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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Es sind elektrische Antriebe bekannt, die ein Schneckengetriebe aufweisen. An einem Abtrieb des Schneckengetriebes kann eine Vorrichtung angebracht sein, die durch den Antrieb bewegt wird. Damit die Position der Anlage bekannt ist, kann ein Schleifkontakt an dem Zahnrad des Schneckengetriebes angebracht sein. Der Schleifkontakt wird beispielsweise durch ein Inlay in dem Zahnrad und einen Kontaktpin in der elektrischen Schaltung des Antriebs hergestellt. Solche Schleifkontakte haben den Nachteil, dass sie korrodieren und dadurch den Kontakt verlieren. Ferner sind solche Kontakte empfindlich gegen starke Erschütterungen, sodass sie nicht durchgehend Kontaktieren. Außerdem müssen gegebenenfalls Multiplexer verwendet werden, wenn mehrere Schleifkontakte realisiert sind.
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Wenngleich die bekannten Antriebe ihre Funktion erfüllen, bietet der Bereich der elektrischen Antriebe und entsprechender Verfahren noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Antrieb bereitzustellen, der einen kostengünstige und sichere Positionsbestimmung ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch einen elektrischen Antrieb gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweils abhängigen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Der erfindungsgemäße elektrische Antrieb umfasst ein Getriebe mit wenigstens einem Zahnrad, einen Elektromotor mit einer Ankerwelle, eine Steuerung zum Steuern des Elektromotors, einen auf der Ankerwelle befestigten Magnetring zur Positionserkennung der Rotationsposition der Ankerwelle. Dabei ist in dem Zahnrad eine Abtriebswelle angeordnet, an die eine Vorrichtung angebracht ist. Die Vorrichtung kann insbesondere eine Scheibenwischanlage eines Kraftfahrzeugs sein. Durch den Antrieb wird die Vorrichtung bewegt und nimmt unterschiedliche Positionen in Abhängigkeit von der Rotationsposition der Ankerwelle ein. Der elektrische Antrieb kann entweder eine Rotationsrichtung, sodass sich die Ankerwelle nur in eine Drehrichtung dreht, oder zwei Rotationsrichtungen aufweisen, sodass die Ankerwelle reversierend rotieren kann und daher zwei Drehrichtungen ausführen kann. Der Magnetring ist ringförmig und umringt die Ankerwelle. Der Magnetring ist auf der Ankerwelle aufgesetzt. Insbesondere ist der Elektromotor ein elektronisch kommutierter Motor.
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Es wird vorgeschlagen einen zweiten Magneten an dem Zahnrad anzuordnen und eine Sensoreinheit mit der Steuerung zu verbinden, wobei die Sensoreinheit für eine Magnetfeldinteraktion des zweiten Magneten und des Magnetrings sensitiv ist. Der zweite Magnet weist dazu ein Magnetfeld auf, welches mit dem Magnetfeld des Magnetrings interagiert, sodass das Magnetfeld des Magnetrings verändert wird. Diese Veränderung durch die Interaktion der Magnetfelder wird durch die Sensoreinheit detektiert. Aufgrund dieser Magnetfeldinteraktion kann eine Aussage über die Rotorposition der Ankerwelle und damit der an der Abtriebswelle des Zahnrades angebrachten Vorrichtung getroffen werden. Es kann die Position der Vorrichtung durch das Zusammenwirken des zweiten Magnets und des Magnetrings bestimmt werden. Durch diesen Aufbau ist eine sichere und eindeutige Positionsbestimmung bei geringen Kosten möglich.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann beinhalten, dass der zweite Magnet eine Drehung mit dem Zahnrad ausführt, wobei das Magnetfeld des zweiten Magneten während der Drehung mit dem Magnetfeld des Magnetrings für einen begrenzten Zeitraum interagiert. Da der zweite Magnet an dem Zahnrad angebracht sein kann und das Zahnrad eine Drehbewegung ausführt, kann sich der zweite Magnet mit dem Zahnrad mitdrehen. Während dieser Drehung durchläuft das Magnetfeld des zweiten Magneten das Magnetfeld des Magnetrings. Dabei kann die Interaktion zwischen den beiden Magnetfeldern an dem Ort der Sensoreinheit gemessen werden. Beispielsweise kann eine maximale Interaktion der beiden Magnetfelder gemessen werden, wobei eine maximale Interaktion vorliegt, wenn an dem Ort der Sensoreinheit bezüglich der Drehbewegung ein Bereich mit maximaler Magnetfeldstärke des zweiten Magneten mit dem Magnetfeld des Magnetrings interagiert. Dadurch wird eine eindeutige Positionsbestimmung ermöglicht.
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Geschickter Weise kann vorgesehen sein, dass der Magnetring in Umfangsrichtung mit unterschiedlichen Magnetpolen versehen ist, während das Magnetfeld des zweiten Magnets im Wesentlichen parallel zu einer Radialrichtung und/oder Axialrichtung des Magnetrings ausgerichtet ist. Die Pole können die Ankerwelle umringen. Dabei können wenigstens zwei Magnetpole in Umfangsrichtung des Magnetrings angeordnet sein. Die Magnetpole können halbkreisförmig ausgebildet sein. Alternativ können vier oder mehr Magnetpole vorgesehen sein. Die Magnetpole können in radialer Richtung an alternierendes vorzugsweise sinusförmiges Magnetfeld ausbilden. Der Sinus kann auch ein Cosinus sein, und im Folgenden wird Sinus verwendet, jedoch können alle Ausführungsformen auch mit einem Cosinus angewendet werden. Ferner kann das alternierende Magnetfeld auch in axialer Richtung ausgebildet sein. Das Magnetfeld des zweiten Magneten kann vorteilhaft mit dem Magnetfeld des Magnetrings interagieren, wenn es in radialer Richtung und/oder axialer Richtung des Magnetrings ausgerichtet ist. Dabei kann wenigstens eine Komponente des Magnetfelds des zweiten Magneten mit wenigstens einer radialen Richtung des Magnetrings übereinstimmen. Beispielsweise kann eine Richtung einer Symmetrieachse des Magnetfelds des zweiten Magnets zu einer radialen Richtung des Magnetrings parallel sein. Ebenso kann alternativ oder ergänzend solch eine Symmetrieachse des Magnetfelds des zweiten Magnets parallel zur Axialrichtung des Magnetrings ausgerichtet sein. Die axiale Richtung des Magnetrings ist insbesondere parallel zur Rotationsachse der Ankerwelle, auf der der Magnetring angebracht ist, ausgerichtet. Dadurch wird eine dortige Interaktion zwischen den beiden Magnetfeldern erreicht.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Sensoreinheit weist wenigstens einen Sensor auf, der in wenigstens einer ersten und/oder zweiten und/oder dritten Raumrichtung, vorzugsweise parallel zu einer Radialrichtung und/oder Axialrichtung und/oder Umfangsrichtung des Magnetrings, sensitiv ist. Der Sensor kann Magnetfeldstärken in wenigstens einer Radialrichtung und/oder in Axialrichtung und/oder Umfangsrichtung detektieren. Wird der Sensor in der Nähe des Magnetrings positioniert, kann ein Magnetfeld in einer Radialrichtung bezüglich des Magnetrings erfasst werden. Die Radialrichtung geht durch das Zentrum des Magnetrings. Die Axialrichtung ist parallel zur Ankerwelle. Die Umfangsrichtung ist tangential zum Magnetring. Die Magnetfeldstärke wird an einem Ort des Sensors gemessen, wobei die Magnetfeldstärke in Raumrichtungen parallel zur Radialrichtung und/oder Axialrichtung und/oder Umfangsrichtung des Magnetrings gemessen wird. Durch Messen wenigstens einer Raumrichtung ist ein eindeutiges Signal messbar, wobei Interaktionen zwischen den Magnetfeldern aufgrund von Veränderung der Feldrichtung besonders eindeutig feststellbar ist. Umso mehr Raumrichtungen gemessen werden, umso eindeutiger und präziser kann die Rotationsposition gemessen werden. Beispielsweise können zwei Rotationspositionen in einer ersten Raumrichtung ein gleich ausgebildetes Magnetfeld aufweisen, an dem die Unterscheidung der Rotationspositionen nur schwerfällt. Ergänzend kann aber in einer zweiten Raumrichtung das Magnetfeld erfasst werden, welches dann unterschiedlich sein kann, und wodurch die Rotationspositionen unterschieden werden können. Falls diese zweite Raumrichtung ebenfalls nicht zu unterscheiden sind, kann eine dritte Raumrichtung hinzugezogen werden. Dies kann solange erfolgen, bis die Rotationsposition eindeutig bestimmt werden kann.
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Bei einer geschickten Weiterbildung kann es vorgesehen sein, dass die Sensoreinheit radial neben dem Magnetring positioniert ist. Dabei ist die Sensoreinheit auf Höhe des Magnetrings bezüglich der Längsrichtung der Ankerwelle positioniert. Alternativ kann die Sensoreinheit bezüglich der Längsrichtung der Ankerwelle vor oder hinter dem Magnetring angeordnet sein. Dadurch kann eine Bauraumoptimierung der Anordnung erreicht werden.
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Vorzugsweise kann die Sensoreinheit einen Sensor aufweisen, der in mehr als nur eine Raumrichtung für ein Magnetfeld sensitiv ist. Beispielsweise kann ein TMR-Sensor und/oder ein GMR-Sensor verwendet werden. Alternativ oder ergänzend kann wenigsten ein analoger Hallsensor je Raumrichtung verwendet werden.
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Bei einer besonderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Ankerwelle und das Zahnrad ein Schneckengetriebe bilden, wobei der zweite Magnet auf einer axialen Seite des Zahnrads angeordnet ist, und eine kreisförmige Trajektorie aufweist, wobei der zum Magnetring nächste Ort der Trajektorie eine charakteristische Stellung einer durch den elektrischen Antrieb angetriebenen Vorrichtung angibt. Ist die Vorrichtung beispielsweise eine Scheibenwischanlage, dann kann die charakteristische Stellung eine Parkposition und/oder eine Wendelage eines Scheibenwischers sein. Der zweite Magnet kann auf das Zahnrad aufgeklebt oder, wenn das Zahnrad aus Kunststoff ist, von dem Material des Zahnrads umspritzt sein. Die kreisförmige Trajektorie kann um einen Drehpunkt des Zahnrads umlaufen. Wenn sich das Zahnrad dreht, dann kann der zweite Magnet eine Bewegung entlang der kreisförmigen Trajektorie ausführen. Dabei wird das Zahnrad durch den Eingriff einer Schnecke der Ankerwelle in das Zahnrad in Bewegung gesetzt. Das bedeutet, wenn der Elektromotor eine Bewegung ausführt, dann drehen sich die Komponenten des Schneckengetriebes und damit sowohl der Magnetring als auch der zweite Magnet. Durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Schneckengetriebes, wird eine präzise Positionsbestimmung einer Vorrichtung ermöglicht. Der Elektromotor kann sich dabei lediglich in eine Richtung drehen, sodass sich auch das Zahnrad und der zweite Magnet nur in eine Richtung drehen. Alternativ kann auch eine reversierende Bewegung des zweiten Magneten realisiert werden, die durch eine Drehrichtungsumkehrung des Elektromotors erreicht wird.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Ausführungsform umfasst eine charakteristische Position der Rotorposition am Ende der Trajektorie des zweiten Magneten ist. Ist nun bei der bevorzugten Weiterbildung ein reversierender Antrieb realisiert, der seine Rotationsrichtung des Motors und damit der Komponenten des Schneckengetriebes regelmäßig ändert, dann führt der zweite Magnet entlang der kreisförmigen Trajektorie eine Pendelbewegung aus. Der zweite Magnet weist entlang der Trajektorie für seine Pendelbewegung einen Umkehrpunkt auf. Diese Umkehrpunkt kann am Ende der Trajektorie angeordnet sein. Daher können diese Umkehrpunkt mit der charakteristischen Position der Rotorposition des Elektromotors und damit einer charakteristischen Position der Vorrichtung assoziiert sein. Zum Beispiel kann eine Wendelage und/oder eine Parkklage einer Scheibenwischvorrichtung an solch einer charakteristischen Position der Trajektorie angeordnet sein. Ferner können die charakteristische Position der Wendelage und der Parkposition der Scheibenwischanlage zwei unterschiedliche Orte entlang der Trajektorie einnehmen. Beispielsweise können zwei Wendelagen im Bereich der Enden der Trajektorie angeordnet sein, wobei eine Wendelage unmittelbar an einem Ende der Trajektorie und die andere Wendelage beabstandet von dem gegenüberliegenden Ende der Trajektorie ist, und die Parklage kann unmittelbar am gegenüberliegenden Ende positioniert sein.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der zweite Magnet eine Scheibe ist, der in axialer Richtung mit verschiedenen Polen versehen ist. Dabei kann die Scheibe mit ihrer flachen Seite auf der axialen Seite des Zahnrades aufliegen. Entsprechend ist die axiale Anordnung der Pole des zweiten Magnets parallel zur Drehachse des Zahnrads.
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Insbesondere erfasst die Sensoreinheit das Magnetfeld des Magnetrings auf der Ankerwelle als sinusförmiges Messsignal, wobei bei einer charakteristischen Rotationsposition das Magnetfeld des Magnetrings mit dem Magnetfeld eines zweiten Magnets interagiert. In beiden Magnetfelder interagieren miteinander, sodass die Magnetfeldstärke variiert. Dadurch kann die charakteristische Rotationsposition eine charakteristische Variation festgestellt werden. Damit die charakteristische Rotationsposition erkannt wird, kann die charakteristische Variation in einem Speicher abgelegt werden. Dabei kann die charakteristische Variation durch einen Referenzlauf des Getriebes aufgenommen werden. Der Referenzlauf kann beispielsweise vor der zweckbestimmten Inbetriebnahme des elektrischen Antriebs durchgeführt werden.
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Ferner kann bei einer weiteren Ausführungsform das Magnetfeld des Magnetrings in zwei zueinander um einen bestimmten Winkel versetzte Raumrichtungen gemessen werden, wobei dadurch zwei um den bestimmten Winkel phasenverschobene sinusförmige Signale gemessen werden, wobei beide Signale mit dem Magnetfeld des zweiten Magneten interagieren. Beispielsweise können die beiden Raumrichtungen parallel zwei Radialrichtungen des Magnetrings ausgerichtet sein. Dadurch wird ein Versatz von 90° gemessen. Die Amplituden der sinusförmigen Signale kann unterschiedlich sein. Ist der 90°-Versatz in Richtung der Umfangsrichtung des Magnetrings, dann können die beiden resultierenden Magnetfelder durch einen Sinus und einen Cosinus beschrieben werden.
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Geschickter Weise wird das Magnetfeld des zweiten Magneten peakartig auf das Magnetfeld des Magnetrings. Bei der Interaktion der beiden Magnetfelder kann es zu einer Veränderung des gemessenen Magnetfeldes des Magnetrings kommen, wobei sich die Veränderung als Verstärkung oder Abschwächung oder einer unmittelbaren Aufeinanderfolge eine Verstärkung dann Abschwächung oder einer Verzerrung des resultierenden Magnetfelds manifestiert. Eine Verstärkung kann als positiver Peak oder als negative Peak gemessen werden, wobei wenigstens eine Amplitude gegenüber den anderen Amplituden verstärkt ist. Eine Abschwächung kann als Dip gemessen werden, wobei wenigstens eine Amplitude eine Abschwächung gegenüber den anderen Amplituden aufweist. Während eine Verzerrung als Abweichung der zum Beispiel sinusförmigen Messkurve gemessen werden kann. Dadurch wird eine präzise Messung der Rotorposition ermöglicht.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der zweite Magnet relativ zum Magnetring eine gebundene Kreisbewegung ausführt. Dazu ist der Magnet fest mit dem Zahnrad verbunden.
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Ergänzend kann ein axiales sinusförmiges Magnetfeld des Magnetrings gemessen werden, das mit dem Magnetfeld des zweiten Magneten interagiert. Dieses Magnetfeld kann durch eine Sensoreinheit ermittelt werden, die in einer zur Axialrichtung der Ankerwelle parallelen Richtung sensitiv ist.
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Es sind zwei Ausführungsformen für den elektrischen Antrieb möglich. Eine erste Ausführungsform umfasst einen Elektromotor der eine reversierend Bewegung ausführt, sodass der zweite Magnet eine Kreisbewegung von weniger als 360° ausführt, da das Zahnrad ebenso eine Bewegung von weniger als 360° ausführt. Eine zweite Ausführungsform beinhaltet einen Elektromotor der lediglich eine Drehrichtung aufweist, sodass der zweite Magnet eine ununterbrochene Drehbewegung in eine Richtung ausführt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen
- 1 a) und b) Draufsicht und Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Schneckengetriebes mit einem Ringmagneten und einem zweiten Magneten,
- 2 eine Interaktion der Magnetfelder,
- 3 a) bis e) Diagramme des Magnetfeldverlaufs in Radialrichtung und der Interaktion der Magnete, und
- 4 Diagramm des Magnetfeldverlaufs des Störfeldes in Axialrichtung.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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In 1 ist ein elektrischer Antrieb 10 dargestellt. Der elektrische Antrieb 10 umfasst ein Zahnrad 12, einen Elektromotor 14 und eine Ankerwelle 16 des Elektromotors 14, an der eine Schnecke ausgebildet ist, die mit dem Zahnrad 12 kämmt. Insgesamt weist der elektrische Antrieb 10 ein Schneckengetriebe auf. Der Elektromotor 14 dreht die Ankerwelle 16 in wenigstens eine Drehrichtung 17. Der elektrische Antrieb 10 kann einen Elektromotor 14 aufweisen, der die Ankerwelle nur in eine Drehrichtung 17 dreht. Alternativ kann der elektrische Antrieb 10 den Elektromotor 14 in unterschiedliche Drehrichtungen 17 drehen, sodass eine reversierende Drehbewegung mit einer Umkehrung der Drehrichtung 10 möglich ist. Im Zentrum des Zahnrads 12 ist eine Abtriebswelle 13 angeordnet, an die eine Vorrichtung wie eine Scheibenwischanlage für ein Kraftfahrzeug angebracht werden kann. Die Vorrichtung wird über das Schneckengetriebe und den Elektromotor 14 in Bewegung versetzt.
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Auf der Ankerwelle 16 ist ein Magnetring 20 angeordnet, der die Ankerwelle 16 ringförmig umgibt. Der Magnetring 20 weist in dem Ausführungsbeispiel der 1 zwei Magnetpole auf, die halbkreisförmig und gleich Ausgebildet sind, und die Ankerwelle 16 umgeben. Die Magnetpole 26 umringen die Ankerwelle 16.
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Neben dem Schneckengetriebe und im Wesentlichen parallel zum Zahnrad 12 ist eine Steuerung 18 auf einer Platine positioniert. Auf der Platine kann eine Sensoreinheit 24 angeordnet sein, die mit der Steuerung 18 verbunden ist. Alternativ kann die Sensoreinheit von der Platine entfernt positioniert sein. Die Sensoreinheit 24 ist radial neben dem Magnetring 20 und bezüglich der Längsrichtung der Ankerwelle 16 auf Höhe des Magnetrings 20 angeordnet. Eine Seite 19 der Platine ist dem Zahnrad 12 und dem Magnetring 20 und einem zweiten Magneten 22 zugewandt. Auf der den Magneten 20, Zahn 20 zugewandten Seite 19 der Platine ist die Sensoreinheit 24 angeordnet. Dabei ist die Sensoreinheit 24 im Bereich des Magnetrings 20 positioniert.
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Auf dem Zahnrad 12 ist ein zweiter Magnet 22 angeordnet. Der Magnet 22 ist scheibenförmig oder pillenförmig. Durch die Drehbewegung des Zahnrads 12 führt der zweite Magnet 22 entlang einer kreisförmigen Trajektorie 23 eine Bewegung aus. Dazu ist der Magnet 22 auf einer axialen Seite 15 des Zahnrads 12 angeordnet, die der Steuerung 18 bzw. der Sensoreinheit 24 zugewandt ist. Die dem Zahnrad 12 zugewandte Seite 19 der Platine ist der axialen Seite 15 mit dem Magneten 22 zugewandt. Der Magnet 20 ist exzentrisch auf dem Zahnrad 12 jedoch beabstandet von den Zähnen des Zahnrads 12 positioniert. Führt das Zahnrad 12 eine durchgehende 360° Bewegung aus, so ist die Trajektorie 23 ein geschlossener Kreis. Führt das Zahnrad 12 eine Drehbewegung aus, die weniger als 360° aufweist, so ist die Trajektorie 23 ebenfalls kein geschlossener Kreis, sondern beschreibt lediglich einen Kreisbogen. Der zweite Magnet 22 weist zwei Magnetpole 26 auf, deren Polarität parallel zur Axialrichtung der Abtriebswelle 13 ausgerichtet ist. Damit ist die Polarität parallel zu einer Drehachse 11 des Zahnrads 12 ausgerichtet.
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In 1 a) ist eine Draufsicht des elektrischen Antriebs 10 gezeigt, bei der die Trajektorie 23 ca. 180° beträgt. An einem Ende 25 der Trajektorie 23, ist eine charakteristische Position 27 vorgesehen. Die charakteristische Position 27 kann eine Parkposition einer Scheibenwischanlage sein. Erreicht nun der zweite Magnet 22 die charakteristische Position 27, so ist der Abstand zwischen dem Magnetring 20 und dem zweiten Magnet 22 maximal verringert. Dieser geringste Abstand 28 bewirkt eine maximale Interaktion der Magnetfelder der beiden Magnete 20, 22. Der geringste Abstand 28 zeichnet sich dadurch aus, dass eine Gerade durch die Sensoreinheit 24 und die charakteristischen Position 27 hindurchführt, wobei die Gerade vorzugsweise auch durch das Zentrum des Zahnrads 12 führt. Dadurch kann einer Rotationspositionserkennung der Ankerwelle 16 bzw. des Zahnrads 12 und damit eine Positionserkennung der Vorrichtung, die an der Abtriebswelle 13 angebracht ist, realisiert werden. Mit anderen Worten, wenn der zweite Magnet 22 die charakteristischen Position 27 erreicht, überlagern sich die Magnetfelder der beiden Magnete 20, 22, was zu einer Interaktion der Magnetfelder führt. Diese Interaktion der Magnetfelder ist charakteristisch für jede Position des zweiten Magneten entlang der Trajektorie und kann durch die Sensoreinheit 24 erkannt werden. Für die charakteristische Porition ist also eine charakteristische Interaktion enthalten. Durch die Charakteristik der Interaktion kann eine der Charakteristik zugeordnete Position der Vorrichtung bestimmt werden, sodass die Steuerung 18 die der Charakteristik zugeordnete Position der Vorrichtung erkennt, wenn die Sensoreinheit 24 die charakteristische Magnetfeldinteraktion erfasst. Die Trajektorie 23 ist teilweise von der Platine bedeckt.
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In 1 b) ist eine Seitenansicht des elektrischen Antriebs 10 gezeigt, wobei sich die Platine im Wesentlichen parallel zum Zahnrad 12 erstreckt. Ferner ist die Trajektorie 23 parallel zur Platine ausgerichtet. Die Sensoreinheit 24 ist radial neben dem Magnetring 20 angeordnet. Die Sensoreinheit misst die Magnetfeldstärke in drei Raumrichtungen 4, 5, 6. Der Magnetring 20 weist eine Umfangsrichtung 1 auf, in der er um die Ankerwelle 16 herum angeordnet ist. Ferner weist der Magnetring 20 einer Radialrichtung 2 auf, die mit der Radialrichtung der Ankerwelle zusammenfällt. Die Axialrichtung 3 des Magneten fällt mit der Längsrichtung der Ankerwelle 16 zusammen. Die erste Raumrichtung 4, in der die Sensoreinheit 24 die Magnetfeldstärke misst, ist senkrecht auf der Platine angeordnet, und parallel zu einer Radialrichtung des Magnetrings 20. Ferner ist die zweite Raumrichtung 5 der Sensoreinheit 24 parallel zur Platine und auch parallel zu einer um 90° versetzten Radialrichtung des Magnetrings 20 ausgerichtet. Die erste und zweite Raumrichtung 4, 5 sind parallel zu einer Tangentialrichtung der Umfangsrichtung 1 des Magnetrings 20.
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In 2 ist eine Seitenansicht des Bereichs des Magnetrings 20 gezeigt. Der Magnetring 20 bildet aufgrund seiner Magnetpole 26 ein Magnetfeld 30 aus. Wenn das Magnetfeld 30 nicht gestört ist, ist es symmetrisch ausgebildet, wobei das ungestörte Magnetfeld 30 mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Das Magnetfeld 30 dreht sich in Drehrichtung 17 der Ankerwelle 16 mit. Bei einem zweipoligen Magnetring 20 ist die Symmetrieachse des ungestörten Magnetfelds 30 senkrecht zur Teilung der Pole 26.
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Die Sensoreinheit 24 misst in drei Raumrichtungen 4, 5, 6 die Magnetfeldstärke. Dazu kann beispielsweise lediglich ein Sensor verwendet werden, der in verschiedene Raumrichtungen messen kann, oder alternativ kann für jede Raumrichtung ein Sensor verwendet werden.
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Durch die Drehung des Zahnrads 12 wird entlang der Trajektorie 23 der zweite Magnet 22 in das Magnetfeld 30 des Magnetrings 20 hinein bewegt. Der zweite Magnet 22 hat ebenfalls ein Magnetfeld 32 ausgebildet, welches mit dem Magnetfeld 30 interagiert. Durch die Interaktion werden die Magnetfelder 30, 32 deformiert. In 2 ist das Magnetfeld 32 näherungsweise nicht deformiert. Das deformierte Magnetfeld 30 des Magnetrings 20 ist durch eine durchgezogene Linie dargestellt, wobei das Magnetfeld 30 im Bereich des zweiten Magneten 22 komprimiert wird, während es auf einer gegenüberliegenden Seite ausgedehnt wird. Ein Komprimieren des Magnetfelds kommt zustande, wenn gleiche Magnetfeldrichtungen aufeinandertreffen. Ferner kommt eine Interaktion der Magnetfelder 30, 32 schon bei einem großen Abstand zwischen dem Magnetring 20 und dem zweiten Magneten 22 zustande. Jedoch ist diese Interaktion größtenteils vernachlässigbar, da durch den großen Abstand zwischen den Magneten 20, 22 lediglich schwache Magnetfelder 30, 32 aufeinander wirken.
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In 3 sind verschiedene Diagramme dargestellt. In 3 a) sind die in zwei Raumrichtungen 4, 5 gemessenen Magnetfeldkurven 34, 36 dargestellt. Es werden die um 90° zueinander versetzten zu zwei Radialrichtungen des Magnetrings 20 parallelen Raumrichtungen 4, 5 gemessen. Entsprechend sind die Magnetfeldkurven 34, 36 um 90° zueinander Phasen verschoben. Die Kurven können durch einen Sinus und einen Cosinus dargestellt werden. Im Fall der 3 a) sind die Amplituden der Magnetfeldkurven 34, 36 gleich hoch. Jedoch ist dies lediglich eine schematische Darstellung, sodass aufgrund der Position der Sensoreinheit 24 die Amplituden der Magnetfeldkurven 34, 36 unterschiedlich hoch sein können. Die vertikalen Achsen 40 der Diagramme der 3 a) bis c) stellen die Magnetfeldstärke dar, während die horizontalen Achsen 38 die Rotorwinkelposition der Ankerwelle darstellen.
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In 3 b) ist das effektive magnetische Störfeld 42 gezeigt. Das effektive Störfeld 42 wird durch den zweiten Magneten 22 erzeugt, und ist peakartig ausgebildet. Die peakartige Ausbildung kommt zustande, da der zweite Magnet 22 nur für eine begrenzte Zeit entlang seiner Trajektorie 23 im Magnetfeld 30 des Magnetrings 20 verweilt. Die Bereiche links und rechts im Diagramm der 3 b) sind näherungsweise 0 während der Peak bei der charakteristischen Position 27 angeordnet ist. Der Peak ist das relative Magnetfeld des zweiten Magneten, welches durch die Sensoreinheit bei der relativen Bewegung des zweiten Magneten zur Sensoreinheit erfasst wird.
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In 3 c) sind die beiden Magnetfeldkurven 34, 36 in Superposition mit dem Peak der 3 b) dargestellt. Durch die Superposition erhöht sich die Amplitude der Magnetfeldkurven 34, 36 im Bereich der charakteristischen Position 27. Die Veränderung der Amplituden gegenüber den ursprünglichen Kurven aus 3 a) ist durch gestrichelte Linien gegenüber durchgezogene Linien im Bereich der charakteristischen Position 27 in 3 c) dargestellt. Die gestrichelte Linie ist die urspüngliche Magnetfedlstärke. Durch die Phasenverschiebung des Sinus und des Kosinus zueinander, kommt es zu einer leichten Verzerrung des Amplitudenanstiegs bei der vorauseilenden Magnetkurve 34. Die nachfolgende Kurve 36 weist eine Amplitude auf die ungefähr symmetrisch um die charakteristische Position 27 angeordnet ist. Dadurch erhöht sich die Amplitude auch symmetrisch gegenüber der gestrichelten ursprünglichen Kurve 36. Die vorauseilende Kurve 34 erhöht ihre Feldstärke verstärkt auf der linken Flanke der Halbwelle im Bereich der charakteristischen Position 27, sodass eine unsymmetrische Amplitudenerhöhung erfolgt. Die in 3 dargestellte charakteristische Amplitudenerhöhung ist ein Spezialfall, der jedoch verdeutlicht, dass diese Kombination aus symmetrischer und/oder unsymmetrische Amplitudenerhöhung beliebig viele Konfigurationen einnehmen kann, sodass jeder Konfiguration ein charakteristischer Wert einer Trajektorie 23 zugeordnet werden kann. Es können Kombinationen aus lediglich symmetrischen Amplituden oder lediglich unsymmetrischen Amplituden oder einer Kombination aus symmetrischen und unsymmetrischen Amplituden erfolgen. Ferner können charakteristische Verzerrungen der Magnetkurven erkannt werden. Diese unterschiedlichen Kombinationen und/oder Verzerrungen können in einem Speicher in der Steuerung abgespeichert werden, mit denen gemessene Kurven in der Steuerung verglichen und charakteristischen Positionen der Vorrichtung zugeordnet werden.
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In 3 d) ist die Ableitung, also die Steigung, des Peaks aus 3 b) gezeigt. Die Ableitung weist links von der charakteristischen Position 27 einen negativen Peak und rechts von der charakteristischen Position 27 ein positiven Peak auf.
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In 3 e) ist beispielhaft der Arkustangens 48 einer der Magnetkurven 34, 36 dargestellt. Anhand des Arkustangens 48 kann die Rotorposition bestimmt werden.
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In 4 ist das Störfeld in Axialrichtung dargestellt. Dazu misst die Sensoreinheit 24 in die dritte Raumrichtung 6, die parallel zur Axialrichtung 3 des Magnetrings 20 ist. Das Störfeld weist links einen negativen Peak und einen positiven Peak rechts von der charakteristischen Position 27 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Umfangsrichtung
- 2
- Radialrichtung
- 3
- Axialrichtung
- 4
- erste Raumrichtung
- 5
- zweite Raumrichtung
- 6
- dritte Raumrichtung
- 10
- elektrischer Antrieb
- 11
- Drehachse Zahnrad
- 12
- Zahnrad
- 13
- Abtrieb
- 14
- Elektromotor
- 15
- axiale Seite
- 16
- Ankerwelle
- 17
- Drehrichtung Ankerwelle
- 18
- Steuerung
- 19
- zugewandte Seite
- 20
- Magnetring
- 22
- zweiter Magnet
- 23
- Trajektorie
- 24
- Sensoreinheit
- 25
- Ende der Trajektorie
- 26
- Magnetpol
- 27
- charakteristische Position
- 28
- Kürzeste Verbindung
- 30
- Magnetfeld Magnetring
- 32
- Magnetfeld zweiter Magnet
- 34
- sinusförmiger Magnetfeldverlauf einer ersten Richtung
- 36
- sinusförmiger Magnetfeldverlauf einer zweiten Richtung
- 38
- Winkelachse
- 40
- Feldstärkenachse
- 42
- relatives Störfeld
- 44
- Peak
- 46
- Steigung des Störfelds
- 48
- Arkustangens
