzw. radial zur Welle beabstandet und sich in Umfangsrichtung erstreckend anzuordnen und in der Art eines Hallbach-Arrays mit Magnetpolen zu versehen, welche zu einem stark asymmetrischen Magnetfeld des Magnetkörpers derart führen, dass das Magnetfeld an einer Stirnseite des Magnetkörpers stärker ist als im Übrigen Bereich des Magnetkörpers und insbesondere an der gegenüberliegenden Stirnseite des Magnetkörpers. Die Anordnung des Magnetkörpers bezüglich der Welle führt zu einem reduzierten Bauraumbedarf, insbesondere in Axialrichtung, so dass die Antriebseinrichtung insgesamt bauraumsparender ausgebildet werden kann. Das Ausgestalten des Magnetkörpers in der Art eines Hallbach-Arrays führt insbesondere dazu, dass das Magnetfeld des Magnetkörpers, nachfolgend auch magnetisches Feld genannt, an besagter Stirnseite verstärkt ist, wogegen an der gegenüberliegenden Stirnseite ein zumindest schwächeres magnetisches Feld vorhanden ist, so dass einerseits der Magnetkörper kleiner ausgebildet sein kann und andererseits an der gegenüberliegenden Stirnseite möglicherweise benötigte magnetische Abschirmelemente entfallen können. Somit kann die Drehpositionsbestimmung der Welle einerseits präziser erfolgen und andererseits die Sensoreinrichtung und somit die Antriebseinrichtung bauraumsparender hergestellt werden.
Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist die Antriebseinrichtung die Welle auf, welche an einer Struktur der Antriebseinrichtung, beispielsweise an einem Gehäuse der Antriebseinrichtung, drehbar gelagert ist. Die Sensoreinrichtung weist außer dem Magnetkörper einen Sensor auf, der im Betrieb das magnetische Feld des Magnetkörpers erfasst, so dass somit die Drehposition der Welle relativ zur Struktur bestimmt werden kann. Dabei sind der Magnetkörper und der Sensor derart angebracht, dass eine Drehung der Welle zu einer relativen Drehung zwischen dem Magnetkörper und dem Sensor führt. Bevorzugt ist der Magnetkörper drehfest an der Welle angebracht, wogegen der Sensor relativ zur Struktur, insbesondere an der Struktur, fixiert ist. Der Magnetkörper erstreckt sich radial außen in Umfangsrichtung der Welle und ist erfindungsgemäß in der Art eines Hallbach-Arrays mit Magnetpolen versehen. Der Magnetkörper weist derartige Magnetpole auf, die derart ausgestaltet sind, dass die magnetische Flussdichte und somit das Magnetfeld des Magnetkörpers an besagter axialer Stirnseite des Magnetkörpers, nachfolgend erste axiale Stirnseite genannt, zumindest doppelt so stark ist wie an der gegenüberliegenden Stirnseite des Magnetkörpers, nachfolgend auch zweite axiale Stirnseite genannt.
Die Magnetpole des Magnetkörpers sind also insbesondere derart ausgestaltet, insbesondere angeordnet, dass sie an der ersten axialen Stirnseite zu einer Verstärkung des magnetischen Flusses bzw. der magnetischen Flussdichte des Magnetkörpers führen. In der Folge ist eine präzisere Bestimmung der Drehposition der Welle möglich. Zudem ist das Magnetfeld bzw. die magnetische Flussdichte des Magnetkörpers somit an der ersten axialen Stirnseite robuster, insbesondere auch gegenüber Temperaturänderungen und/oder Dimensionierungen des Magnetkörpers und/oder Fertigungstoleranzen. Ferner ist somit eine durch Alterung bedingte Änderung des magnetischen Felds an der ersten axialen Stirnseite zumindest reduziert.
Der Vergleich der magnetischen Flussdichten gilt insbesondere für den Betrag der Flussdichte, da diese abhängig vom jeweiligen Magnetpol ein positives oder ein negatives Vorzeichen haben kann. Der Vergleich gilt insbesondere bei einem axialen Abstand mit der jeweiligen Stirnseite. Der Abstand entspricht dabei vorzugsweise demjenigen Abstand des Sensors zur ersten axialen Stirnseite und beträgt bevorzugt wenige Millimeter, insbesondere zwischen 1,00 und 3,00 mm (Bitte möglichst einen Bereich angeben).
Das Magnetfeld des Magnetkörpers ist also, insbesondere axial betrachtet, d.h. in einer axial verlaufenden Ebene, asymmetrisch, derart, dass das Magnetfeld an der ersten axialen Stirnseite verstärkt und an der zweiten axialen Seite geschwächt ist.
Bevorzugt ist es, die Magnetpole des Magnetkörpers derart in der Art eines Hallbach-Arrays auszugestalten, dass die magnetische Flussdichte des Magnetkörpers an der ersten axialen Stirnseite zumindest dreifach so stark ist wie an der zweiten axialen Stirnseite. Besonders bevorzugt ist die magnetische Flussdichte des Magnetkörpers an der ersten axialen Stirnseite viermal so stark wie an der zweiten axialen Stirnseite. Vorstellbar sind auch größere Unterschiede zwischen der magnetischen Flussdichte an der ersten und zweiten axialen Stirnseite.
Die magnetische Flussdichte an der ersten axialen Stirnseite kann prinzipiell beliebig groß sein, sofern sie zumindest doppelt so groß/stark ist wie an der zweiten axialen Stirnseite. Die magnetische Flussdichte an der ersten axialen Stirnseite beträgt, beispielsweise zwischen -1000 mT (milli Tesla) und 1000 mT im Bereich des Sensors, insbesondere zwischen -100 mT und 100 mT.
Bei vorteilhaften Varianten sind die Magnetpole des Magnetkörpers derart in der Art eines Hallbach-Arrays ausgestaltet, dass magnetische Feldlinien des Magnetkörpers im Wesentlichen nur an der ersten axialen Stirnseite ein- bzw. austreten und im Übrigen innerhalb des Magnetkörpers im Wesentlichen geschlossen verlaufen bzw. in sich geschlossen sind.
Unter „im Wesentlichen“ ist in diesem Zusammenhang zumindest 60 % zu verstehen. Dementsprechend bedeutet im Wesentlichen insbesondere zwischen 60 % und 75 % oder zwischen 75 % und 85 % oder zwischen 85 % und 95 %.
Die Ausbildung des Magnetkörpers durch die Ausgestaltung der Magnetpole beinhaltete dabei insbesondere eine Anordnung und/oder Größe und/oder Dimensionierung und/oder Feldstärke des jeweiligen Magnetpols.
Der geschlossene Verlauf der Feldlinien innerhalb des Magnetkörpers ist vorzugsweise derart realisiert, dass die Feldlinien aus einer der ersten axialen Stirnseite gegenüberliegenden zweiten axialen Stirnseite nicht oder zumindest geringfügig austreten. Hierdurch ist es insbesondere möglich, auf an der zweiten axialen Stirnseite benötigte Elemente zum magnetischen Abschirmen des Magnetkörpers zu verzichten. Alternativ oder zusätzlich ist die magnetische Flussdichte an der zweiten axialen Stirnseite in einem für den Betrieb der Antriebseinrichtung und/oder der Sensoreinrichtung vernachlässigbaren, insbesondere nicht nachweisbaren, Bereich. Hierdurch kann wiederum auf an der zweiten axialen Stirnseite benötigte Elemente zum magnetischen Abschirmen des Magnetkörpers verzichtet werden.
Die Magnetpole des Magnetkörpers sind vorzugsweise zum Ausbilden des Magnetkörpers in der Art eines Hallbach-Arrays derart ausgestaltet, dass die magnetische Flussdichte an der ersten axialen Stirnseite entlang einer Messstrecke des Sensors einen linearen Verlauf aufweist. Der lineare Verlauf ist zweckmäßig stetig, wobei auch Unterbrechungen vorhanden sein können. Die Messstrecke ist dabei derjenige Pfad, entlang dem der Sensor relativ zum Magnetkörper durch eine Drehung der Welle bewegt wird. Dies erlaubt insbesondere einen linearen Zusammenhang bzw. eine lineare Approximation zwischen der relativen Position des Sensors zum Magnetkörper und dem magnetischen Feld bzw. der magnetischen Flussdichte, so dass die Drehposition der Welle mit einer erhöhten Präzision bestimmt werden kann. Zudem ist es hierdurch möglich, in der Antriebseinrichtung vorhandene Toleranzen besser auszugleichen, so dass die Antriebseinrichtung und die Sensoreinrichtung kostengünstiger hergestellt werden können.
Der Sensor kann, wie vorstehend erwähnt, an der Struktur fixiert sein. Vorstellbar ist es, den Sensor an der Struktur, insbesondere am Gehäuse, beispielsweise an einem Deckel des Gehäuses, durch Schweißen oder Löten zu befestigen. Ebenso kann der Sensor über ein Stanzgitter, welches in der Struktur umspritzt ist, an der Struktur befestigt sein.
Bevorzugte Varianten sehen eine Entkopplungseinrichtung der Sensoreinrichtung vor, welche dem Sensor nachgeschaltet ist und im Betrieb zu einer elektromagnetischen Entkopplung und somit einer elektromagnetischen Verträglichkeit von hinter dem Sensor angeordneten Bestandteilen führt. Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Entkopplungseinrichtung dem Sensor, beispielsweise radial, benachbart, insbesondere unmittelbar benachbart, angeordnet ist.
Der Sensor kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein, sofern er das Magnetfeld des Magnetkörpers bzw. dessen Änderungen erfassen kann, so dass die Sensoreinrichtung daraus die Drehposition der Welle bestimmt. Insbesondere kann der Sensor im Betrieb ein analoges Ausgangssignal erzeugen. Vorstellbar ist auch ein Sensor, der ein digitales Ausgangssignal erzeugt und/oder ausgibt, insbesondere mit Pulsweitenmodulation und/oder Single Edge Nibble Transmission (SENT) arbeitet, wobei der Sensor hierzu zweckmäßig einen Analog-Digital-Wandler aufweist.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen ist der Sensor an der ersten axialen Stirnseite des Magnetkörpers angeordnet, derart, dass die Messstrecke entlang der ersten axialen Stirnseite des Magnetkörpers verläuft. Vorstellbar ist es auch, den Sensor an einer radialen Innenseite oder an einer radialen Außenseite des Magnetkörpers anzuordnen.
Bevorzugte Ausführungsformen sehen vor, dass der Magnetkörper insgesamt ein Permanentmagnet ist. Das heißt insbesondere, dass die jeweiligen Magnetpole des Magnetkörpers permanent vorhanden sind. Somit ist also ein Induzieren des jeweiligen Magnetpols im Betrieb nicht notwendig.
Vorteilhaft ist der Magnetkörper einstückig oder einteilig bzw. monolithisch, d.h. zusammenhängend und aus dem gleichen Material, hergestellt. Der Magnetkörper kann aus einem Kunststoff, insbesondere einem Thermoplasten und/oder einem Duroplasten, hergestellt sein, der mit magnetischen Füllstoffen versehen ist. Ein solcher Füllstoff ist beispielsweise Neodym-Eisen-Bor oder kurz NdFeBr.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Magnetpole des Magnetkörpers derart ausgestaltet sind, dass ihre Einzel-Magnetfelder an der der ersten axialen Stirnseite gegenüberliegenden zweiten axialen Stirnseite in der Art eines magnetischen Rückschlusses zusammenwirken bzw. magnetisch rückgeschlossen. Die Einzel-Magnetfelder bilden also das zuvor erwähnte Magnetfeld des Magnetkörpers, welches somit auch als Gesamt-Magnetfeld bezeichnet werden kann, wobei nachfolgend, sofern nicht anders angegeben, mit Magnetfeld das Gesamt-Magnetfeld des Magnetkörpers gemeint ist. Entsprechendes gilt für die magnetische Flussdichte. Die Einzel-Magnetfelder wirken also derart zusammen, dass das Gesamt-Magnetfeld des Magnetkörpers an der zweiten axialen Stirnseite reduziert, insbesondere eliminiert, ist. Mit anderen Worten, die Magnetpole sind derart in der Art eines Hallbach-Arrays ausgestaltet, dass der magnetische Fluss bzw. die magnetische Flussdichte des Magnetkörpers an der zweiten axialen Stirnseite aufgehoben oder zumindest im Wesentlichen aufgehoben ist. Ein derartiges Zusammenwirken der Magnetpole erlaubt es beispielsweise, die Sensoreinrichtung und somit die Antriebseinrichtung, insbesondere in Axialrichtung, kompakter auszubilden.
Die Magnetpole des Magnetkörpers können jeweils prinzipiell beliebig erzeugt sein.
Bevorzugte Ausführungsformen sehen vor, dass die Magnetpole des Magnetkörpers durch eine Magnetisierung des Magnetkörpers erzeugt sind. Hierzu können am Magnetkörper entsprechende Felder angelegt werden, welche zu einer dauerhaften Entstehung der Magnetpole führen. Dies erlaubt es insbesondere, den Magnetkörper monolithisch auszugestalten und/oder das Magnetfeld bzw. die magnetische Flussdichte in der gewünschten Art vereinfacht bzw. verbessert zu realisieren.
Denkbar sind auch Varianten, bei denen zumindest einer der Magnetpole durch einen Einzelmagneten des Magnetkörpers erzeugt ist. Bei dieser Variante können also mehrere Magnetpole durch Einzelmagnete erzeugt und diese anschließend zum Magnetkörper zusammengesetzt bzw. zusammengefügt werden.
Der Magnetkörper kann prinzipiell radial an der Welle anliegen. Bevorzugt ist es, wenn der Magnetkörper radial beabstandet zur Welle angeordnet ist. Dies führt einerseits zu einer magnetischen Entkopplung von Magnetkörper und Welle. Andererseits führt dies zu einer verlängerten Messstrecke bei gleicher Änderung der Drehposition der Welle. Somit ist es also insgesamt möglich, die Drehposition der Welle präziser zu bestimmen.
Der Magnetkörper erstreckt sich, wie vorstehend erwähnt, radial außen der Welle und in Umfangsrichtung. Der Magnetkörper weist bevorzugt die Form eines Ringsegments auf bzw. ist ringsegmentförmig ausgebildet. Das heißt, dass sich der Magnetkörper in Umfangsrichtung über einen Winkel von kleiner als 360°, bevorzugt um weniger als 200°, insbesondere über 185°, erstreckt.
Bevorzugt ist es ferner, wenn die erste axiale Stirnseite des Magnetkörpers im Wesentlichen senkrecht zur Wellendrehachse der Welle verläuft. Dies führt insbesondere dazu, dass die magnetischen Feldlinien an der ersten axialen Stirnseite im Wesentlichen parallel zur Wellendrehachse verlaufen. Somit ist ein stärkeres Magnetfeld gegeben, welches zu einer höheren Genauigkeit bei der Bestimmung der Drehposition der Welle führt.
Prinzipiell kann der Magnetkörper bzw. dessen Magnetfeld an der ersten Stirnseite eine beliebige Anzahl von magnetischen Polen oder kurz Magnetpolen aufweisen. Vorteilhaft ist es, wenn der Magnetkörper an der ersten Stirnseite zwei gegenpolige Magnetpole aufweist. Das heißt, dass der Magnetkörper an der ersten axialen Stirnseite einen magnetischen Südpol und einen magnetischen Nordpol aufweist. Diese Magnetpole sind vorzugsweise in der Art eines Stabmagneten realisiert, der sich entlang des Magnetkörpers in Umfangsrichtung gekrümmt erstreckt.
Als vorteilhaft erweisen sich Ausführungsformen, bei denen der Magnetkörper und der Sensor derart in der Antriebseinrichtung angebracht bzw. angeordnet sind, dass die Drehung der Welle um die Wellendrehachse zu einer relativen Drehung des Sensors zum Magnetkörper um eine radial zur Wellendrehachse versetzten Sensordrehachse führt. Das heißt insbesondere, dass die Wellendrehachse und die Sensordrehachse nicht koaxial verlaufen. Dies führt insbesondere zu einer stärkeren Änderung des magnetischen Felds bzw. des magnetischen Flusses oder der magnetischen Flussdichte entlang der Messstrecke und/oder einer stärkeren Linearisierung, so dass die Drehposition der Welle präziser und einfacher bestimmt werden kann.
Als vorteilhaft gelten Ausführungsformen, bei denen der Sensor radial außermittig des Magnetkörpers angeordnet ist. Das heißt insbesondere, dass der Sensor bei einer relativen Drehung des Magnetkörpers zum Sensor zu einer in Umfangsrichtung verlaufenden Längsmittelachse des Magnetkörpers zumindest in Abschnitten der Drehung, vorzugsweise im gesamten Drehbereich, radial versetzt verläuft. Mit anderen Worten, die Messtrecke, entlang der sich der Sensor bei einer relativen Drehung des Magnetkörpers zum Sensor dreht, verläuft radial außermittig des Magnetkörpers. Dabei ist der Sensor vorteilhaft an der ersten axialen Stirnseite des Magnetkörpers und zum Magnetkörper beabstandet, insbesondere dem Magnetkörper bzw. der ersten axialen Stirnseite gegenüberliegend, angeordnet ist, so dass die Messstrecke radial außermittig der ersten axialen Stirnfläche verläuft. Hierdurch kann eine stärkere Abhängigkeit der relativen Stellung des Sensors vom Magnetfeld und somit insbesondere eine verbesserte Linearität erzielt werden. In der Folge lässt sich die Drehposition der Welle vereinfacht und/oder verbessert bzw. mit einer höheren Präzision bestimmen.
Der Magnetkörper und der Sensor sind vorzugsweise zueinander beabstandet. Der Abstand kann dabei über einen Spalt, insbesondere einen Luftspalt, zwischen dem Magnetkörper und dem Sensor realisiert sein. Die Antriebseinrichtung ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass der Abstand zwischen dem Magnetkörper und dem Sensor über die gesamte Drehung der Welle bzw. die gesamte Drehung des Magnetkörpers relativ zum Sensor im Wesentlichen konstant ist.
Vorstellbar sind Ausführungsformen, bei denen der Magnetkörper, vorteilhaft nach dem Versehen mit den entsprechenden Magnetpolen, mit zumindest einer Aussparung versehen ist. Eine solche Aussparung führt zu einer gezielten Manipulation des magnetischen Feldes bzw. der magnetischen Flussdichte des Magnetkörpers und folglich zu einer starken Änderung entlang der Messstrecke, insbesondere zu einer verbesserten Linearität. In der Folge ist es möglich, die Drehposition der Welle vereinfacht und/oder mit einer höheren Präzision zu bestimmen.
Vorteilhaft ist zumindest eine solche Aussparung, insbesondere die jeweilige Aussparung, in der ersten Stirnseite des Magnetkörpers eingebracht. Somit wird das magnetische Feld an der ersten axialen Stirnseite in der gewünschten Form manipuliert, um eine verbesserte Abhängigkeit zwischen der Drehposition und dem magnetischen Feld zu erzielen.
Die jeweilige Aussparung kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein, insbesondere beliebig tief in den Magnetkörper eindringen. Prinzipiell ist es möglich, dass sich zumindest eine solche Aussparung durch die gesamte Tiefe des Magnetkörpers erstreckt, d.h., dass der Magnetkörper durch das Einbringen der Aussparung in zwei Teile geteilt werden kann.
Als vorteilhaft erweisen sich Ausführungsformen, bei denen der Magnetkörper einen radial abstehenden Vorsprung aufweist, der in Umfangsrichtung und/oder axial außermittig des Magnetkörpers angeordnet ist. Der Vorsprung erlaubt es insbesondere, die erste axiale Stirnseite optisch und/oder haptisch von der zweiten axialen Stirnfläche unterscheiden zu können, so dass der Magnetkörper in der gewünschten Lage in der Antriebseinrichtung angeordnet werden kann und/oder so dass der Sensor an der gewünschten Seite des Magnetkörpers, insbesondere vereinfacht an der ersten axialen Stirnseite des Magnetkörpers, angeordnet werden kann. Zudem kann der Vorsprung als ein Schutz gegen eine unerwünschte Verdrehung des Magnetkörpers in der Antriebseinrichtung eingesetzt werden, insbesondere in der Art eines Anschlags wirken.
Die Antriebseinrichtung kann in einer beliebigen Anwendung zum Einsatz kommen. Die Antriebseinrichtung kommt insbesondere in einem Fahrzeug zum Einsatz und verstellt über die Welle ein weiteres Element, beispielsweise ein Ventil, eine Klappe, eine Drossel, ein Wastegate eines Abgasturboladers, Leitschaufeln eines Abgasturboladers mit einer variablen Turbinengeometire und dergleichen.
Es versteht sich, dass neben der Antriebseinrichtung auch die Sensoreinrichtung als solche zum Umfang dieser Erfindung gehört.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, und Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch

1 und 2 jeweils eine isometrische Ansicht einer Antriebseinrichtung mit einer Sensoreinrichtung,
3 eine Seitenansicht der Antriebseinrichtung,
4 eine isometrische Ansicht eines Magnetkörpers der Sensoreinrichtung,
5 eine Draufsicht auf den Magnetkörper,
6 eine Draufsicht auf die Sensoreinrichtung mit dem Magnetkörper bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
7 eine isometrische Ansicht des Magnetkörpers bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
8 eine Draufsicht auf den Magnetkörper bei einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Eine Antriebseinrichtung 1, insbesondere ein Aktuator 2, wie sie beispielsweise den 1 bis 3 gezeigt ist, weist eine Welle 3 auf, die an einer Struktur 4 der Antriebseinrichtung 1, welche lediglich in 1 und dort schraffiert angedeutet dargestellt ist, drehbar gelagert. Dabei sind in den 1 und 2 isometrische Ansichten und in 3 eine Seitenansicht der Antriebseinrichtung 1 zu sehen. Die Antriebseinrichtung 1 weist ein Lager 5 auf, welches an der Struktur 4 befestigt ist und die Welle 3 somit relativ zur Struktur 4 um eine Drehachse 6, nachfolgend auch Wellendrehachse 6 genannt, lagert. Die Welle 3 kann dabei je nach Drehlage eine Drehposition relativ zur Struktur 4 aufweisen. Diese Drehposition wird mit Hilfe einer Sensoreinrichtung 7 bestimmt, welche einen Magnetkörper 8 und einen Sensor 9 aufweist. Der Magnetkörper 8 erstreckt sich radial außen in einer Umfangsrichtung 10 und ist radial zur Welle 3 beabstandet und mit der Welle 3 drehfest verbunden. Die drehfeste Verbindung des Magnetkörpers 8 mit der Welle 3 kann über ein Zahnrad 11 der Welle 3 realisiert sein, mit dem der Magnetkörper 8 drehfest verbunden ist. Der Magnetkörper 8 ist im gezeigten Beispiel in der Form eines Ringsegments 12 ausgebildet und erstreckt sich in Umfangsrichtung 10 um weniger als 360°, insbesondere um 185°. Der Sensor 9 ist an einer Stirnseite 13 des Magnetkörpers 8, nachfolgend auch erste axiale Stirnseite 13 genannt, angeordnet und axial zur ersten axialen Stirnseite 13 über einen Luftspalt 27 beabstandet. Der Magnetkörper 8 weist zudem eine von der Stirnseite 13 abgewandte Stirnseite 14, nachfolgend zweite axiale Stirnseite 14 genannt, auf. Die Sensoreinrichtung 7 weist eine Entkopplungseinrichtung 15 auf, welche der elektromagnetischen Entkopplung dient und radial beabstandet und benachbart zum Sensor 9 angeordnet ist. Der Sensor 9 ist in der Antriebseinrichtung 1 befestigt, insbesondere relativ zur Struktur 4 fixiert, derart, dass eine Drehung der Welle 3 zu einer Drehung des Magnetkörpers 8 relativ zum Sensor 9 führt. Im gezeigten Beispiel führt eine solche Drehung dazu, dass der Magnetkörper 8 mit der ersten axialen Stirnseite 13 am Sensor 9 und zu diesem beabstandet entlang bewegt wird. Der Sensor 9 erfasst das magnetische Feld bzw. die magnetische Flussdichte des Magnetkörpers 8 bzw. die entsprechenden Änderungen, um somit die Drehposition der Welle 3 zu bestimmen. Diese Bestimmung erfolgt vorzugsweise in der Sensoreinrichtung 7, wobei Daten zum magnetischen Feld bzw. der Flussdichte auch zu nachgelagerten, nicht gezeigten, Komponenten gelangen können, um dort die Drehposition zu bestimmen.
Der Magnetkörper 8 ist, wie in 4 angedeutet, in der Art eines Hallbach-Arrays ausgestaltet und weist entsprechend ausgestaltete Magnetpole 16, 17 auf. Im gezeigten Beispiel sind an der ersten axialen Stirnseite 13 ein magnetisches Südpol 16 und ein magnetisches Nordpol 17 vorgesehen, welche aneinander angrenzen und sich jeweils in Umfangsrichtung 10 über die Hälfte des Magnetkörpers 8 erstrecken. Die Ausgestaltung der Magnetpole 16, 17 in der Art eines Hallbach-Arrays ist derart realisiert, dass die magnetische Flussdichte des Magnetkörpers 8 an der ersten axialen Stirnseite 13 zumindest doppelt, vorzugsweise zumindest dreifach, vorteilhaft vierfach oder mehr, so groß/stark ist wie an der zweiten axialen Stirnseite 14. Magnetische Feldlinien 18 des Magnetkörpers 8 treten dabei im Wesentlichen nur an der ersten axialen Stirnseite 13 ein bzw. aus und verlaufen innerhalb des Magnetkörpers 8 im Wesentlichen geschlossen, wobei die magnetischen Feldlinien 18 innerhalb des Magnetkörpers 8 gestrichelt dargestellt sind. Im gezeigten Beispiel sind die Magnetpole 16, 17 zudem derart ausgestaltet, insbesondere angeordnet, dass die Magnetfeldlinien 18 an der ersten axialen Stirnseite 13 überwiegend axial und somit parallel zur Wellendrehachse eintreten bzw. austreten.
In 5 ist eine Draufsicht auf den Magnetkörper 8 gezeigt. Dabei ist eine Messstrecke 19 mit einer punktgestrichelten Linie angedeutet, entlang der der Magnetkörper 8 relativ zum Sensor 9 bewegt wird, wenn sich die drehfest mit dem Magnetkörper 8 verbundene Welle 3 um die Wellendrehachse 6 dreht. Zu erkennen ist, dass die Messstrecke 19, nachfolgend auch erste Messstrecke 19' genannt, radial mittig und entlang der ersten axialen Stirnfläche 13 des Magnetkörpers 8 verläuft. Durch die Ausgestaltung des magnetischen Feldes des Magnetkörpers 8 bzw. der magnetischen Flussdichte, wie in 4 dargestellt, gibt es dabei eine starke Abhängigkeit zwischen dem vom Sensor 9 erfassten magnetischen Feld bzw. der erfassten Flussdichte und der Messstrecke 19 und somit der relativen Stellung des Sensors 9 zum Magnetkörper 8. Insbesondere besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem magnetischen Feld oder der magnetischen Flussdichte und der Position des Sensors 9 relativ zum Magnetkörper 8, insbesondere relativ zur ersten axialen Stirnseite 13. Somit lässt sich die Drehposition der Welle 3 vereinfacht und mit einer erhöhten Präzision bestimmen.
Die Messstrecke 19 kann jedoch auch radial außermittig des Magnetkörpers 8, insbesondere der ersten axialen Stirnseite 13 verlaufen. Eine entsprechende Messstrecke 19 ist in 5 mit einer durchgezogenen Linie angedeutet und wird nachfolgend auch als zweite Messstrecke 19" bezeichnet. Die zweite Messstrecke 19", welche bevorzugt zum Einsatz kommt, führt zu einer stärkeren Abhängigkeit des erfassten magnetischen Felds bzw. der magnetischen Flussdichte von der Messstrecke 19 und somit zu einer genaueren Bestimmung der Drehposition der Welle 3. Alternativ oder zusätzlich kann die außermittige Messstrecke 19, 19" dadurch realisiert sein, dass eine Drehung der Welle 3 um die Wellendrehachse 6 zu einer relativen Drehung des Sensors 9 zum Magnetkörper 8 um eine radial zur Wellendrehachse 6 versetzten Sensordrehachse 26 führt, die im gezeigten Beispiel von dem Magnetkörper 8 radial weiter beabstandet ist als die Wellendrehachse 6.
6 zeigt eine Draufsicht auf die erste axiale Stirnseite des Magnetkörpers 8 mit dem Sensor 9. Dabei ist der Sensor 9, wie in den 1 bis 3, an der ersten axialen Stirnseite 13 und axial dazu beabstandet angeordnet. Zu sehen sind auch zwei weitere Sensoren 9, die jeweils alternativ oder zusätzlich zum Einsatz kommen können, wobei einer dieser Sensoren 9, 9' an einer radialen Innenseite 20 und der andere Sensor 9, 9" an einer radialen Außenseite 21 des Magnetkörpers 8, jeweils radial zum Magnetkörper 8 beabstandet, angeordnet sind.
Aufgrund der stark asymmetrischen Ausgestaltung des magnetischen Feldes bzw. der magnetischen Flussdichte des Magnetkörpers 8 ist es wichtig, den Magnetkörper 8 in der Antriebseinrichtung 1 mit der ersten axialen Stirnseite 13 in der gewünschten Orientierung sowie den Sensor 9 relativ zur ersten axialen Stirnseite 13 richtig und auf der gewünschten Seite zu positionieren. Hierzu kann der Magnetkörper 8, wie insbesondere den 1, 2 und 5 entnommen werden kann, einen radial abstehenden Vorsprung 22 aufweisen, der durch eine axial und/oder in Umfangsrichtung 10 außermittige Anordnung eine leichte optische und/oder haptische Erkennung der ersten axialen Stirnseite 13 ermöglicht. Bei den gezeigten Beispielen ist der Vorsprung 22 in Umfangsrichtung 10 außermittig angeordnet und erstreckt sich in Axialrichtung über die gesamte Höhe des Magnetkörpers 8.
Der Magnetkörper 8 ist, gegebenenfalls mit dem Vorsprung 22, einteilig bzw. monolithisch ausgebildet. Der Magnetkörper 8 ist insbesondere ein Kunststoff, beispielsweise ein Thermoplast und/oder ein Duroplast, mit magnetischem Füllmaterial, beispielsweise Neodym-Eisen-Bor (NdFeBr), und ist zum Versehen mit den Magnetpolen 16, 17 bzw. zum Ausbilden der Magnetpole 16, 17 in der Art des Hallbach-Arrays magnetisiert. Die Magnetisierung des Magnetkörpers 8 ist dabei dauerhaft, der Magnetkörper 8 also insgesamt ein Dauermagnet 23.
In 7 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des Magnetkörpers 8 zu sehen. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den zuvor gezeigten Beispielen im Wesentlichen dadurch, dass in der ersten axiale Stirnseite 13 des Magnetkörpers 8 zwei in Umfangsrichtung 10 voneinander beabstandete Aussparungen 24 eingebracht sind, wobei bevorzugt jeweils eine der Aussparungen 24 im Bereich des magnetischen Südpols 16 und des magnetischen Südpols 17 eingebracht ist. Die jeweilige Aussparung 24 ist nach der Magnetisierung des Magnetkörpers 8 eingebracht und führt dementsprechend zu einer gezielten Manipulation des magnetischen Feldes bzw. der magnetischen Flussdichte des Magnetkörpers 8. Hierdurch wird insbesondere eine vorgegebene Änderung des magnetischen Felds bzw. der magnetischen Flussdichte an einer vorgegebenen Position erreicht, so dass entlang der Messstrecke 19 eine verbesserte, insbesondere stärkere, Abhängigkeit vom Magnetfeld und somit eine erhöhte Linearität erzielt wird.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Magnetkörpers 8. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in den Magnetkörper 8 lediglich eine Aussparung 24 eingebracht, die sich im Gegensatz zu den Aussparungen 24 in 7, welche sich über einen Teilbereich des Magnetkörpers 8 erstrecken, axial durch den gesamten Magnetkörper 8 erstreckt. Der Magnetkörper 8 wird also in zwei in Umfangsrichtung 10 voneinander beabstandete Teile 25 geteilt, wobei die Aussparung 24 vorliegend in Umfangsrichtung 10 mittig eingebracht ist, so dass das jeweilige Teil 25 etwa die Hälfte des Magnetkörpers 8 ausmacht.

Claims

Antriebseinrichtung (1) mit einer Welle (3), die an einer Struktur (4) um eine axiale Wellendrehachse (6) drehbar gelagert ist, und mit einer Sensoreinrichtung (7) zur Bestimmung der Drehposition der Welle (3) relativ zur Struktur (4), wobei - die Sensoreinrichtung (7) einen Magnetkörper (8) sowie einen Sensor (9) aufweist, - der Magnetkörper (8) und der Sensor (9) derart angebracht sind, dass eine Drehung der Welle (3) um die Wellendrehachse (6) zu einer relativen Drehung zwischen dem Magnetkörper (8) und dem Sensor (9) führt, - der Sensor (8) im Betrieb das magnetische Feld des Magnetkörpers (8) erfasst und die Sensoreinrichtung (7) somit die Drehposition der Welle (3) bestimmt, - sich der Magnetkörper (8) radial außen in Umfangsrichtung (10) der Welle (3) erstreckt, - der Magnetkörper (8) Magnetpole (16, 17) aufweist, die in der Art eines Hallbach-Arrays ausgestaltet sind, derart, dass die magnetische Flussdichte des Magnetkörpers (8) an einer ersten axialen Stirnseite (13) des Magnetkörpers (8) zumindest doppelt so stark ist wie an einer der ersten axialen Stirnseite (13) gegenüberliegenden zweiten axialen Stirnseite (14) des Magnetkörpers (8).
Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (16, 17) derart in der Art eines Hallbach-Arrays ausgestaltet sind, dass die magnetische Flussdichte des Magnetkörpers (8) an der ersten axialen Stirnseite (13) des Magnetkörpers (8) zumindest dreifach so stark ist wie an der zweiten axialen Stirnseite (14).
Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (16, 17) derart in der Art eines Hallbach-Arrays ausgestaltet sind, dass die magnetische Flussdichte des Magnetkörpers (8) an der ersten axialen Stirnseite (13) des Magnetkörpers (8) vierfach so stark ist wie an der zweiten axialen Stirnseite (14).
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (16, 17) derart in der Art eines Hallbach-Arrays ausgestaltet sind, dass magnetische Feldlinien (18) des Magnetkörpers (8) im Wesentlichen nur an ersten axialen Stirnseite (13) des Magnetkörpers (8) eintreten und austreten und innerhalb des Magnetkörpers (8) im Wesentlichen geschlossen verlaufen.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (16, 17) derart in der Art eines Hallbach-Arrays ausgestaltet sind, dass zumindest 60 % bis 75 % der magnetische Feldlinien (18) des Magnetkörpers (8) nur an ersten axialen Stirnseite (13) des Magnetkörpers (8) eintreten und austreten und zumindest 60 % bis 75 % der der magnetische Feldlinien (18) innerhalb des Magnetkörpers (8) geschlossen verlaufen.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (16, 17) derart in der Art eines Hallbach-Arrays ausgestaltet sind, dass zumindest 75 % bis 85 % der magnetische Feldlinien (18) des Magnetkörpers (8) nur an ersten axialen Stirnseite (13) des Magnetkörpers (8) eintreten und austreten und zumindest 75 % bis 85 % der der magnetische Feldlinien (18) innerhalb des Magnetkörpers (8) geschlossen verlaufen.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (16, 17) derart in der Art eines Hallbach-Arrays ausgestaltet sind, dass zumindest 85 % bis 95 % der magnetische Feldlinien (18) des Magnetkörpers (8) nur an ersten axialen Stirnseite (13) des Magnetkörpers (8) eintreten und austreten und zumindest 85 % bis 95 % der der magnetische Feldlinien (18) innerhalb des Magnetkörpers (8) geschlossen verlaufen.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (16, 17) derart in der Art eines Hallbach-Arrays ausgestaltet sind, dass ihre Einzel-Magnetfelder an der zweiten axialen Stirnseite (14) einen magnetischen Rückschluss aufweisen.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (16, 17) des Magnetköpers (8) durch eine Magnetisierung des Magnetkörpers (8) erzeugt sind.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (16, 17) des Magnetkörpers (8) von Einzelmagneten erzeugt sind.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkörper (8) radial beabstandet zur Welle (3) angeordnet ist.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkörper (8) die Form eines Ringsegments (12) aufweist.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkörper (8) an der ersten axialen Stirnseite (13) zwei gegenpolige Magnetpole (16, 17) aufweist.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkörper (8) und der Sensor (9) derart in der Antriebseinrichtung (1) angeordnet sind, dass die Drehung der Welle (3) um die Wellendrehachse (6) zu einer relativen Drehung des Sensors (9) zum Magnetkörper (8) um eine radial zur Wellendrehachse (6) versetzten Sensordrehachse (26) führt.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (9) radial außermittig des Magnetkörpers (8) angeordnet ist.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (9) an der ersten axialen Stirnseite (13) des Magnetkörpers (8) angeordnet ist.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (9) zum Magnetkörper (8), insbesondere über einen Luftspalt (27), beanstandet angeordnet ist,
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkörper (8) mit zumindest einer Aussparung (24) versehen ist.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkörper (8) einen radial abstehenden sowie in Umfangsrichtung (10) und/oder axial außermittigen Vorsprung (22) aufweist.
Sensoreinrichtung (7) einer Antriebseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, mit einem Magnetkörper (8) und einem Sensor (9), die im Betrieb relativ zueinander drehbar sind, wobei der Magnetkörper (8) Magnetpole (16, 17) aufweist, die in der Art eines Hallbach-Arrays ausgestaltet sind, derart, dass die magnetische Flussdichte des Magnetkörpers (8) an einer ersten axialen Stirnseite (13) des Magnetkörpers (8) zumindest doppelt so stark ist wie an einer der ersten axialen Stirnseite (13) gegenüberliegenden zweiten axialen Stirnseite (14) des Magnetkörpers (8).