DE102018130778A1

DE102018130778A1 - Sensoreinheit und Kupplungsaktor mit einer Sensoreinheit

Info

Publication number: DE102018130778A1
Application number: DE102018130778.0A
Authority: DE
Inventors: Jie Zhou; Arthur-Richard Matyas
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2020-01-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit (12) zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils (16), umfassend einen Magnetsensor (15) zur Erfassung eines äußeren Magnetfelds, eine Magnetfeldquelle (20, 30) zur Erzeugung des äußeren Magnetfelds, wobei zwischen der Magnetfeldquelle (20, 30) und dem Magnetsensor (15) ein Magnetfluss vorliegt, wobei die Magnetfeldquelle (20, 30) mit dem Drehbauteil (16) verbunden ist und sich das äußere Magnetfeld abhängig von der Winkelposition des Drehbauteils (16) ändert, wobei wirksam zwischen der Magnetfeldquelle (20, 30) und dem Magnetsensor (15) Magnetflussleitungsmittel (32) zur gezielten Leitung des Magnetflusses hin zu dem Magnetsensor (15) eingebracht sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und einen Kupplungsaktor zur Kupplungsbetätigung mit einer Sensoreinheit.
In einem Kraftfahrzeug werden zur automatisierten Betätigung von Kupplungen bekanntermaßen Aktoren eingesetzt. Speziell bei automatisiert betätigten Kupplungen wie der E-Clutch bei Anwendung in Handschaltgetrieben werden Aktoren eingesetzt.
Ein derartiger Aktor ist der modulare Kupplungsaktor, auch Modular Clutch Actuator oder abgekürzt MCA genannt. Dieser umfasst einen Rotor und eine Spindel. Der Rotor führt eine Drehbewegung aus, die über ein Planeten-Wälzgewindegetriebe, abgekürzt PWG in eine translatorische Bewegung einer Spindel umgesetzt wird. Die translatorische Bewegung der Spindel bewirkt die Kupplungsbetätigung.
Zur Positionserfassung der Spindel ist es bekannt, eine absolute Wegsensorik einzusetzen. Auch kann die Position des Rotors über Magnetsensoren ermittelt werden. Der Einsatz von Magnetsensoren zur Erkennung einer Winkelposition eines Drehbauteils ist beispielsweise aus DE 10 2016 212 175 A1 bekannt.
Auch ist es bekannt, einen Multiturn-Winkelsensor als Magnetsensor einzusetzen. Ein derartiger Multiturn-Winkelsensor erlaubt es, die Drehbewegung des Rotors über ein absolut magnetisches Messprinzip und über mehrere Umdrehungen des Rotors hinweg zu erfassen. Hierfür wird mit dem Rotor ein Magnetring drehfest verbunden, dessen sich mit der Drehbewegung änderndes Magnetfeld von dem nicht drehenden Multiturn-Winkelsensor gemessen wird.
Ein solcher Multiturn-Winkelsensor besteht üblicherweise aus mehreren, spiralförmig angeordneten GMR-Elementen, wobei GMR für giant magnetoresistance steht. Diese GMR-Elemente nutzen den magnetoresistiven Effekt, durch den sich der elektrische Widerstand in dem GMR-Element in Abhängigkeit von dem äußeren Magnetfeld ändert. Durch die spiralförmige Anordnung und geeignete elektrische Verschaltung lässt sich durch das GMR-Element die Richtung des äußeren Magnetfelds bestimmen.
Das äußere Magnetfeld wird durch den Magnetring bereitgestellt, der hierfür diametrisch magnetisiert ist. Das auf das GMR-Element wirkende äußere Magnetfeld lässt sich dabei zweidimensional über die Koordinaten x und y durch einen Magnetfeldvektor B mit den Vektorkomponentenamplituden Bx und By beschreiben. Bei einer sogenannten on-axis Messung, bei der der Magnetsensor auf Höhe der Drehachse des Magnetrings angeordnet ist, sind die Vektorkomponentenamplituden Bx und By gleich gross und damit ist die Amplitude des Magnetfeldvektors B über die Drehbewegung des Rotors hinweg konstant.
Bei einer off-axis Messung, bei der der Magnetsensor radial zu der Drehachse des Magnetrings beabstandet ist, sind die Vektorkomponentenamplituden Bx und By nicht mehr gleich und die Amplitude des Magnetfeldvektors B ist mit der Drehbewegung des Rotors veränderlich. Das auf das GMR-Element wirkende Magnetfeld ist in Abhängigkeit von der Drehbewegung des Magnetrings beispielsweise sinusförmig.
Diese sich mit der Drehbewegung ändernde Amplitude des äußeren Magnetfelds ist zur Messung der Winkelposition des Rotors ungünstig. So kann die Amplitude des Magnetfeldvektors B bedingt durch diese Welligkeit stellenweise so groß sein, dass diese außerhalb des Messbereichs des GMR-Elements liegt. Damit ist eine zuverlässige Messung der Winkelposition des Rotors nicht möglich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine zuverlässigere Messung der Winkelposition eines Drehbauteils zu ermöglichen. Insbesondere soll die Welligkeit des äußeren Magnetfelds, welches auf den Magnetsensor wirkt, verringert oder beseitigt werden. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Position eines Rotors eines Kupplungsaktors genauer und zuverlässiger zu bestimmen.
Wenigstens eine dieser Aufgaben wird durch eine Sensoreinheit mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Entsprechend wird eine Sensoreinheit zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils vorgeschlagen, umfassend einen Magnetsensor zur Erfassung eines äußeren Magnetfelds, eine Magnetfeldquelle zur Erzeugung des äußeren Magnetfelds, wobei zwischen der Magnetfeldquelle und dem Magnetsensor ein Magnetfluss vorliegt, wobei die Magnetfeldquelle mit dem Drehbauteil verbunden ist und sich das äußere Magnetfeld abhängig von der Winkelposition des Drehbauteils ändert, wobei wirksam zwischen der Magnetfeldquelle und dem Magnetsensor Magnetflussleitungsmittel zur gezielten Leitung des Magnetflusses hin zu dem Magnetsensor eingebracht sind. Dadurch kann eine zuverlässigere Messung der Winkelposition eines Drehbauteils ermöglicht und die Welligkeit des äußeren Magnetfelds, welches auf den Magnetsensor wirkt, verringert oder beseitigt werden.
Eine off-axis Messung kann in eine on-axis Messung überführt werden. Dadurch werden die bei der off-axis Messung vorhandenen Störeinflüsse auf die Messung des Magnetflusses verringert oder beseitigt.
In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist der Magnetsensor radial versetzt zu der Drehachse der Magnetfeldquelle und optional auch zu der Drehachse des Drehbauteils angeordnet.
Bevorzugt bestehen die Magnetflussleitungsmittel aus Leiterbahnen. Die Anzahl an Magnetflussleitungsmittel ist gross, um eine möglichst effiziente Leitung des Magnetflusses zu bewirken. Bevorzugt ist die Breite der einzelnen Magnetflussleitungsmittel möglichst klein, jedoch noch gross genug, um eine Leckage zu vermeiden.
In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist die Magnetfeldquelle mit dem Drehbauteil, insbesondere einem Rotor eines Kupplungsaktors, drehfest verbunden. Insbesondere stimmt die Drehachse des Drehbauteils mit der Drehachse der Magnetfeldquelle überein.
In einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung weisen die Magnetflussleitungsmittel eine relative Permeabilität µ_r auf, die grösser ist als Luft, insbesondere grösser ist als 104 V·s/A·m.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Magnetflussleitungsmittel aus einem ferromagnetischen Material, insbesondere aus einer Nickel-Eisen-Legierung 4750, bevorzugt mit einer relativen Permeabilität µ_r von mehr als 50000 V·s/A·m, insbesondere mehr als 100000 V·s/A·m.
In einer weiteren speziellen Ausgestaltung der Erfindung konzentrieren die Magnetflussleitungsmittel den Magnetfluss bei Austritt aus der Magnetfeldquelle und umfassen damit einen Magnetflusskonzentrator.
In einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung sind die Magnetflussleitungsmittel auf einer Platine aufgebracht. Insbesondere sind die Magnetflussleitungsmittel durch ein Lithographieverfahren auf der Platine aufgebracht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst der Magnetsensor ein sensitives Element, welches das äußere Magnetfeld aufnimmt, wobei die Dicke des sensitiven Elements kleiner als die Dicke der Magnetflussleitungsmittel ist. Bevorzugt ist die Dicke des sensitiven Elements um zwei Größenordnungen kleiner als die Dicke der Magnetflussleitungsmittel.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung erzeugt die Magnetfeldquelle ein diametrales Magnetfeld und/oder ist als Magnetring ausgebildet.
In einer speziellen Ausführung der Erfindung wird zur Verstärkung des Magnetflusses zwischen Magnetfeldquelle, insbesondere Magnetring, und Magnetsensor die Dicke der Magnetfeldquelle, insbesondere des Magnetrings, grösser als die Dicke der Magnetflussleitungsmittel ausgelegt.
Über die Auslegung der Dicke der Magnetfeldquelle, insbesondere des Magnetrings, der Dicke des sensitiven Elements des Magnetsensors und der Dicke der Magnetflussleitungsmittel kann der Magnetfluss verstärkt werden. Hierfür kann abhängig von diesen Parametern der Dicken ein Verstärkungsfaktor angegeben werden, welcher das Verhältnis aus an dem Magnetsensor ankommendem Magnetfluss zu dem von der Magnetfeldquelle, insbesondere von dem Magnetring, abgegebenem Magnetfluss beeinflusst.
Weiterhin wird wenigstens eine dieser Aufgaben durch einen Kupplungsaktor mit den Merkmalen nach Anspruch 10 gelöst. Entsprechend wird ein Kupplungsaktor zur automatisierten Kupplungsbetätigung vorgeschlagen, umfassend einen drehbaren Rotor und eine Sensoreinheit, gekennzeichnet durch vorstehend beschriebene Merkmale, wobei die Sensoreinheit zur Erfassung einer Winkelposition des Rotors vorgesehen ist. Dadurch kann die Position eines Rotors eines Kupplungsaktors genauer und zuverlässiger bestimmt werden.
Der Kupplungsaktor kann ein MCA sein.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und den Abbildungen.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen ausführlich beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:

1: Eine räumliche Ansicht eines Kupplungsaktors zur automatisierten Kupplungsbetätigung mit einer Sensoreinheit in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
2: Eine schematische Ansicht eines sensitiven Elements eines Magnetsensors in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
3: Einen Magnetring in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
4: Ein auf den Magnetsensor in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung einwirkende Magnetfeld.
5: Ein Diagramm der Magnetflussdichte in Abhängigkeit von dem Drehwinkel bei einer on-axis Messung.
6: Diagramm der Magnetflussdichte in Abhängigkeit von dem Drehwinkel bei einer off-axis Messung.
7: Eine Anordnung einer Sensoreinheit mit einer Magnetfeldquelle, einem Magnetsensor und dazwischen angeordneten Magnetflussleitungsmitteln in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
8: Ein Diagramm der Magnetflussdichte in Abhängigkeit von dem Drehwinkel für die Anordnung von drei Paar Magnetflussleitungsmitteln in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
9: Ein Diagramm der Magnetflussdichte in Abhängigkeit von dem Drehwinkel für die Anordnung von neun Paar Magnetflussleitungsmitteln in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
10: Eine Anordnung einer Sensoreinheit in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit entsprechendem Ersatzschaltbild.
11: Eine Anordnung einer Sensoreinheit in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit veranschaulichten, idealisierten geometrischen Bedingungen.
12: 3-D Plot des Effizienzfaktors einer Sensoreinheit in einer weiteren Ausführung der Erfindung.
13: 3-D Plot der Verstärkung des Magnetflusses einer Sensoreinheit in einer weiteren Ausführung der Erfindung.

1 zeigt eine räumliche Ansicht eines Kupplungsaktors 10 zur automatisierten Kupplungsbetätigung mit einer Sensoreinheit 12 in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Der Kupplungsaktor 10 ist ein modularer Kupplungsaktor, ein sogenannter MCA, umfassend eine Spindel 14, die Bestandteil der Kupplungsbetätigung ist.
Die Spindel 14 führt zur Kupplungsbetätigung eine translatorische Bewegung aus. Diese translatorische Bewegung wird über ein Planetenwälzgewindegetriebe, abgekürzt PWG, von einer Drehbewegung eines Rotors 16 ausgelöst. Der Rotor 16 wird insbesondere elektromechanisch angetrieben.
Der Rotor 16 ist mit einem Magnetring 20 als Magnetfeldquelle 30 drehfest verbunden. Der Magnetring 20 ist insbesondere diametral magnetisiert. Axial beanstandet zu dem Magnetring 20 ist ein Magnetsensor 15 angeordnet. Der Magnetsensor 15 ist auf einer Platine 22 angebracht und ermöglicht eine Erkennung des von dem Magnetring 20 ausgehenden Magnetfelds bzw. des von dem Magnetring 20 ausgehenden Magnetflusses.
Durch die Erfassung des Magnetfelds ist eine Bestimmung der Winkelposition des als Rotor 16 ausgebildeten Drehbauteils möglich, da sich durch die diametrale Magnetisierung des Magnetrings 20 das Magnetfeld in Abhängigkeit von der Winkelposition des Rotors 16 ändert.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines sensitiven Elements eines Magnetsensors 15 in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung. Der Magnetsensor 15 ist als Multiturnsensor, umfassend ein GMR Element als sensitives Element 24, ausgeführt. Beispielhaft dargestellt ist ein auf den Magnetsensor 15 einwirkendes Magnetfeld 26, welches beispielsweise durch einen Magnetring, welcher diametral magnetisiert ist, bewirkt wird.
Die Versorgungsspannung bei dem Multiturnsensor wird an diagonal gegenüberliegenden Stellen 23 eingeleitet. An weiteren, bevorzugt um 90 Grad versetzten, Stellen 25 wird die Ausgangsspannung abgegriffen, womit eine Messung des elektrischen Widerstands in dem sensitiven Elemente 24 erfolgt.
3 zeigt einen Magnetring 20 in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Veranschaulicht ist hier die Magnetisierung des Magnetrings 20, welcher diametral, hier durch die Magnetisierungsrichtung 28 veranschaulicht, magnetisiert ist.
4 zeigt ein auf den Magnetsensor in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung einwirkendes Magnetfeld 26, dessen Magnetfeldvektor B durch die Magnetfeldvektorkomponenten Bx und By gebildet wird.
Bei einer on-axis Messung des Magnetfelds 26 durch den Magnetsensor ist die Richtung des Magnetfelds 26 von der Drehrichtung des äußeren Magnetfelds, welches beispielsweise durch einen Magnetring bewirkt wird, abhängig. Die Amplitude des Magnetfeldvektors B ist jedoch konstant. Bei einer off-axis Messung unterliegt die Amplitude des Magnetfeldvektors B hingegen Schwankungen, die von der Drehrichtung abhängen und die eine Messung unzuverlässig werden lassen.
5 zeigt ein Diagramm der Magnetflussdichte in Abhängigkeit von dem Drehwinkel bei einer on-axis Messung. 6 zeigt ein Diagramm der Magnetflussdichte in Abhängigkeit von dem Drehwinkel bei einer off-axis Messung.
Die von dem Magnetsensor erfasste Amplitude des Magnetfelds B ist bei der on-axis Messung wie aus 5 anhand der horizontalen Linie bei 40 mT erkennbar, über den Drehwinkel hinweg konstant. Die beiden Magnetfeldvektorkomponenten Bx und By ändern sich dabei mit der Drehbewegung sinusförmig, wodurch sich die Änderung der Drehrichtung des Magnetfelds B erkennen lässt.
Bei einer off-axis Messung, wie in 6 veranschaulicht, ändert sich die Amplitude des von dem Magnetsensor erfassten Magnetfelds B jedoch sinusförmig über den Drehwinkel. Damit unterliegen nicht nur die Komponenten Bx und By den winkelabhängigen Schwankungen, sondern auch die Amplitude des Magnetfelds B ist veränderlich, wodurch eine Messung unzuverlässig wird. Beispielsweise wird durch die sich ändernde Amplitude des Magnetfelds B bei bestimmten Drehwinkeln ein Messbereich des Magnetsensors überschritten. Eine genaue Messung des Drehwinkels ist dadurch nicht mehr möglich.
In 7 ist eine Anordnung einer Sensoreinheit 12 mit einer Magnetfeldquelle 30, einem Magnetsensor 15 und dazwischen angeordneten Magnetflussleitungsmitteln 32 in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Magnetsensor 15 und die Magnetfeldquelle 30 sind jeweils zusätzlich als vergrößerter Ausschnitt abgebildet.
Wirksam zwischen der Magnetfeldquelle 30, welche hier insbesondere als diametral magnetisierter Magnetring 20 ausgebildet ist und dem Magnetsensor 15 sind Magnetflussleitungsmittel 32 zur gezielten Leitung des Magnetflusses hin zu dem Magnetsensor 15 eingebracht. Die Magnetflussleitungsmittel sind auf einer Platine 22 aufgebracht, beispielsweise durch ein Lithographieverfahren. Die Magnetflussleitungsmittel bestehen bevorzugt aus ferromagnetischen Material, insbesondere aus einer Nickel-Eisenlegierung 4750 und weisen eine relative Permeabilität µ_r auf, die größer ist als Luft, insbesondere größer ist als 104 V·s/A·m.
Die Magnetflussleitungsmittel 32 wirken als Magnetflusskonzentrator 34, in dem sie das aus der Magnetfeldquelle 30, hier dem Magnetring 20, austretende Magnetfeld konzentriert weiterleiten und damit eine Leckage des Magnetflusses verringern. Das durch die Magnetflussleitungsmittel 32 an den Magnetsensor 15 geleitete Magnetfeld ist in dem Umgebungsbereich 36 des Magnetsensors 15 bevorzugt homogen, wodurch eine zuverlässige Messung der Winkelposition der Magnetfeldquelle 30 möglich ist.
Die Magnetflussleitungsmittel 32 sind in der Lage, wie anhand der vorliegenden Anordnung möglich, das von dem Magnetsensor 15 erfasste Magnetfeld um 180° gegenüber dem aus der Magnetfeldquelle 30 austretenden Magnetfeld zu drehen. Auch kann eine andere Winkelverschiebung ermöglicht werden.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Krümmung 38 des Magnetflussleitungsmittels 32 klein ist, mindestens weniger als 90° beträgt.
8 zeigt ein Diagramm der Magnetflussdichte in Abhängigkeit von dem Drehwinkel für die Anordnung von drei Paar Magnetflussleitungsmitteln in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. 9 zeigt das entsprechende Diagramm für neun Paar Magnetflussleitungsmittel in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Mit zunehmender Anzahl an Magnetflussleitungsmittel kann die Linearität des von dem Magnetsensor erfassten Magnetfeldes verbessert werden.
In 10 ist eine Anordnung einer Sensoreinheit 12 in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit entsprechendem Ersatzschaltbild dargestellt. 11 zeigt eine Anordnung einer Sensoreinheit 12 in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit veranschaulichten, idealisierten geometrischen Bedingungen. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich dabei auf beide Figuren.
Der von dem Magnetring 20 ausgehende und von dem Magnetsensor 15 erfasste gesamte Magnetfluss ist $ϕ_{s u m} = \frac{ψ}{R_{l m} + R_{L F e} + R_{L L u f t}}$
R_Im ist der magnetische Widerstand des Luftspalts auf Seite der Magnetfeldquelle, R_LFe ist der magnetische Widerstand der Magnetflussleitungsmittel und R_LLuft ist der magnetische Widerstand des gesamten Luftspalts auf Seite des Magnetsensors.
Über den Zusammenhang $R = \frac{l}{μ_{0} * μ_{F e} * A}$
ist die gesamte Magnetflussdichte an der Sensoreinheit $B_{s u m} = \frac{\partial ϕ_{s u m}}{\partial A} = \frac{ψ \cdot μ_{0}}{l_{m} + \frac{l_{F e}}{μ_{F e}} + l_{L u f t}}$
Mit Im ist die Länge des Luftspalts auf Seite der Magnetfeldquelle, mit I_Fe ist die Länge der Magnetflussleitungsmittel und mit I_Luft ist die gesamte Länge des Luftspalts auf Seite des Magnetsensors bezeichnet.
Da µ_r >> 1, kann (3) wie folgt vereinfacht ausgedrückt werden $B_{s u m} = \frac{ψ \cdot μ_{0}}{l_{m} + l_{L u f t}}$
Ist Luft = 0, so entspricht die gemessene Magnetflussdichte Bsum der Magnetflussdichte $B_{0} = \frac{ψ \cdot μ_{0}}{l_{m}}$
Durch (4) und (5) ergibt sich folgender Zusammenhang $λ = \frac{B_{s u m}}{B_{0}} 0 \frac{l_{m}}{l_{m} + l_{L u f t}}$
Der Effizienzfaktor P gibt das Verhältnis aus der Magnetflussdichte B_sensor, die von dem Magnetsensor 15 erfasst wird zu der gesamten Magnetflussdichte B_sum wie folgt an $P = \frac{B_{s e n s o r}}{B_{s u m}} = \frac{1}{2 * \frac{l_{s e n s o r}}{l_{o b e n}} + 1}$
Hierbei wurde I_unten = I_oben angenommen.
Isensor kann über folgende Beziehung beschrieben werden $l_{s e n s o r} = 2 * r$
worin r der Radius des Luftspalts um das sensitive Element 24 des Magnetsensors 15 herum angibt. I_oben wird durch folgende Beziehung definiert $l_{o b e n} = n * sin (\frac{γ * π}{2 * π})$
Dabei ist n die Polpaaranzahl an Magnetflussleitungsmitteln 32 und γ wird durch $γ = \frac{δ}{α + δ}$
ausgedrückt, wobei δ der Winkel zwischen zwei benachbarten Magnetflussleitungsmittel und α der Einfallswinkel eines Magnetflussleitungsmittel in Richtung zum Magnetsensor 15 ist.
Durch Simulationen konnte festgestellt werden, dass der Effizienzfaktor P immer kleiner als 0,5 ist. Wie aus 12 ersichtlich ist, sollte δ so gross wie möglich sein, damit P möglichst gross ist, was einem möglichst schmalen Magnetflussleitungsmittel, also möglichst kleinem α entspräche. Dennoch sollte α so gross wie nötig gewählt werden, um die Leckage des Magnetflusses zu verringern.
Wird (7) in (6) eingesetzt, ergibt sich folgender Zusammenhang $B_{s e n s o r} = P \cdot λ \cdot B_{0} = \frac{P}{1 + \frac{r}{l_{m}}} \cdot B_{0} = \frac{P}{1 + V} \cdot B_{0}$
Dabei ist V das Verhältnis aus der Breite r des Luftspalts auf Seite des Magnetsensors 15 zu der Länge Im des Luftspalts auf Seite der Magnetfeldquelle, hier dem Magnetring 20. Wie durch Simulationen festgestellt wurde, ist die Verstärkung P·λ immer kleiner als 0,4, wie dies in 13 erkennbar ist.
Üblicherweise ist die Länge Im des Luftspalts der Magnetfeldquelle, hier des Magnetrings 20 vorgegeben, womit es sinnvoll ist, die Breite r möglichst klein zu wählen.
Der über den Magnetsensor 15 einwirkende Magnetfluss Bsensor kann jedoch um einen Verstärkungsfaktor A verstärkt werden. $B_{s e n s o r} = A \cdot P \cdot λ \cdot B_{0}$
Hierbei ist der Verstärkungsfaktor A wie folgt definiert $A = \frac{d_{m a g}}{d_{F L}}$
Worin d_mag die Dicke des Magnetrings und d_FL die Dicke des Magnetflussleitungsmittels ist. Angenommen wurde hier, dass d_FL viel größer als die Dicke des sensitiven Elements 24 des Magnetsensors 15 ist, insbesondere um zwei Größenordnungen größer ist. Beispielsweise ist d_FL 1 mm und die Dicke des sensitiven Elements 0,01 mm.
Beispielsweise kann A = 5 sein. Durch die Festlegung von A kann der Magnetfluss am Magnetsensor 15 geeignet ausgelegt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016212175 A1 [0004]

Claims

Sensoreinheit (12) zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils (16), umfassend einen Magnetsensor (15) zur Erfassung eines äußeren Magnetfelds, eine Magnetfeldquelle (20, 30) zur Erzeugung des äußeren Magnetfelds, wobei zwischen der Magnetfeldquelle (20, 30) und dem Magnetsensor (15) ein Magnetfluss vorliegt, wobei die Magnetfeldquelle (20, 30) mit dem Drehbauteil (16) verbunden ist und sich das äußere Magnetfeld abhängig von der Winkelposition des Drehbauteils (16) ändert, dadurch gekennzeichnet, dass wirksam zwischen der Magnetfeldquelle (20, 30) und dem Magnetsensor (15) Magnetflussleitungsmittel (32) zur gezielten Leitung des Magnetflusses hin zu dem Magnetsensor (15) eingebracht sind.
Sensoreinheit (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetsensor (15) radial versetzt zu einer Drehachse der Magnetfeldquelle (20, 30) angeordnet ist.
Sensoreinheit (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetflussleitungsmittel (32) eine relative Permeabilität µ_r aufweisen, die grösser ist als Luft, insbesondere grösser ist als 104 V·s/A·m.
Sensoreinheit (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetflussleitungsmittel (32) aus einem ferromagnetischen Material bestehen, insbesondere aus einer Nickel-Eisen-Legierung 4750 V·s/A·m, bevorzugt mit einer relativen Permeabilität µ_r von mehr als 50000 V·s/A·m, insbesondere mehr als 100000 V·s/A·m.
Sensoreinheit (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetflussleitungsmittel (32) den Magnetfluss bei Austritt aus der Magnetfeldquelle (20, 30) konzentrieren und damit einen Magnetflusskonzentrator (34) umfassen.
Sensoreinheit (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetflussleitungsmittel (32) auf einer Platine (22) aufgebracht sind.
Sensoreinheit (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetsensor (15) ein sensitives Element (24) umfasst, welches das äußere Magnetfeld aufnimmt, wobei die Dicke des sensitiven Elements (24) kleiner als die Dicke der Magnetflussleitungsmittel (32) ist.
Sensoreinheit (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldquelle (20, 30) ein diametrales Magnetfeld erzeugt und/oder als Magnetring (20) ausgebildet ist.
Sensoreinheit (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstärkung des Magnetflusses zwischen Magnetfeldquelle (20, 30) und Magnetsensor (15) die Dicke der Magnetfeldquelle (20, 30) grösser als die Dicke der Magnetflussleitungsmittel (32) ausgelegt wird.
Kupplungsaktor (10) zur automatisierten Kupplungsbetätigung, umfassend einen drehbaren Rotor (16) und eine Sensoreinheit (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit (12) zur Erfassung einer Winkelposition des Rotors (16) vorgesehen ist.