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Gebiet der Erfindung
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In verfahrenstechnischen Anlagen, Fernwärme-, Wasser- oder Gasleitungssystemen werden Kugel- oder Drehklappenventile zur Kontrolle von Stoffströmen eingesetzt. Die Ventile sind in der Regel mit einem Antrieb ausgestattet, der eine Kugel- oder Drehklappe zum Öffnen oder Schließen des Ventils mithilfe einer Welle dreht. Die Drehung erfolgt meist in einem Drehwinkelbereich, der ca. 90° umfasst (eine Drehung um einen Winkel von 1° oder 1 Grad ist dabei definiert als der 360. Teil einer vollständigen Drehung). Der Drehwinkelbereich kann je nach Form und Beschaffenheit der Klappe, des Ventilgehäuses bzw. des Ventilsitzes und/oder aufgrund mechanischer Toleranzen, bedingt durch Anschläge, Setzeffekte usw., auch kleiner oder größer als 90° sein. In vielen Fällen beträgt der geforderte Dreh- bzw. Messwinkelbereich dementsprechend bis zu 100°.
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Zur Steuerung und Kontrolle der Ventile werden zuverlässige und möglichst präzise Informationen und Daten über die Stellung der Klappen benötigt. Da die Klappen über eine Drehbewegung gesteuert werden, bietet es sich an, die Stellung der Klappen über eine Drehwinkelmessung zu bestimmen.
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Die Messung muss präzise und zuverlässig sein, um eine Steuerung und Kontrolle der Ventile zu ermöglichen und damit einen sicheren Betrieb der mit den Ventilen ausgerüsteten Anlagen und Systeme zu gewährleisten. Sie muss zudem in allen Betriebs-, Stör- und Ausnahmezuständen funktionieren. Dazu gehört die Erfassung der Drehwinkel bei verschiedenen Innen- und Außentemperaturen sowie unter sicherheitskritischen Bedingungen, z.B. beim Betrieb mit leicht entzündlichen Stoffen wie z.B. in petrochemischen Anlagen oder Gasleitungssystemen. Letzteres schließt in vielen Fällen eine Drehwinkelmessung mithilfe elektrischer Schleifkontakte aus, die in der Regel zwar zuverlässig und präzise sind, aber einen elektrischen Kontakt darstellen. Anwendungsfälle mit leicht entzündlichen oder anderen Gefahrstoffen erfordern jedoch eine berührungslose Messung der Drehwinkel, die insbesondere keine elektrischen und/oder mechanischen Kontakte oder Kontaktflächen aufweist. Eine Drehwinkelmessung mithilfe von Magnetfeldern erfüllt diese Anforderungen.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Messmethoden für eine berührungslose Positionsbestimmung mithilfe von Magnetfeldern beschrieben worden. Die
EP 0 861 417 B1 beschreibt ein Messverfahren, bei dem ein magnetischer Flusssensor eingesetzt wird, während in der
EP 0 979 988 B1 ein Verfahren beschrieben wird, bei dem zwei orthogonale Magnetfeldkomponenten erfasst werden. Die
EP 1 071 919 B1 sieht dagegen den Einsatz mehrpoliger Anordnungen vor, insbesondere von magnetischen Codierstreifen, die aus einer seriellen Anordnung von Magneten bestehen. Ein Sensor misst bzw. zählt dabei, wie viele Magnete bzw. Pole den Sensor passieren oder passiert haben. Die genannten Verfahren sind jedoch auf die Erfassung linearer Relativbewegungen beschränkt.
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Eine bekannte bzw. konventionelle Lösung zur berührungslosen Drehwinkelmessung stellt die Verwendung von diametral magnetisierten Polringen mit 2, 4 oder mehr Polen dar. Die Ausrichtung der magnetischen Polringe wird dabei mithilfe magnetoresistiver Sensoren erfasst. Die Polringe werden zu diesem Zweck seitlich an der Welle des Kugel- oder Drehklappenventils montiert bzw. befestigt. Sie erzeugen ein Magnetfeld mit einem sich in der Ebene des Polrings drehenden Feldvektor. Der dieser Drehung entsprechende Feldlinienwinkelverlauf wird z.B. von einem magnetoresistiven Magnetwinkelerfassungschip aufgenommen und mithilfe eines Microcontrollers eindeutig einem Drehwinkel zugeordnet. Dies ermöglicht eine berührungslose Drehwinkelmessung, die bei einem 2-poligen Ring einen Drehwinkelmessbereich von 180°, bei einem 4-poligen Ring von 90°, usw. aufweist. Der Drehwinkelmessbereich ist demnach durch die Anzahl der Pole determiniert.
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Viele Ventile weisen jedoch einen Drehwinkelbereich auf, der nicht zu den Drehwinkelmessbereichen eines 2-Pols oder 4-Pols passt. In diesen Fällen muss ein Drehwinkelmessbereich gewählt werden, der größer als der tatsächliche Drehwinkelbereich ist. Der Messbereich bzw. Messwinkelbereich des Magnetwinkelerfassungschips und das damit erreichbare Auflösungsvermögen der Drehwinkelmessung kann deshalb nicht ausgeschöpft werden. Messfehler z.B. aufgrund von Temperaturschwankungen haben dementsprechend einen größeren Einfluss auf die Messung.
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Darüber hinaus werden derartige Polringe nur in bestimmten Größen hergestellt. Sie passen in vielen Fällen nicht zu den Außendurchmessern der Wellen. Diese haben in der Regel unterschiedliche Durchmesser, die an die verschiedenen Antriebsgrößen angepasst sind, um die zu übertragenden Drehmomente, die etwa im Bereich von 50 Nm bis 5000 Nm liegen, zuverlässig aufnehmen und übertragen zu können. Eine Anpassung der Polringgröße an den Außendurchmesser einer bestimmten Welle ist jedoch regelmäßig mit großem Aufwand und/oder hohen Kosten verbunden.
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Alternativ sieht die Patentschrift
DE 11 2006 000 444 B4 die Verwendung eines Dipolmagneten vor, der nicht seitlich, sondern an einem oberen und/oder unteren Ende der Welle angebracht ist. Der Einsatz des Magneten ist somit unabhängig vom Durchmesser der Welle. Der Drehwinkel wird ebenfalls mithilfe eines Magnetfeldwinkelerfassungschips bzw. Feldlinienwinkelsensors über eine Drehung der Magnetfeldrichtung bestimmt. Die besondere Lage des Magneten erfordert jedoch eine Anordnung der Geräte zur Drehwinkelmessung am oberen oder unteren Ende der Welle. Dies beeinträchtigt die mechanische Belastbarkeit der Welle, da sie nicht mehr optimal gelagert werden kann, und erfordert zusätzliche Aufbauten und/oder Gehäuseteile zur Aufnahme der Messgeräte am oberen oder unteren Ende der Welle. Die Ventile werden dadurch in der Regel länger bzw. können weniger kompakt gestaltet werden.
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Eine mehrpolige Methode zur magnetischen Drehwinkelmessung ist in der
DE 10 2014 019 547 B3 beschrieben. Die Schrift sieht - ähnlich zu der in der
EP 1 071 919 B1 beschriebenen Methode zur Erfassung einer linearen Relativbewegung - einen magnetischen Codierring zur Erfassung des Drehwinkels einer Welle vor. Der Codierring stellt eine ringförmige serielle Anordnung von abwechselnd entgegengesetzt ausgerichteten Magneten dar und ist zumindest teilweise umlaufend ausgeführt. Der Codierring ist Teil einer Sensormanschette, die zudem über einen Magnetfeldsensor verfügt. Die Manschette wird zum Zwecke der Messung nicht an einem Ende der Welle sondern in koaxialer Weise an der Welle montiert bzw. befestigt. Wie bereits beschrieben erfordert der Einsatz von Codierstreifen bzw. -ringen ein Mitzählen der Magnete, die den Magnetfeldsensor passieren oder passiert haben. Gehen die beim Zählen erhobenen Daten und/oder Messwerte aufgrund eines Störfalls, wie z.B. aufgrund eines Stromausfalls oder eines Neustarts des Systems, verloren, muss die Drehwinkelmessung neu eingerichtet und/oder justiert werden. Dies stellt in der Regel einen erheblichen Mehraufwand dar und birgt zudem erhebliche Risiken beim Betrieb von Anlagen und Leitungssystemen, da bei einem derartigen Störfall keine zuverlässigen Informationen über die Stellung der Regler bzw. Ventile vorliegen bzw. nur im Rahmen aufwendiger und zeitraubender Maßnahmen wieder hergestellt und/oder gewonnen werden können.
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Aufgabe
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Aufgabe der Erfindung ist es, berührungslose Drehwinkelmessungen mithilfe magnetischer Polringe zu vereinfachen sowie anpassungsfähiger, zuverlässiger und sicherer zu gestalten.
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Lösung
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
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Die Verwendung der Einzahl soll die Mehrzahl nicht ausschließen, was auch im umgekehrten Sinn zu gelten hat, soweit nichts Gegenteiliges offenbart ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen magnetischen Polring zur berührungslosen Drehwinkelmessung, der einen Ringbogen und eine Mehrzahl von Magneten umfasst. Der Ringbogen erstreckt sich entlang eines ersten Kreisbogens und dient als Träger für die Magnete, d.h. die Magnete sind in dem Ringbogen aufgenommen. Sie sind zudem in einem ringförmigen Bereich verteilt angeordnet, der so gewählt ist, dass der Ringbogen die Magnete aufnehmen kann. Das schließt den Fall ein, dass einer oder mehrere der Magnete an den äußeren Rändern des Ringbogens aufgenommen ist oder sind.
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Die Magnete in dem Ringbogen erzeugen ein Magnetfeld. Sie sind so angeordnet, dass das Magnetfeld eine Änderung der Magnetfeldrichtung entlang eines zweiten Kreisbogens aufweist.
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Die Achsen der Magnetisierungsrichtung der Magnete in Bezug auf die Achsen vom Mittelpunkt der Magnete zum Mittelpunkt des ersten Kreisbogens sind derart ausgerichtet, dass sich die Winkellage der Magnetfeldrichtung des Magnetfelds entlang des zweiten Kreisbogens kontinuierlich verändert, so dass ein feldlinienrichtungsempfindlicher Sensor bei einer relativen Verdrehung des Ringbogens zu dem Sensor um eine Achse, die durch den Mittelpunkt des ersten Kreisbogens verläuft und orthogonal zur Ebene des ersten Kreisbogens ausgerichtet ist, eine Winkellage und/oder Feldlinienrichtung misst, die eindeutig und proportional zum Drehwinkel der relativen Verdrehung ist, zumindest im Rahmen eines vorgegebenen Auflösungsvermögens der Drehwinkelmessung.
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Dabei ändern sich die Achsen der Magnete in Bezug auf die Achsen von den Magneten zum Mittelpunkt des ersten Kreisbogens höchstens in der Weise, dass sich die Winkellage der Feldlinien zum zweiten Kreisbogen kontinuierlich verändert und ein feldlinienrichtungsempfindlicher Sensor bei einer Verdrehung des Ringbogens oder des Magnetsensors um eine Achse eine Winkellage und/oder Feldlinienrichtung misst, die - zumindest im Rahmen eines vorgegebenen Auflösungsvermögens der Drehwinkelmessung - eindeutig dem Drehwinkel der relativen Verdrehung zwischen Ringbogen und Sensor zuzuordnen ist. Z.B. könnte die Winkellage proportional zum Drehwinkel der relativen Verdrehung sein.
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Der zweite Kreisbogen liegt typischerweise außerhalb des Ringbogens bzw. des Polrings. Die Änderung des Magnetfelds kann einer Drehung der Magnetfeldrichtung mit positivem oder negativem Drehsinn um mindestens 150° entsprechen, vorzugsweise jedoch um mindestens 160°, 170°, 175°, 178° oder 179° und höchstens um 180°, wenn der feldlinienrichtungsempfindliche Sensor lediglich den Winkel der Magnetfeldlinien zu einer vorgegebenen Achse misst. Kann der Sensor zusätzlich die Richtung des Magnetfelds bestimmen, sollte die Änderung des Magnetfelds einer Drehung der Magnetfeldrichtung mit positivem oder negativem Drehsinn um vorzugsweise 320°, 340°, 350°, 356° oder 358° und höchstens um 360° entsprechen. Die Drehung der Magnetfeldrichtung mit positivem oder negativem Drehsinn bezieht sich dabei nicht auf eine absolute Drehung der Magnetfeldrichtung sondern auf die Drehung der Magnetfeldrichtung, die ein Sensor zur Bestimmung der Magnetfeldrichtung feststellen würde, der relativ zum Ringbogen bzw. Polring entlang des zweiten Kreisbogens geführt wird und an jedem Punkt bezüglich der Tangente und der radialen Achse des Kreisbogens gleich ausgerichtet ist. Dabei ist es unerheblich, ob der Sensor oder der Polring bewegt wird oder ob der Sensor und der Polring gleichzeitig bewegt werden. Die Drehung der Magnetfeldrichtung mit positivem oder negativem Drehsinn entspricht damit dem Feldlinienwinkelverlauf bzw. Verlauf der Winkel zwischen der Magnetfeldrichtung und den radialen Achsen entlang des zweiten Kreisbogens.
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Abweichungen von einer idealen Drehung bzw. einem idealen Feldlinien- bzw. Feldlinienwinkelverlauf sind möglich und nahezu unvermeidlich. Sie ergeben sich v.a. durch die Abmessungen und Eigenschaften der einzelnen Magnete. Abweichungen von einem idealen Winkelverlauf können bei der Drehwinkelmessung berücksichtigt, ausgeglichen bzw. kompensiert werden, solange innerhalb vorgegebener Toleranzen, vorgegebenen Messgenauigkeiten (u.a. auch von den zur Anwendung gebrachten Magnetfeldsensoren) bzw. einem vorgegebenem Auflösungsvermögen der Drehwinkelmessung eine eindeutige Zuordnung von Drehwinkeln zur gemessenen Ausrichtung des Magnetfelds möglich ist. In vielen Fällen spielen sie aufgrund von Messfehlern der Magnetfeldsensoren, die ohnehin stets zu berücksichtigen sind und z.B. durch Temperaturschwankungen bedingt sind, keine oder nur eine geringe Rolle.
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Die vorgeschlagene Anordnung der Magnete im Polring ermöglicht eine eindeutige Zuordnung des Magnetfelds bzw. des zugehörigen Feldlinienwinkels zu einem Drehwinkel.
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In vielen Fällen ist der Feldlinienwinkelverlauf linear bzgl. des Drehwinkels. Durch eine geeignete Wahl der Anordnungsgeometrie der Magnete kann der Feldlinienwinkelverlauf jedoch verändert und z.B. hinsichtlich der Auflösung in einem bestimmten Drehwinkelbereich optimiert werden.
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Die berührungslose Drehwinkelmessung kann mithilfe eines Sensors zur Bestimmung der Magnetfeldrichtung erfolgen. Vorzugsweise wird die Drehwinkelmessung mithilfe eines magnetoresistiven Sensors (xMR Sensor) zur Bestimmung des Feldlinienwinkels zwischen der Magnetfeldrichtung und einer Achse, die durch die Ausrichtung des Sensors bestimmt ist, durchgeführt. xMR-chips erfassen i.d.R. sin und cos-Signale der Feldlinienwinkel. Der Feldlinienwinkel wird dabei durch Quotientenbildung (sin/cos) und anschließende arctan-Berechnung ermittelt. Weiterentwickelte xMR-Chips (z.B. GMR-Chips) können zusätzlich auch die Orientierung des zugehörigen Feldvektors erfassen.
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Es bietet sich an, den Sensor so zu positionieren, dass er die Magnetfeldrichtung oder den Feldlinienwinkel entlang des zweiten Kreisbogens oder zumindest entlang eines Kreisbogens, der nahe an dem zweiten Kreisbogen verläuft, misst. Der Radius des zweiten Kreisbogens kann ebenso an die Position eines derartigen Sensors angepasst werden. Der zweite Kreisbogen liegt außerhalb des Ringbogens, um zumindest für alle zu messenden Drehwinkel eine freie Drehbewegung des Ringbogens zu gewährleisten, d.h. die Drehbewegung des Ringbogens soll für alle zu messenden Drehwinkel durch die Anordnung des Sensors weder gestört noch beeinträchtigt werden.
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Die Länge des zweiten Kreisbogens kann an den Bereich der zu bestimmenden Drehwinkel bzw. den von der Messung abzudeckenden Messwinkelbereich in nahezu beliebiger Art und Weise angepasst bzw. darauf eingestellt werden. Aufgrund der Tatsache, dass sich die Magnetfeldrichtung entlang des zweiten Kreisbogens mehr oder weniger umkehrt, steht für eine berührungslose Drehwinkelmessung mithilfe eines magnetoresistiven Sensors zur Bestimmung des Feldlinienwinkels ein möglichst großer Messbereich zur Verfügung. Dies erhöht die Zuverlässigkeit der Messung und verringert den Effekt von äußeren Störeinflüssen, z.B. durch mechanische Schwingungen und/oder magnetische Störfelder wie dem Erdmagnetfeld.
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Eine Anordnung bzw. Anordnungsgeometrie von Magneten, die ein derartiges Magnetfeld erzeugt, kann vor dem Herstellen des Polrings zum Beispiel mithilfe eines Finite-Elemente-Programms ermittelt werden. Dazu kann das Magnetfeld zu einer gegebenen Anordnung von Magneten simuliert werden. Die Simulation kann auch mit anderen Programmen bzw. Software und/oder ohne die Zuhilfenahme numerischer Gitter bzw. Vergröberungen über eine Superposition der Magnetfelder der einzelnen Magnete erfolgen. Dabei kann z.B. von der Anordnung eines ersten Magneten ausgegangen werden, der beispielsweise auf einem Kreisbogen liegt, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt. Durch sukzessives Hinzufügen weiterer Magnete in den ringförmigen Bereich entlang dieses Kreisbogens kann ein Magnetfeld aufgebaut werden, das die geforderte Änderung der Magnetfeldrichtung entlang des zweiten Kreisbogens aufweist. Dabei kann sowohl die Anzahl und Art der Magnete unterschiedlich gewählt werden sowie deren Position und Ausrichtung bzw. Orientierung nach Bedarf variiert und angepasst werden. Es sind auch numerische Optimierungsmethoden denkbar, mit denen die Anzahl, Position und/oder Ausrichtung der Magnete automatisch bestimmt werden kann. Bei der Platzierung der Magnete im Ringbogen können schließlich Anordnungsgeometrien der Magnete gewählt werden, die z.B. von einer strikten äquidistanten Anordnung entlang des Kreisbogens, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt, abweichen und/oder es erlauben, konstruktionsbedingte Randbedingungen, wie z.B. die Position von Verschraubungen oder anderen Hindernissen für das Einsetzen eines Magneten in den Polring, zu berücksichtigen. Derartige Simulationen ermöglichen es ebenfalls, die Anzahl der eingesetzten Magnete möglichst gering zu halten, aus Kostengründen oder um die mechanische Stabilität des Polrings zu gewährleisten. Da durch derartige Simulationen das resultierende Magnetfeld zuverlässig vorhergesagt werden kann, können bei der Installation bzw. Einrichtung der Drehwinkelmessung aufwendige Kalibrierungsmaßnahmen (oder zumindest Teile davon) entfallen. Letzteres ist auch für bestimmte bevorzugte Anordnungen der Magnete möglich, ohne Simulationen durchführen zu müssen.
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Die äußere Form der Polringe ist von der Anordnung der Magnete nahezu entkoppelt. Dies ermöglicht eine Anpassung der äußeren Form, die nahezu unabhängig von der Form des von den Magneten erzeugten Magnetfelds ist. Umgekehrt kann das Magnetfeld nahezu unabhängig von der äußeren Form des Polrings an einen vorgegebenen Drehwinkelbereich angepasst werden.
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Der Ringbogen des Polrings muss an die Anordnung bzw. Anordnungsgeometrie der Magnete lediglich in der Weise angepasst werden, dass er die Magnete tragen bzw. aufnehmen kann. Alle anderen Eigenschaften, insbesondere seine äußeren Konturen, können je nach Bedarf angepasst werden. Dazu gehören die Form und Abmessungen des Ringbogens, insbesondere der Durchmesser des Ringbogens bzw. des Polrings. Er kann beispielsweise passgenau zum Außendurchmesser einer drehenden Welle konstruiert werden, die zylinder-, stab- oder röhrenförmig ist. Es ist ebenfalls denkbar, den Polring an komplexere, z.B. mehreckige Querschnitte und/oder Formen anzupassen. Dies ermöglicht eine passgenaue Befestigung des Polrings an beliebige drehbar gelagerte Bauteile. Insbesondere ist es nicht notwendig, die Wellen oder Bauteile für den Einsatz des Polrings anzupassen, z.B. durch eine Verjüngung, die die mechanische Stabilität eines drehbar gelagerten Bauteils oder einer drehenden Welle beeinträchtigen würde, oder einen zweiteiligen Aufbau eines Bauteils oder einer Welle bzw. eine entsprechende Kupplung.
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Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Polrings besteht darin, dass für verschiedene Außendurchmesser einer Welle oder Querschnitte eines drehbar gelagerten Bauteils dieselben Magnete verwendet werden können. Die Magnete müssen nicht an die geometrischen Formen und Abmessungen der sich drehenden Bauteile angepasst werden.
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Der Ringbogen besteht typischerweise aus einem Material, das das von den Magneten erzeugte Magnetfeld nicht oder nur geringfügig beeinflusst. Dazu gehören dia- sowie paramagnetische Materialien. Thermoplastische Kunststoffe wie z.B. Polyethylen, Polypropylen oder Polyamide bieten sich für eine additive Fertigung der Ringbögen bzw. ein entsprechendes 3D-Druckverfahren an. Duroplaste bzw. Thermodure wie z.B. Phenolharze eignen sich für den Einsatz bei höheren Temperaturen. Sie können - ebenso wie thermoplastische Kunststoffe - in einem Kunststoff-Spritzgussverfahren verarbeitet werden. Des Weiteren können Mischkunststoffe und Copolymere zum Einsatz gebracht werden, um die Herstellung der Ringbögen bzw. Polringe zu vereinfachen bzw. deren Eigenschaften an die Anforderungen der Drehwinkelmessung anzupassen.
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Damit der Zusammenhang zwischen der Winkellage bzw. Richtung der Feldlinien und dem Drehwinkel des Ringbogens oder des Sensors auch bei hohen Anforderungen an die Auflösung der Drehwinkelmessung eindeutig bleibt, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Änderung der Winkellage der Feldlinien entlang des zweiten Kreisbogens streng monoton ist, jedenfalls im Rahmen der Messgenauigkeit.
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Die Anordnung der Magnete ist durch die Anforderungen an das Magnetfeld nicht eindeutig vorgegeben. Es gibt eine Vielzahl von Anordnungen, die ein Magnetfeld mit den geforderten Eigenschaften zur Lösung der Aufgabe erzeugen. In bevorzugten Ausführungsformen liegen alle Schwerpunkte der Nordpole der Magnete weiter außen bezogen auf den ersten Kreisbogen als alle Schwerpunkte der Südpole der Magnete, oder umgekehrt. Diese Art der Ordnung ermöglicht es, ein möglichst homogenes Magnetfeld mit möglichst wenigen Einzelmagneten zu erzeugen.
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Die Mittelpunkte und Ebenen des ersten und zweiten Kreisbogens und/oder eines Kreisbogens, auf dem evtl. die Magnete liegen, müssen nicht zwingend übereinstimmen. Insbesondere können die Mittelpunkte einen gewissen Abstand aufweisen und/oder die Ebenen gegeneinander verkippt oder verschoben sein. In vielen Fällen ist es jedoch vorteilhaft, wenn die Mittelpunkte und die Ebenen des ersten und zweiten Kreisbogens übereinstimmen oder zumindest im Rahmen gewisser Toleranzen übereinstimmen. Dadurch werden Schwankungen in der Magnetfeldstärke und/oder Magnetfeldrichtung entlang des zweiten Kreisbogens reduziert bzw. vermieden. Der Messbereich eines Sensors zur Bestimmung der Magnetfeldrichtung und/oder des Feldlinienwinkels (Winkelsensorchip) kann auf diese Weise ausgenutzt werden, ohne Toleranzen für die zuvor genannten Schwankungen berücksichtigen zu müssen.
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Die Länge des zweiten Kreisbogens ist in der Regel an den Drehwinkelbereich eines Bauteils angepasst, an dem der Polring zur berührungslosen Drehwinkelmessung montiert bzw. befestigt wird. Vorzugsweise ist der Mittelpunktswinkel des zweiten Kreisbogens dazu kleiner als oder gleich 100°, typischerweise 90°.
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Ähnliches gilt für den ringförmigen Bereich, in dem die Magnete verteilt angeordnet sind. Er erstreckt sich deshalb in der Regel entlang eines Kreisbogens mit einem Mittelpunktswinkel, der ebenfalls kleiner als oder gleich 100° ist und typischerweise einen Wert aufweist, der in einem Bereich um 90° herum liegt.
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Der Mittelpunktswinkel des ersten Kreisbogens ist in der Regel etwas größer als der Mittelpunktswinkel des zweiten Kreisbogens und/oder des Kreisbogens, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt, in dem die Magnete verteilt angeordnet sind. Er ist vorzugsweise größer als 180°, 200°, 220°, 240°, 270° oder 300°. Die Montage des Polrings z.B. an einer zylindrisch geformten Welle wird dadurch einfacher, da der Polring bei dieser Wahl des Mittelpunktswinkels des ersten Kreisbogens nur in axialer Richtung entlang der Welle bewegt werden kann und nicht mehr senkrecht dazu. Die Montage des Polrings erfordert damit keine aufwendigen Elemente zur Sicherung des Polrings in Bezug auf solche senkrechten Bewegungen.
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Idealerweise sind die Magnete so angeordnet, dass das Magnetfeld, das von den Magneten erzeugt wird, entlang des zweiten Kreisbogens eine nahezu konstante Feldstärke aufweist. Schwankungen der Feldstärke sind allerdings möglich und lassen sich mit praktischen Mitteln ohnehin nicht völlig ausschließen. Sie sollten jedoch höchstens 25% vom Durchschnittswert der Feldstärken entlang des zweiten Kreisbogens betragen, vorzugsweise höchstens 20%, 15%, 10% oder 5%.
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Die Anforderung an die Magnetfeldstärke stellt sicher, dass ein Sensor zur Bestimmung der Magnetfeldrichtung bzw. des Feldlinienwinkels entlang des zweiten Kreisbogens stets in Sättigung betrieben werden kann. Messfehler aufgrund von Störeinflüssen wie z.B. durch elektrische und/oder magnetische Anlagen bzw. Vorrichtungen in der Umgebung des Polrings oder das Erdmagnetfeld können auf diese Weise effektiv unterdrückt werden.
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Die Magnete können prinzipiell beliebige Polstrukturen aufweisen und/oder Multipole darstellen. In der Regel kommen jedoch Dipolmagnete aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen Polstrukturen, insbesondere Multipolen, längeren Reichweite zum Einsatz.
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Für einen dauerhaften und/oder wartungsfreien Betrieb ist der Einsatz von Dauer- bzw. Permanentmagneten besonders geeignet. Ein Wechsel oder eine Wartung der Magnete z.B. für den Fall, dass sich die Magnete entmagnetisiert haben, oder eine Energieversorgung zur Aufrechterhaltung der magnetischen Eigenschaften der Magnete ist somit nicht notwendig. Der Einsatz von Dauermagneten bietet zudem den Vorteil, dass die Drehwinkelmessung zu jedem Zeitpunkt erfolgen kann und auch nach einem Stromausfall und/oder Störfall jederzeit wieder problemlos aufgenommen werden kann, da die Messung lediglich auf der Erfassung der Magnetfeldrichtung bzw. des Feldlinienwinkels beruht und nicht auf gespeicherte Daten und/oder Messwerte zurückgreifen muss.
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Die Magnete können prinzipiell verschieden sein und z.B. individuell an die Erzeugung des gewünschten Magnetfeldverlaufs angepasst werden. Aus fertigungstechnischen Gründen ist es jedoch wünschenswert, dass alle Magnete gleich sind und/oder die gleichen magnetischen Eigenschaften aufweisen. Das erleichtert und senkt die Kosten für die Herstellung bzw. Fertigung der Polringe sowie der einzelnen Magnete.
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Die Magnete in dem ringförmigen Bereich können gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt werden, je nach Art oder Eigenschaften der Magnete, die zum Einsatz gebracht werden sollen. Um eine einfache Konstruktion und Fertigung der Polringe zu ermöglichen, ist es jedoch sinnvoll, die Magnete gleichmäßig zu verteilen. Die Herstellung der Polringe und die zugehörige Qualitätskontrolle werden dadurch erheblich einfacher, da Fehler in der Positionierung der Magnete oder entsprechender Aufnahmen für die Magnete leichter erkannt werden können. Auf diese Weise kann mit vergleichsweise einfachen visuellen Methoden sichergestellt werden, dass die hergestellten bzw. fertigen Polringe ein Magnetfeld aufweisen, das die simulierten bzw. gewünschten Eigenschaften aufweist. Aufwendige Kalibrierungsmaßnahmen zur Einrichtung der Drehwinkelmessung oder zumindest Teile davon können damit vermieden werden.
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Die Ausrichtung der einzelnen Magnete ist durch die zuvor genannten Anforderungen an das zu erzeugende Magnetfeld vorbestimmt. Die Anforderungen können jedoch durch eine Vielzahl verschiedener Möglichkeiten zur Ausrichtung der Magnete erfüllt werden. Für eine Drehung der Magnetfeldrichtung in der Ebene eines Kreisbogens, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt, können die Magnete z.B. so ausgerichtet werden, dass die Magnetisierungsrichtungen der einzelnen Magnete von einer vorgegebenen Richtung, die in der Ebene des Kreisbogens, entlang dem sich der ringförmige Bereich erstreckt, liegt, höchstens um 90°, vorzugsweise jedoch höchstens um 60°, 30°, 10°, 5°, 3°, 1° oder lediglich innerhalb fertigungstechnisch bedingter Toleranzen abweichen.
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Eine Ausrichtung der Magnete in der Ebene des Kreisbogens, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt, bietet Vorteile in der Herstellung der Polringe, da Bohrungen, Vertiefungen, Einkerbungen, Einschnitte oder andere zur Aufnahme der Magnete geeignete Aussparungen im Ringbogen ebenfalls in der Ebene des Kreisbogens, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt, ausgerichtet werden können. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Magnete in der Ebene des Kreisbogens liegen, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt.
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Die vorgegebene Richtung ist in der Ebene eines Kreisbogens, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt, frei wählbar. Es erweist sich jedoch in vielen Fällen als sinnvoll, die Symmetrieachse des Kreisbogens, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt, als vorgegebene Richtung zu wählen. Die Herstellung und Montage des Polrings bzw. die Einrichtung einer Drehwinkelmessung mit einem derartigen Polring ist dadurch einfacher.
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Es kann ebenfalls von Vorteil sein, die Magnete im Rahmen der genannten Grenzen unterschiedlich auszurichten. Leichte Variationen in der Ausrichtung der Magnete sind in der Regel unvermeidbar. Für eine einfache Berechnung der Eigenschaften des Polrings sowie einer einfachen Montage der Magnete im Polring ist es jedoch besser, die Magnete alle gleich auszurichten, d.h. alle Magnete entlang der vorgegebenen Richtung auszurichten.
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Aus ähnlichen Gründen bietet sich eine Ausrichtung der Magnete in radialer Richtung eines Kreisbogens an, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt.
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Für bestimmte Anwendungen kann es von Vorteil sein, die Ausrichtung der Magnete nicht entlang einer vorgegebenen Richtung vorzunehmen sondern inkrementell bzw. sukzessive entlang eines Kreisbogens zu ändern, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt. Die Änderung der Ausrichtung der Magnete, die sich durch die Summe aller inkrementellen Änderungen ergibt, entspricht einer Drehung der Ausrichtung der Magnete mit positivem oder negativem Drehsinn. Die Drehung der Ausrichtung der Magnete mit positivem oder negativem Drehsinn bezieht sich auf die Ausrichtung der Magnete in Bezug auf die radialen Achsen des Kreisbogens, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt. In anderen Worten ausgedrückt bezieht sich die Drehung der Ausrichtung der Magnete mit positivem oder negativem Drehsinn auf die Drehung der Ausrichtung der Magnete, die man entlang eines Panoramas, das vom Mittelpunkt des Kreisbogens, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt, aus aufgenommen wird, beobachten würde. Ähnliches gilt für die oben genannte Drehung der Magnetfeldrichtung auf einem zweiten Kreisbogen, die man ebenfalls mithilfe einer Panoramaansicht des Magnetfelds vom Mittelpunkt des zweiten Kreisbogens aus beobachten würde. Dementsprechend stellt die Drehung der Ausrichtung der Magnete mit positivem oder negativem Drehsinn den Verlauf der Winkel zwischen der Ausrichtung der Magnete und den radialen Achsen des Kreisbogens dar, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt.
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Die Vorteile einer derartigen Ausrichtung ergeben sich vor allem dann, wenn das Magnetfeld nahe an der Position der einzelnen Magnete gemessen wird. In diesen Fällen dominiert das Magnetfeld des einzelnen Magneten, der dem Messpunkt am nächsten gelegen ist. Die Kontrolle über die Ausrichtung des Magnetfelds erfolgt demnach über die Ausrichtung der Magnete. Damit hat die relative Position der einzelnen Magnete und somit Fehler in der Positionierung der Magnete einen weniger starken Einfluss auf die Drehwinkelmessung. Dies erhöht nicht nur die Stabilität und Auflösung der Messung, sondern erlaubt auch einen größeren Spielraum bei der Konstruktion und Herstellung der Polringe.
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Um Schwankungen in der Ausrichtung und Stärke des erzeugten Magnetfelds gering zu halten, bietet es sich an, die Magnete mindestens so dicht nebeneinander anzuordnen, dass es nicht möglich ist, einen weiteren der Magnete in den ringförmigen Bereich hinzuzufügen ohne mindestens einen der Magnete verschieben zu müssen.
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Die dichte Anordnung der Magnete erhöht die Zuverlässigkeit und Stabilität der Drehwinkelmessung, da die entsprechende Messung des Magnetfelds, der Magnetfeldrichtung bzw. des Feldlinienwinkels in Sättigung betrieben werden kann. Zudem wird der Einfluss von magnetischen Störfeldern reduziert.
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Die Dichte bzw. Anzahl der Magnete kann darüber hinaus erhöht werden, um z.B. die Sättigung der Magnetfeldmessung weiter zu erhöhen oder Variationen bzw. Fehler in der Ausrichtung einzelner Magnete zu kompensieren. Im Grenzfall berühren sich die einzelnen Magnete. Bei genügend Spielraum können sie sich außerdem in selbstorganisierender Art und Weise gegenseitig ausrichten. Die Grenzen zwischen den einzelnen Magneten können unter anderem aufgelöst sein, z.B. durch plastische Verformung oder durch Einprägen magnetischer Strukturen in geeignetes Trägermaterial (z.B. einem Pulver aus einem magnetischen Material, das in eine entsprechende Aufnahme im Ringbogen eingebracht oder geklebt wird). In diesem Fall bilden die Magnete eine Dipolschicht, ein Magnetband und/oder einen Magnetstreifen.
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Das Einprägen magnetischer Strukturen kann vor oder nach der Montage des Trägermaterials erfolgen. Gleiches gilt für das Magnetisieren der Magnete in allen Ausführungsformen. Die Magnetisierung kann vor oder nach Montage der Magnete in dem Ringbogen erfolgen. Dies kann davon abhängig gemacht werden, ob sich die Montage der Magnete oder die Magnetisierung der Magnete dadurch einfacher gestalten lässt.
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Der Ringbogen kann für den Einsatz an zylindrische bzw. röhrenförmige Wellen in einfacher Art und Weise angepasst werden. Dazu kann er selbst als zylindrischer Ring bzw. Zylinderring ausgeführt sein oder nur einen Ausschnitt eines zylindrischen Rings bzw. Zylinderrings umfassen.
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Die Magnete, die im Ringbogen aufgenommen sind, können Zylinder-, Stab-, Quader-, Würfel-, Hufeisen-, Ring-, Scheiben- und/oder Kugelmagnete sein. Diese Formen können in entsprechend geformten Aussparungen des Ringbogens leicht aufgenommen werden. Außerdem werden Magnete in diesen einfachen Formen in großen Stückzahlen produziert und sind deshalb nicht nur verfügbar sondern auch kostengünstig erhältlich.
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Eine kostengünstige Variante stellen axial magnetisierte Zylindermagnete dar. Die axiale Magnetisierung vereinfacht die korrekte Positionierung und Ausrichtung der Magnete im Ringbogen, da die Magnetisierungsachse anhand der geometrischen Form der Magnete relativ einfach ermittelt werden kann. Ähnliches gilt für Ring-, Scheiben- und/oder zylinderförmige Stabmagnete, die ebenfalls eine axiale Magnetisierung aufweisen und zur Anwendung gebracht werden können.
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Der Ringbogen des Polrings nimmt die Magnete auf. Dazu können die Magnete in eine entsprechende Matrix eingebettet sein. Für eine einfachere Herstellung der Polringe ist es jedoch sinnvoller, Öffnungen und/oder Aussparungen in den Polringen bzw. den Ringbögen zur Aufnahme der Magnete vorzusehen, in die die Magnete bei der Herstellung des Polrings eingelegt werden können. Die Öffnungen und/oder Aussparungen bieten zudem die Möglichkeit, Magnete bei Bedarf auszutauschen oder zu wechseln.
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In bevorzugten Ausführungsformen liegen die Öffnungen und/oder Aussparungen zur Aufnahme der Magnete auf der Mantelfläche der Polringe oder sind revolverartig auf der Deckfläche verteilt angeordnet.
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Zur sicheren und festen Aufnahme bzw. Sicherung der Magnete weist der Ringbogen Rast-, Schnapp- oder Klippelemente auf. Die Rast-, Schnapp- und/oder Klippelemente können z.B. in die bereits beschriebenen Öffnungen und/oder Aussparungen integriert sein.
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Die Magnete im Ringbogen sind in einem ringförmigen Bereich angeordnet, der entlang eines Kreisbogens verläuft, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt. Sie können dazu entlang einer kreis-, ellipsen-, parabel- oder hyperbelförmigen Kurve angeordnet sein. Die Angabe einer derartigen Vorschrift zur Positionierung der Magnete erleichtert deren Positionierung und erhöht damit die Zuverlässigkeit der Drehwinkelmessung.
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Eine weitere Stufe der Qualitätssicherung kann erreicht werden, wenn der Polring eine Symmetrieachse und/oder mehrere Symmetrieachsen aufweist und das erzeugte Magnetfeld bzw. die zugehörige Änderung der Magnetfeldrichtung symmetrisch bezüglich dieser einen Symmetrieachse bzw. der mehreren Symmetrieachsen des Polrings ist.
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Typischerweise wird der Polring mindestens drei Magnete, vorzugsweise mindestens 5, vorzugsweise mindestens 7, vorzugsweise mindestens 9 Magnete aufweisen, um ein möglichst homogenes Magnetfeld aufzubauen. Man wird die Anzahl in der Regel aber auf ein vernünftiges Maß begrenzen, z.B. 100 Magnete.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Drehwinkelmesser und/oder eine Drehmomentmesswelle, die sowohl als Sensormanschette als auch als Kupplung ausgeführt sein kann, zur berührungslosen Messung des Drehwinkels einer Welle. Der Drehwinkelmesser und/oder die Drehmomentmesswelle bzw. Kupplung umfasst einen Polring, ein drehbar gelagertes Bauteil und/oder eine drehbar gelagerte Welle und einen Sensor zur Messung der Magnetfeldrichtung und/oder des Feldlinienwinkels. Der Polring ist an dem drehbar gelagerten Bauteil und/oder der drehbar gelagerten Welle montiert bzw. befestigt und dreht sich deshalb bei einer Drehbewegung des drehbar gelagerten Bauteils und/oder der Welle mit dem drehbar gelagerten Bauteil und/oder der Welle mit. Des Weiteren ist der Sensor derart angebracht, dass er bei einer Drehbewegung des drehbar gelagerten Bauteils und/oder der drehbar gelagerten Welle bzw. des daran befestigten Polrings einen festen Abstand zum Polring hat sowie eine feste Ausrichtung in Bezug auf die Drehachse und die Ebene aufweist, in der sich der Polring dreht. Der Sensor dreht sich nicht mit der Welle mit. Der Polring ist also relativ zum Sensor verdrehbar.
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Zur Bestimmung der Magnetfeldrichtung bzw. des Feldlinienwinkels können verschiedene Magnetometer genutzt werden, die z.B. den Hall-Effekt oder magnetooptische Effekte wie z.B. den Faraday- oder Kerr-Effekt nutzen. Dabei wird der Einfluss eines Magnetfelds auf elektrische Ströme bzw. Licht gemessen. Magnetoresistive bzw. xMR Sensoren erfassen die Änderung von elektrischen und/oder Ohm'schen Widerständen aufgrund eines Magnetfelds. Die zugehörigen elektrischen und/oder Ohm'schen Widerstände können mithilfe von Wheat-stone-Brücken in der Regel sehr präzise und zuverlässig vermessen werden. Magnetoresistive Sensoren oder auch xMR-Sensoren liefern in der Regel ein Signal, das proportional zum erfassten Feldlinienwinkel ist. Dazu werden Ausgangssignale z.B. zweier Wheatstone-Brücken, die proportional zum Sinus und Cosinus des Feldlinienwinkels sind, erfasst und mithilfe eines Microcontrollers mathematisch miteinander verrechnet. Die magnetische Feldstärke ist dabei von geringer Bedeutung, v.a. wenn der Sensor in Sättigung betrieben wird. Derartige Winkelchipsensoren sind in der Regel einfacher in der Handhabung und durch ihren einfachen Aufbau robuster und zuverlässiger und meist auch präziser, als z. B. die oben genannten Hall-Sensoren.
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Magnetoresistive Sensoren, die auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR-Effekt) beruhen, zeichnen sich im Vergleich zu Sensoren, die Tunnel- (TMR-Effekte) oder Riesenmagnetowiderstandseffekte (GMR-Effekte) nutzen, durch ihre vergleichsweise geringe Temperaturabhängigkeit aus. Die Zuverlässigkeit der Drehwinkelmessung kann deshalb in einem größeren Temperaturbereich gewährleistet werden.
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Die magnetfeldabhängigen Widerstände eines magnetoresistiven Sensors können unterschiedlich angeordnet und verschaltet sein, z.B. in einer Fix-Pitch- oder Free-Pitch-Anordnung. Letztere ist zur Messung der Eigenschaften eines Magnetfelds an einem bestimmten Punkt bzw. in einer kleinen Umgebung eines solchen Punktes ausgelegt. Free-Pitch-Sensoren weisen in der Regel eine hohe Präzision bei Winkelmessungen auf und sind zudem sehr kompakt und kostengünstig.
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Der funktionelle Zusammenhang zwischen der vom Sensor gemessenen Magnetfeldrichtung und/oder des Feldlinienwinkels und des Drehwinkels des drehbar gelagerten Bauteils und/oder der drehbar gelagerten Welle muss eindeutig und proportional sein, zumindest im Rahmen eines vorgegebenen Auflösungsvermögens der Drehwinkelmessung. Dabei kann die Anordnung der Magnete so gewählt werden, dass der Zusammenhang für kleine und große Drehwinkel eine größere Steigung aufweist als für Drehwinkel in einem mittleren Bereich. Dadurch wird das Auflösungsvermögen der Messung für kleine und große Drehwinkel auf Kosten des Auflösungsvermögens in einem mittleren Bereich erhöht. Das Auflösungsvermögen der Drehwinkelmessung kann auf diese Weise an verschiedene Bereiche angepasst werden.
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Ein Kugel- oder Drehklappenventil mit einem Drehwinkelmesser und/oder einer Drehmomentmesswelle mit den soeben beschriebenen Eigenschaften löst ebenfalls die Aufgabe. Derartige Ventile verfügen über eine Kugel- oder Drehklappe und einen Antrieb, der mit der Kugel- oder Drehklappe verbunden ist. Der Antrieb dreht die Kugel- oder Drehklappe zum Öffnen des Ventils in eine erste Richtung und zum Schließen des Ventils in eine zweite Richtung, die der ersten entgegengesetzt ist. Die entsprechenden Drehwinkel liegen typischerweise in einem Bereich, der 60°, 70°, 80°, 90°, 95°, 100° oder mehr umfasst. Der Winkelbereich kann entsprechend der Bauart und des Anwendungsprofils des Ventils allerdings auch kleiner oder größer sein.
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Die Kugel- oder Drehklappe ist fest mit dem drehbar gelagerten Bauteil des Drehwinkelmessers und/oder der Welle der Drehmomentmesswelle verbunden, und damit auch mit dem Antrieb. Das drehbar gelagerte Bauteil bzw. die Welle dreht sich deshalb beim Schließen oder Öffnen des Ventils entsprechend mit. Die Stellung der Kugel- oder Drehklappe kann demnach mithilfe des Drehwinkelmessers und/oder der Drehmomentmesswelle bestimmt werden.
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Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.
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Des Weiteren kann die Aufgabe durch ein Verfahren zur berührungslosen Messung eines Drehwinkels gelöst werden, wobei in einem ersten Schritt ein Polring mit den oben genannten Eigenschaften und ein Sensor zur Messung der Magnetfeldrichtung bzw. des Feldlinienwinkels bereitgestellt wird. In einem zweiten Schritt wird der Polring an einem drehbar gelagerten Bauteil und/oder einer Welle montiert. Der Polring und der Sensor zur Messung der Magnetfeldrichtung bzw. des Feldlinienwinkels werden derart positioniert, dass sich bei einer Drehbewegung des Polrings und/oder des drehbar gelagerten Bauteils und/oder der Welle der Abstand zwischen Polring und Sensor unverändert bleibt. Im nächsten Schritt wird der Drehwinkel der Drehbewegung mithilfe der Magnetfeldrichtung bzw. des Feldlinienwinkels bestimmt, die bzw. den der Sensor in dem festen Abstand und der Ausrichtung des Sensors misst.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle - nicht genannten - Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.
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Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
- 1 einen Polring, bei dem die Magnete parallel zu einer Symmetrieachse ausgerichtet sind;
- 2 einen Feldlinienverlauf eines Polrings gemäß 1;
- 3 einen Feldvektorverlauf eines Polrings gemäß 1;
- 4 eine Seitenansicht eines Polrings, bei dem Öffnungen zur Aufnahme der Magnete seitlich angeordnet sind;
- 5 eine dreidimensionale Darstellung eines Polrings, bei dem die Magnete parallel zu einer Symmetrieachse ausgerichtet sind;
- 6 einen Polring, bei dem die Magnete radial bezüglich eines Kreisbogens ausgerichtet sind, der sich innerhalb eines ringförmigen Bereichs erstreckt;
- 7 einen Polring, bei dem sich die Ausrichtung der Magnete entlang eines Kreisbogens, der sich innerhalb eines ringförmigen Bereichs erstreckt, sukzessive ändert;
- 8 einen Drehwinkelmesser mit einem Polring und einem Free-Pitch-Sensor;
- 9 einen Free-Pitch-Sensor;
- 10 ein Drehklappenventil mit einer erfindungsgemäßen Drehmomentmesswelle; und
- 11 einen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur berührungslosen Drehwinkelmessung.
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1:
- 1 zeigt eine Schnittansicht eines Polrings 100, wobei der Schnitt in einer Mittelebene des Rings verläuft. Der Polring 100 besteht aus einem Ringbogen 110, der als Ausschnitt aus einem Zylinderring ausgeführt ist. Der Ringbogen 110 verläuft entlang eines ersten Kreisbogens mit einem Mittelpunktswinkel, der ca. 300° beträgt. Der Ringbogen 110 weist Bohrungen 120 zur Aufnahme von Schrauben oder anderen Mitteln zur Befestigung des Ringbogens 110 an einem Drehwinkelmessgerät bzw. einer Drehmomentmesswelle auf.
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Der Ringbogen 110 umfasst eine Mehrzahl von Zylindermagneten 130, die in einem ringförmigen Bereich, der entlang eines Kreisbogens verläuft, angeordnet sind. Sie sind dabei entlang einer elliptischen Bahn 140 angeordnet, die im Rahmen gewisser Toleranzen auch als kreisbogen-, parabel- oder hyperbelförmig beschrieben werden kann. Der Mittelpunkt 160 des ersten Kreisbogens und der Mittelpunkt 170 des Kreisbogens, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt, haben dabei einen Abstand 180 zueinander, der in einigen Ausführungsformen auch verschwinden kann. Die Anordnung der Magnete 130 zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Achse 190 der Magnete 130 in Bezug auf die Achse 195 vom Magneten 130 zum Mittelpunkt des Polrings 100 kontinuierlich ändert.
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Zur Aufnahme der Zylindermagnete 130 verfügt der Ringbogen 110 über passende Öffnungen bzw. Bohrungen 150. Die Magnete 130 sind in die Bohrungen 150 eingelegt und mithilfe von Klippelementen (nicht gezeigt) in den Bohrungen 150 fixiert. Die schraffierten Flächen stellen die Polarisierung der Zylindermagnete 130 dar.
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Der Innendurchmesser des Ringbogens 110 ist an den Außendurchmesser einer Welle angepasst. Die Anpassung des Innendurchmessers hat dabei keine wesentlichen Auswirkungen auf die Position der Zylindermagnete 130, die - ohne eine Verjüngung oder Schwächung der Welle vorzunehmen - ohnehin in einem Bereich außerhalb der Welle angeordnet werden müssen. Eine Anpassung der Magnete an die äußeren Abmessungen der Welle ist ebenfalls nicht erforderlich.
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2:
- 2 zeigt den Feldlinienverlauf 200 des Magnetfelds, das in einem beispielhaft gezeigten Quadranten außerhalb des Ringbogens 110 von den Zylindermagneten 130 im Ringbogen 110 des Polrings 100 erzeugt wird. Das Magnetfeld stellt eine Superposition der Magnetfelder der einzelnen Zylindermagnete 130 dar.
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3:
- 3 zeigt an fünf Positionen entlang eines zweiten Kreisbogens 310 Feldvektoren 300 des Magnetfelds, das von den Zylindermagneten 130 im Ringbogen 110 des Polrings 100 erzeugt wird. Der Mittelpunkt des zweiten Kreisbogens 310 ist dabei gleich dem Mittelpunkt 160 des ersten Kreisbogens. Der Ringbogen 110 ist in einer Draufsicht dargestellt, so dass die Zylindermagnete 130 und Bohrungen 150 nicht zu sehen sind. Dies stellt eine Variante dar. Die Bohrungen 150 bzw. Aussparungen zur Aufnahme der Zylindermagnete 130 können auch zu einer Seite hin bzw. nach oben oder unten offen sein, um z.B. das Einlegen und/oder ein Wechsein der Magnete in dem Ringbogen 110 zu erleichtern.
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Die Zylindermagnete 130 sind so angeordnet, dass sich die Feldvektoren 300 entlang des zweiten Kreisbogens 310 drehen. Die Drehung ist dabei derart gestaltet, dass ein Sensor bzw. Winkelerfassungschip, z.B. ein AMR-Chip, der den Winkel zwischen dem Feldvektor 300 und der radialen Achse des zweiten Kreisbogens 310 bestimmt, eine Drehung der Feldvektoren 300 entlang des zweiten Kreisbogens 310 um insgesamt 180° erfassen würde bzw. 90° bei der Hälfte des zweiten Kreisbogens 310. Entscheidend ist dabei, dass sich der Feldvektor 300 entlang des zweiten Kreisbogens 310 aus Sicht eines Sensors umkehrt oder zumindest nahezu umkehrt. Damit kann der Messbereich eines Sensors zur Erfassung des Feldlinienwinkels vollständig oder zumindest nahezu vollständig ausgeschöpft werden.
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In der gezeigten Ausführungsform sind die Feldvektoren 300 am Anfang und am Ende des zweiten Kreisbogens 310 jeweils in Richtungen ausgerichtet, die tangential zum zweiten Kreisbogen 310 sind. In der Draufsicht bzw. aus Sicht eines externen Beobachters zeigen die Vektoren zwar in unterschiedliche, aber nicht nahezu exakt entgegengesetzte Richtungen. Aus der Sicht eines Sensors, der den Winkel der Feldvektoren 300 bezüglich der radialen Achsen des zweiten Kreisbogens 310 misst bzw. „sieht“, sind die beiden Richtungen jedoch nahezu exakt entgegengesetzt zueinander. In der Mitte des Kreisbogens zeigt der Feldvektor 300 des Magnetfelds konsequenterweise in die radiale Richtung des zweiten Kreisbogens 310.
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Die unterschiedliche Wahrnehmung der Ausrichtung der Feldvektoren 300 ist durch die Wahl des Drehwinkelbereichs bedingt, den der Polring 100 abdeckt. Würde der eingestellte Drehwinkelbereich 180° abdecken, würden Sensor und externer Beobachter die gleiche Ausrichtung bzw. Verdrehung der Feldvektoren 300 feststellen. Da der Drehwinkelbereich jedoch typischerweise kleiner als 180° ist, sieht ein Sensor eine stärker ausgeprägte Drehung der Feldvektoren 300 entlang des zweiten Kreisbogens 310 als ein externer Beobachter.
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Es kann zweckmäßig sein, die Magnete und ihre Positionen bzw. Ausrichtung so zu wählen, dass der von einem Sensor gemessene Feldvektorwinkel- bzw. Feldlinienwinkelverlauf bzgl. des Drehwinkels nicht linear ist sondern an bestimmte Betriebsbedingungen angepasst wird. So kann es sinnvoll sein, die Steigung des Feldlinienwinkelverlaufs in kritischen Bereichen z.B. nahe einer Schließ- oder Anschlagstellung eines Kugel- oder Drehklappenventils zu erhöhen. Dies verbessert die Auflösung der Drehwinkelmessung in diesem Bereich. Erfindungsgemäße Polringe ermöglichen somit eine Anpassung der Zuverlässigkeit einer Steuerung, die die Messergebnisse und/oder Messwerte einer mit entsprechenden Polringen ausgerüsteten Drehwinkelmessung nutzt.
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Durch den kontinuierlichen Verlauf der Drehung der Feldvektoren 300 ist es jederzeit möglich anhand des Winkels zwischen Feldvektor 300 und einer Achse, die durch den Sensor bzw. Chip ausgezeichnet ist, den Drehwinkel einer Welle, an der ein Polring 100 befestigt ist, eindeutig festzustellen. Die Zuordnung eines Drehwinkels zu einem gemessenen Feldvektor- bzw. Feldlinienwinkel erfolgt dabei im Rahmen der Auflösung der Winkelmessung bzw. auftretender Messfehler, z.B. durch Temperaturschwankungen. Ein Speichern der kontinuierlichen Messwerte ist nur für den Zeitraum der Zuordnung notwendig. Ein längeres Vorhalten der Messwerte ist nicht erforderlich. Ein Mitzählen bzw. Speichern von inkrementellen Werten ist für die Drehwinkelmessung ebenso wenig notwendig. Bei einem Störfall, wie z.B. einem Stromausfall oder Neustart des Systems, stehen durch ein erneutes Messen der Ausrichtung des Feldvektors 300 nahezu instantan bzw. ohne nennenswerten Zeitverlust Informationen über die Stellung der Welle zur Verfügung, ohne auf zuvor ermittelte Werte zurückgreifen zu müssen.
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Die Länge der Feldvektoren 300 zeigt an, dass die Feldstärken des Magnetfeldes entlang des zweiten Kreisbogens 310 nur geringe Schwankungen aufweisen bzw. annähernd gleich sind. Dies ist von Bedeutung, damit ein Chip zur Erfassung der Feldvektor- bzw. Feldlinienwinkel immer in magnetischer Sättigung betrieben werden kann und dadurch die Signale bzw. Messergebnisse eines solchen Chips nur vom Feldlinienwinkel des Magnetfelds des Polrings 100 abhängig sind.
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4:
- 4 zeigt eine Seitenansicht des Polrings 100, bei der die seitlich angeordneten Öffnungen bzw. Bohrungen 150 zur Aufnahme der Zylindermagnete 130 in dem Ringbogen 110 sichtbar sind. Die Bohrungen 150 können mithilfe von Stopfen oder Kappen verschlossen werden. Bei geeigneter Länge können derartige Verschlüsse ebenfalls zur Fixierung der Magnete in den Öffnungen bzw. Bohrungen 150 genutzt werden.
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5:
- 5 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Polrings 100.
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6:
- 6 zeigt einen Polring 600 mit einem Ringbogen 610, der ebenfalls als Abschnitt eines Zylinderrings ausgeführt ist. Im Gegensatz zum Ringbogen 110 weist der Ringbogen 610 Aussparungen zur Aufnahme von quaderförmigen Stabmagneten 630 auf einer seiner Deckflächen auf. Die Stabmagnete 630 sind entlang einer elliptischen Bahn 140 in einem ringförmigen Bereich angeordnet, der entlang eines Kreisbogens verläuft, der sich innerhalb eines ringförmigen Bereichs erstreckt. Sie sind radial ausgerichtet, d.h. ihre Achsen ändern sich in Bezug auf die Achse vom Magneten zum Mittelpunkt des Polrings nicht und/oder nur unwesentlich. Das von den Stabmagneten erzeugte Magnetfeld ist dem Magnetfeld eines Polrings 100 sehr ähnlich. Es unterscheidet sich vor allem durch einen anderen Radius des zugehörigen zweiten Kreisbogens.
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7:
- 7 zeigt einen Polring 700 mit einem Ringbogen 710, der ebenfalls als Ausschnitt eines Zylinderrings ausgeführt ist und Aussparungen zur Aufnahme von quaderförmigen Stabmagneten 630 auf einer seiner Deckflächen aufweist, wobei die Stabmagnete 630 entlang einer kreisförmigen Bahn 740 in einem ringförmigen Bereich angeordnet sind, der entlang eines Kreisbogens verläuft. Der Kreisbogen wird dabei von der kreisförmigen Bahn 740 gebildet.
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Im Unterschied zum Ringbogen 610 sind die Aussparungen zur Aufnahme der Stabmagnete 630 nicht radial ausgerichtet. Ihre Ausrichtung ändert sich bezüglich der radialen Achsen des Kreisbogens, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt, inkrementell bzw. sukzessive entlang des Kreisbogens. Dies bedingt eine den Aussparungen folgende Änderung der Ausrichtung der Magnete. Die Summe aller Änderungen entspricht einer Drehung der Ausrichtung der Aussparungen und/oder Magnete mit positivem oder negativem Drehsinn um 180° bzw. nahezu 180°. Die Drehung der Ausrichtung mit positivem oder negativem Drehsinn bezieht sich auf die Ausrichtung in Bezug auf die radialen Achsen des Kreisbogens, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt. In anderen Worten ausgedrückt bezieht sich die Drehung der Ausrichtung der Magnete mit positivem oder negativem Drehsinn auf die Drehung der Ausrichtung der Magnete, die man entlang eines Panoramas, das vom Mittelpunkt des Kreisbogens, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt, aus aufgenommen ist, beobachten würde oder dem Verlauf der Winkel zwischen der Ausrichtung der Magnete und den radialen Achsen des Kreisbogens, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt.
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In diesem Ausführungsbeispiel findet die Drehung der Ausrichtung der Aussparungen und/oder der Magnete in der Ebene des Polrings 700 bzw. des Ringbogens 710 statt. Die zugehörige Drehachse steht orthogonal zu den radialen Achsen des Kreisbogens, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt. Die sukzessive Drehung der Ausrichtung kann jedoch auch in Bezug auf Drehachsen erfolgen, die einen anderen Winkel zu den radialen Achsen des Kreisbogens, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt, haben und sich selbst sukzessive gegeneinander verdrehen.
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Die sukzessiv verdrehten Magnete 630 erzeugen ein Magnetfeld mit Feldvektoren, die sich entlang eines zweiten Kreisbogens um nahezu 180° drehen. Der zweite Kreisbogen hat denselben Radius wie der Kreisbogen, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt. Er ist parallelverschoben in Bezug auf den Kreisbogen, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt, so dass er in einer Ebene oberhalb des Ringbogens 710 liegt. In anderen Ausführungsbeispielen kann der zweite Kreisbogen einen Radius aufweisen, der größer oder kleiner als der Radius des Kreisbogens ist, der sich innerhalb des ringförmigen Bereichs erstreckt. Der zweite Kreisbogen muss dabei nicht notwendigerweise parallelverschoben sein. Er kann auch in der Mittelebene des Polrings 700 liegen.
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Aufgrund der Symmetrie des Magnetfelds gibt es einen weiteren zweiten Kreisbogen unterhalb des Ringbogens 710, der nahezu dieselben Eigenschaften wie der zweite Kreisbogen oberhalb des Ringbogens 710 aufweist. Ein Sensor zur Messung der Magnetfeldrichtung und/der des Feldlinienwinkels kann demnach sowohl ober- als auch unterhalb des Ringbogens 710 angebracht werden. Der Aufbau einer Drehwinkelmessung bzw. ein Drehwinkelmesser und/oder eine Drehmomentmesswelle mit Polringen 700 kann somit kompakter gestaltet werden.
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8:
- 8 zeigt einen Drehwinkelmesser bzw. eine Drehmomentmesswelle 800 mit einer drehbar gelagerten Welle 810, einem Polring 100, 600 oder 700 und einem AMR-Chip 820 zur Feldvektor- bzw. Feldlinienwinkelerfassung, wobei der AMR-Chip 820 als Free-Pitch-Sensor ausgeführt ist. Der Winkel wird von dem AMR-Chip 820 an seinem sensitiven Punkt, der sich in diesem Beispiel in der Chipmitte befindet, erfasst. Der Chip muss deshalb so angeordnet werden, dass sich sein sensitiver Punkt auf dem zweiten Kreisbogen 310 des Polrings 100, 600 oder 700 befindet. Der Free-Pitch-Chip 820 ist gehäusefest auf einer Leiterplatte 830 montiert, während sich die Welle 810, an der der Polring 100, 600 oder 700 befestigt ist, um ihre Mittelachse dreht.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden 9 Zylindermagnete 130 verwendet. In einer Ausführungsform hat der Polring 100, 600 oder 700 einen Innendurchmesser von 60 mm und einen Außendurchmesser von 80 mm. Der Kreisdurchmesser für die Mitte des AMR-Chips 820 ist 86 mm.
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In einem anderen, nicht gezeigten Beispiel werden 7 Zylindermagnete 130 verwendet. Der Polring 100, 600 oder 700 hat dabei einen Innendurchmesser von 40 mm und einen Außendurchmesser von 58 mm. Der Kreisdurchmesser für die Mitte des AMR-Chips 820 beträgt 66 mm.
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Die Feldlinienwinkelverdrehung entlang des zweiten Kreisbogens 310 bzw. der Kreisbahn, auf der sich der Chip befindet, ist in beiden Beispielen die Gleiche. Sie hängt nicht von der speziellen Wahl der Radien bzw. Durchmesser ab. Auch die Feldstärken sind annähernd gleich, so dass der Chip 820 immer in magnetischer Sättigung betrieben werden kann.
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Die Anzahl der Magnete kann je nach Bedarf angepasst werden. Sie ergibt sich z.B. aufgrund der relativen Größe zwischen den Abmessungen einer Welle 810 und/oder eines drehbar gelagerten Bauteils und den zu verwendenden Magneten. Auf diese Weise können unterschiedliche Magnete eingesetzt werden, die z.B. ein Standardmaß aufweisen, kostengünstig sind oder sich durch andere Eigenschaften z.B. durch ihre Feldstärke bzw. Remanenz, die ihn ihnen gespeicherte Feldenergie, ihr Entmagnetisierungsverhalten bzw. Koerzitivfeldstärke und/oder ihre Temperaturbeständigkeit auszeichnen.
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9:
- 9 zeigt den sensitiven Punkt 900 eines AMR-Chips 820. Der Chip 820 misst an seinem sensitiven Punkt 900 den Winkel 910 zwischen einer vom Chip 820 ausgezeichneten Achse 920 und einem Feldvektor 930 eines externen Magnetfelds, das den Chip durchdringt. Die Messung des Winkels 910 hängt in der Regel nicht von der Feldstärke des Magnetfelds ab, insbesondere wenn der Chip in Sättigung betrieben wird.
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10:
- 10 zeigt ein Drehklappenventil 1000 mit einer Drehklappe 1010, einer Welle 810, einem Drehwinkelmesser 800 und einem Antrieb 1020. Das Ventil ist in einer Schließstellung dargestellt. Der Antrieb 1020 dreht die Drehklappe 1010 zum Öffnen und Schließen des Ventils. Die Stellung der Drehklappe 1010 wird dabei vom Drehwinkelmesser 800 mithilfe einer berührungslosen Drehwinkelmessung erfasst. Das Ergebnis der Drehwinkelmessung hängt dabei allein von der Stellung der Drehklappe 1010 ab. Die Stellung kann zu jedem Zeitpunkt, in der das Ventil in Betrieb ist, nahezu instantan abgefragt und erfasst werden, ohne auf Werte bzw. Daten zurückgreifen zu müssen, die vor der Anfrage zur Erfassung der Stellung der Drehklappe 1010 erfasst und gespeichert wurden.
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11:
- 11 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens 1100 zur berührungslosen Drehwinkelmessung. In einem ersten Schritt 1110 wird ein Polring 100, 600 oder 700 und ein Winkelerfassungschip bzw. Sensor 820 zur Verfügung gestellt. Der bereitgestellte Polring 100, 600 oder 700 wird in einem nächsten Schritt 1120 an einem drehbar gelagerten Bauteil und/oder Welle 810 montiert. Der Sensor wird ebenfalls in Schritt 1120 gehäusefest montiert und dabei so angeordnet, dass sein sensitiver Punkt auf dem zweiten Kreisbogen 310 des Polrings 100, 600 oder 700 liegt. Bei einer Drehung bzw. Drehbewegung des drehbar gelagerten Bauteils und/oder der Welle 810 dreht sich der Polring 100, 600 oder 700 und das von ihm erzeugte Magnetfeld. Der Sensor bzw. Chip erfasst die Drehung des Magnetfelds, und damit auch die Drehung des drehbar gelagerten Bauteils und/oder der Welle 810, mithilfe des Feldlinienwinkels 910, den er in Bezug auf seine Achse 920 misst. Der vom Chip erfasste Feldlinienwinkel wird in einen Drehwinkel umgesetzt und als Ausgangssignal ausgegeben.
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Der gemessene Feldlinienwinkel kann z.B. von einem Microcontroller, der im Chip integriert ist oder sich auf einer Leiterplatte 830 befindet, zu einem Drehwinkel verrechnet werden. Die Verrechnung kann dabei auf einen linearen Zusammenhang zwischen Feldlinienwinkel und Drehwinkel beruhen. Dabei können auch nichtlineare Zusammenhänge berücksichtigt werden, wie z.B. ein steilerer Verlauf des Feldlinienwinkel-Drehwinkel-Verlaufs nahe der Schließstellung eines Ventils 1000.
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Die Form des Magnetfelds ist durch die Anordnung und Eigenschaften der Magnete bestimmt und ändert sich beim Einsatz von Dauermagneten auch bei einem längeren Betrieb nur unwesentlich. Die Drehwinkelmessung muss deshalb nur einmal eingerichtet werden und erfordert dabei in vielen Fällen keine Kalibrierungsschritte, um die tatsächliche Ausrichtung des Magnetfelds zu überprüfen. Dies kann anhand der geometrischen Form des Polrings 100, 600 oder 700 erfolgen. Gegebenenfalls können Markierungen am Ringbogen 110, 610 oder 710 des Polrings 100, 600 oder 700 angebracht werden, um die korrekte Ausrichtung in Bezug auf einen Magnetfeldwinkelerfassungschip 820 zu unterstützen.
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Glossar
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Axiale Magnetisierung eines rotationssymmetrischen Magneten
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Eine axiale Magnetisierung eines rotationssymmetrischen Magneten stellt eine Ausrichtung der Magnetisierungsrichtung entlang der Symmetrieachse des Magneten dar. Rotationssymmetrische Magnete sind z.B. Zylinder-, Ring-, Scheiben- oder zylinderförmige Stabmagneten.
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Deckfläche eines Zylinders, einer Scheibe, eines Rings oder zylinderförmigen Stabes
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Eine Deckfläche eines Zylinders, einer Scheibe, eines Rings oder zylinderförmigen Stabes ist eine Fläche, die den Zylinder, die Scheibe, den Ring oder zylinderförmigen Stab nach oben oder unten hin abschließt. Die obere und untere Deckfläche bilden zusammen mit der Mantelfläche die Oberfläche eines Zylinders, einer Scheibe oder eines zylindrischen Stabes. Die Oberfläche eines Rings besteht aus der inneren und äußeren Mantelfläche sowie der oberen und unteren Deckfläche.
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Diametrale Magnetisierung eines rotationssymmetrischen Magneten
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Eine diametrale Magnetisierung eines rotationssymmetrischen Magneten beschreibt eine Ausrichtung der Magnetisierungsrichtung orthogonal zur Symmetrieachse des Magneten.
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Drehklappe
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Eine Drehklappe oder Absperrklappe ist in vielen Fällen ein scheibenförmig ausgeführtes Bauteil, das zum Verschließen einer Rohrleitung verwendet wird. Eine scheibenförmig ausgeführte Drehklappe verschließt eine Rohrleitung, wenn ihre Mantelflächen an den Wänden einer Rohrleitung dicht anliegen. Zum Öffnen der Rohrleitung für den Durchfluss von Stoffströmen wird die Drehklappe gedreht. Der maximale Durchfluss wird in der Regel erreicht, wenn die Drehklappe um einen Drehwinkel von 90° bezüglich ihrer Schließstellung gedreht wurde. Je nach Bauform, Wahl der Dichtungsmittel bzw. durch Anschlag-, Setzeffekte, usw. kann der Drehwinkelbereich von einer Schließstellung bis zu einer maximalen Öffnungsstellung auch größer oder kleiner als 90° sein. Drehklappen können scheibenförmige aber auch andere Querschnitte aufweisen.
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Drehwinkel
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Ein Drehwinkel ist ein Winkel, der die Amplitude einer Drehung beschreibt. Ein Drehwinkel von 360° beschreibt eine vollständige Umdrehung. Eine Drehung eines Vektors um einen Drehwinkel von 90° ergibt einen Vektor, der orthogonal zu der Richtung ist, in die der Vektor vor der Drehung gezeigt hat.
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Kreisbogen
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Ein Kreisbogen stellt einen Abschnitt eines Kreises dar, der durch zwei unterschiedliche Punkte auf dem Kreis festgelegt wird. Die festlegenden Punkte bilden den Anfang bzw. das Ende des Kreisbogens.
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Ebene eines Kreisbogens
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Eine Ebene eines Kreisbogens bezeichnet eine Ebene, in der der Kreis liegt, aus dem der Kreisbogen ausgeschnitten ist.
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Kugelklappe
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Eine Kugelklappe ist eine Kugel, die in vielen Fällen einen zylindrischen Ausschnitt aufweist. Kugelklappen werden zum Verschließen von Rohrleitungen verwendet, die zu diesem Zweck oft entsprechend verformt bzw. ausgebuchtet sind. Eine Kugelklappe verschließt eine Rohrleitung, wenn der zylindrische Ausschnitt senkrecht zu den Wänden der Rohrleitung steht. Zum Öffnen der Rohrleitung für den Durchfluss von Stoffströmen wird die Kugelklappe gedreht. Der maximale Durchfluss wird in der Regel erreicht, wenn die Kugelklappe um einen Drehwinkel von 90° bezüglich ihrer Schließstellung gedreht wurde. Je nach Bauform, Form des Ausschnitts bzw. durch Anschlag-, Setzeffekte, usw. kann der Drehwinkelbereich von einer Schließstellung bis zu einer maximalen Öffnungsstellung auch größer oder kleiner als 90° sein.
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Magnetfeldrichtung
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Eine Magnetfeldrichtung ist eine Richtung, die durch den Feldvektor eines Magnetfelds an einem Punkt ausgezeichnet wird, an dem das Magnetfeld wirkt.
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Magnetisierungsrichtung
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Eine Magnetisierungsrichtung ist eine Richtung, die die Ausrichtung der Pole eines Magneten beschreibt. Die Magnetisierungsrichtung z.B. eines Dipolmagneten zeigt vom Nord- zum Südpol des Magneten, d.h. in vielen Fällen vom Schwerpunkt des Nordpols zum Schwerpunkt des Südpols.
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Mantelfläche
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Eine Mantelfläche ist eine Fläche, die die seitliche Fläche eines Zylinders, einer Scheibe, eines Rings oder zylinderförmigen Stabes darstellt. Die Mantelfläche eines Zylinders, einer Scheibe oder eines zylinderförmigen Stabes stellt zusammen mit der oberen und unteren Deckfläche die Oberfläche des Zylinders, der Scheibe oder des zylinderförmigen Stabes dar. Ein Ring weist eine innere und eine äußere Mantelfläche auf, die zusammen mit der oberen und unteren Deckfläche des Rings die Oberfläche des Rings bilden.
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Mittelpunkt eines Kreisbogens
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Ein Mittelpunkt eines Kreisbogens ist der Mittelpunkt des Kreises, aus dem der Kreisbogen ausgeschnitten ist.
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Mittelpunktswinkel eines Kreisbogens
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Ein Mittelpunktswinkel eines Kreisbogens ist ein Winkel, der durch den Winkel zwischen den radialen Achsen des Kreisbogens gegeben ist, die durch den Anfangs- und Endpunkt des Kreisbogens verlaufen. Der Mittelpunktswinkel eines Kreisbogens ist immer größer als 0° und kleiner als oder gleich 360°.
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radiale Achse eines Kreisbogens
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Eine radiale Achse eines Kreisbogens bezeichnet eine Achse, die durch den Mittelpunkt des Kreisbogens und einen Punkt auf dem Kreisbogen verläuft.
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Ringbogen
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Ein Ringbogen ist ein ringförmiger Bogen. Ringbögen stellen in vielen Fällen Ausschnitte von Zylinderringen dar. Sie können entlang kreis-, ellipsen-, parabel- oder hyperbelförmiger Bahnen verlaufen.
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Sensormanschette
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Eine Sensormanschette ist eine Manschette bzw. Ummantelung eines Gegenstands, die einen Sensor oder ein Messgerät zur Erfassung einer Eigenschaft des Gegenstands aufweist.
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Tangente eines Kreisbogens
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Eine Tangente eines Kreisbogens ist eine Achse, die durch einen Punkt auf dem Kreisbogen verläuft, orthogonal zur radialen Achse des Kreisbogens an diesem Punkt ist und in der Ebene des Kreisbogens liegt.
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Welle
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Eine Welle ist ein längliches meist zylinder- oder rohrförmiges Element, das Drehbewegungen und Drehmomente zwischen Teilen weiterleitet bzw. überträgt, die mit ihr fest verbunden sind. Wellen sind drehbar gelagert. Sie unterscheiden sich von Achsen, auf denen Teile lediglich drehbar gelagert werden, ohne Drehmomentübertragung.
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Zylindermagnet
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Ein Zylindermagnet ist ein Magnet, der die Form eines Zylinders bzw. senkrechten Kreiszylinders hat.
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Zylinderring
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Ein Zylinderring bezeichnet ein Volumen zwischen zwei koaxial angeordneten zylindrischen Mantelflächen, das von einer oberen und einer unteren Kreisringfläche abgeschlossen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Polring
- 110
- Ringbogen
- 120
- Bohrung zur Aufnahme von Befestigungsmitteln
- 130
- Zylindermagnet
- 140
- elliptische Bahn
- 150
- Bohrung zur Aufnahme der Magnete 130
- 160
- Mittelpunkt eines ersten Kreisbogens
- 170
- Mittelpunkt eines Kreisbogens, der sich innerhalb eines ringförmigen Bereichs erstreckt
- 180
- Abstand
- 190
- Magnetisierungsachse eines Magneten 130
- 195
- Achse vom Mittelpunkt eines Magneten 130 zum Mittelpunkt des Polrings 100
- 200
- Feldlinienverlauf
- 300
- Magnetfeldvektor
- 310
- zweiter Kreisbogen
- 600
- Polring
- 610
- Ringbogen
- 630
- Stabmagnet
- 700
- Polring
- 710
- Ringbogen
- 740
- kreisförmige Bahn
- 800
- Drehwinkelmesser und/oder Drehmomentmesswelle
- 810
- Welle
- 820
- AMR-Chip
- 830
- Leiterplatte
- 900
- Sensitiver Punkt
- 910
- Winkel
- 920
- ausgezeichnete Richtung
- 930
- Feldvektor
- 1000
- Drehklappenventil
- 1010
- Drehklappe
- 1020
- Antrieb
- 1100
- Ablaufplan eines Verfahrens zur Drehwinkelmessung
- 1110
- Bereitstellen eines Polrings 100, 600 oder 700 und eines Sensors 820
- 1120
- Montage des Polrings 100, 600 oder 700 und des Sensors 820
- 1130
- Messung des Drehwinkels
- 1140
- Ausgabe des Drehwinkels
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zitierte Literatur
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zitierte Patentliteratur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0861417 B1 [0004, 0121]
- EP 0979988 B1 [0004, 0121]
- EP 1071919 B1 [0004, 0009, 0121]
- DE 112006000444 B4 [0008, 0121]
- DE 102014019547 B3 [0009, 0121]
