DE102019213174B3 - Induktiver winkelsensor - Google Patents

Abstract

Die Offenbarung bezieht sich auf einen induktiven Winkelsensor (100) zum Bestimmen einer Drehposition eines Rotors (120) relativ zu einem Stator (110). Der induktive Winkelsensor (100) kann eine Erregerspule (113), zumindest eine Aufnahmespulenanordnung (111) mit einer m-fachen Symmetrie und zumindest ein leitfähiges Ziel (121) mit einer m-fachen Symmetrie aufweisen. Die Erregerspule (113) kann das leitfähige Ziel (121) erregen, das wiederum ein induziertes Signal (Si1) in der Aufnahmespulenanordnung (111) induzieren kann. Eine Signalanalysevorrichtung (140) kann die Drehposition des Rotors (130) basierend auf dem induzierten Signal (Si1) bestimmen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das zumindest eine leitfähige Ziel (121) astatisch sein. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der induktive Winkelsensor (100) eine zweite Aufnahmespulenanordnung (112) mit einer n-fachen Symmetrie und ein zweites leitfähiges Ziel (122) mit einer n-fachen Symmetrie aufweisen, die optional ebenfalls astatisch sein kann. Die Erregerspule (113) kann das zweite leitfähige Ziel (122) erregen, das wiederum ein zweites induziertes Signal (Si2) in der zweiten Aufnahmespulenanordnung (112) induzieren kann. Die Signalanalysevorrichtung (140) kann die Drehposition des Rotors (130) basierend auf den zwei induzierten Signalen (Si1, Si2) gemäß einem Vernier-Prinzip bestimmen.

Description

• ALLGEMEINE BESCHREIBUNG
• Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf einen induktiven Winkelsensor, der einen Rotor und einen Stator aufweist, wobei eine relative Drehverschiebung zwischen dem Rotor und dem Stator unter Verwendung eines induktiven Prinzips bestimmt werden kann. Einige beispielhafte Ausführungsbeispiele können sich auf bestimmte geometrische Symmetrien von einem oder mehreren Zielen beziehen, die in dem Rotor enthalten sind, und einige beispielhafte Ausführungsbeispiele können sich auf astatische Anordnungen beziehen, die in dem Stator und/oder dem Rotor enthalten sind.
• TECHNISCHER HINTERGRUND
• Induktive Positionssensoren im Allgemeinen können zum Bestimmen einer relativen Verschiebung zwischen zwei Baugliedern verwendet werden, die relativ zueinander bewegbar sind, wobei die Bestimmung der relativen Verschiebung auf dem Prinzip der elektrischen Induktion basiert. Beispielsweise können induktive Winkelsensoren eine relative lineare Verschiebung oder eine relative Drehverschiebung zwischen zwei Baugliedern bestimmen. In dem letzteren Fall kann ein erstes Bauglied einen Stator aufweisen und ein zweites Bauglied kann einen Rotor aufweisen, der relativ zu dem Stator drehbar ist.
• Um das elektrische Induktionsprinzip zu nutzen, kann der Stator eine Erregerspule aufweisen, die mit Wechselstrom gespeist wird. Entsprechend erzeugt der Stator ein magnetisches Wechselfeld. Der Rotor kann eine Zielspule aufweisen, wobei das magnetische Wechselfeld Wirbelströme in der Zielspule induziert, was zu einem Magnetfluss führt. Ferner weist der Stator eine Aufnahmespule auf. Der oben erwähnte Magnetfluss induziert einen Induktionsstrom in der Aufnahmespule. Phase und Betrag des Induktionsstroms hängen von der relativen Position zwischen dem Rotor und dem Stator ab. Somit kann eine relative Winkelverschiebung zwischen dem Rotor und dem Stator von der Phase und dem Betrag des gemessenen Induktionsstroms abgeleitet werden.
• Diese induktiven Winkelsensoren sind relativ widerstandsfähig gegenüber Umwelteinflüssen, z. B. können dieselben auch in staubigen und rauen Bedingungen nach wie vor gut funktionieren. Ferner können dieselben eine gute Anzeige der relativen Winkelverschiebung zwischen dem Rotor und dem Stator liefern. Dieselben können jedoch anfällig sein für Störungen mit äußeren Magnetfeldern. Ferner kann es sein, dass dieselben in Bezug auf ihren Winkelmessbereich nur eine begrenzte Auflösung haben. Außerdem kann die Beziehung zwischen der Phase und dem Betrag des gemessenen Induktionsstroms über eine volle Umdrehung von 360° mehrdeutig sein. Das heißt, bestimmte Wertepaare (Phase, Betrag) können über eine volle Umdrehung von 360° mehr als einmal auftreten, was die Bestimmung der Winkelverschiebung mehrdeutig macht, da dieselbe eine Unsicherheit bezüglich der bestimmten Winkelverschiebung hervorruft.
• Somit wäre es wünschenswert, induktive Winkelsensoren zu verbessern, so dass dieselben eine genaue hohe Auflösung der Winkelverschiebung liefern, widerstandsfähig sind gegenüber äußeren Magnetfeldern und eine eindeutige Messung der Winkelverschiebung zwischen dem Rotor und dem Stator liefern.
• Somit wird es vorgeschlagen, einen induktiven Winkelsensor zu schaffen, der die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 aufweist, und einen induktiven Winkelsensor zu schaffen, der die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 19 aufweist. Weitere beispielhafte und bevorzugte Ausführungsbeispiele werden in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
• Ein erster Aspekt bezieht sich auf einen induktiven Winkelsensor, der einen Stator und einen Rotor aufweist, die um eine Drehachse herum relativ zueinander drehbar sind. Der Stator kann eine Erregerspule, eine erste Aufnahmespulenanordnung und eine zweite Aufnahmespulenanordnung aufweisen. Die erste Aufnahmespulenanordnung kann eine m-fache Symmetrie aufweisen. Die zweite Aufnahmespulenanordnung kann eine n-fache Symmetrie aufweisen. Die m-fache und die n-fache Symmetrie werden nachfolgend näher beschreiben. Gemäß diesem Aspekt können sich jedoch die Ganzzahlen m und n voneinander unterscheiden und haben keinen gemeinsamen Teiler außer 1. Der Rotor kann eine Zielanordnung aufweisen, die ein erstes leitfähiges Ziel und ein zweites leitfähiges Ziel aufweist. Das erste und das zweite leitfähige Ziel können entlang der Drehachse vertikal aufeinandergestapelt sein. Das erste leitfähige Ziel kann eine m-fache Symmetrie aufweisen, die der m-fachen Symmetrie der ersten Aufnahmespulenanordnung entspricht. Das zweite leitfähige Ziel kann eine n-fache Symmetrie aufweisen, die der n-fachen Symmetrie der zweiten Aufnahmespulenanordnung entspricht. Die Erregerspule kann mit einem Wechselstrom erregbar sein. Der Wechselstrom kann in dem ersten leitfähigen Ziel einen ersten Induktionsstrom induzieren, was zu einem Magnetfluss mit einer Periodizität von 360°/m führt. Der Wechselstrom kann ferner in dem zweiten leitfähigen Ziel einen zweiten Induktionsstrom induzieren, was zu einem zweiten Magnetfluss mit einer Periodizität von 360°/n führt. Der erste Magnetfluss mit der Periodizität von 360°/m kann in der ersten Aufnahmespulenanordnung, die die m-fache Symmetrie aufweist, ein erstes induziertes Signal induzieren, und der zweite Magnetfluss mit der Periodizität von 360°/n kann in der zweiten Aufnahmespulenanordnung, die die n-fache Symmetrie aufweist, ein zweites induziertes Signal induzieren. Der induktive Winkelsensor kann ferner eine Signalanalysevorrichtung aufweisen zum Bestimmen einer Drehposition des Rotors basierend auf dem ersten und dem zweiten induzierten Signal.
• Ein zweiter Aspekt bezieht sich auf einen induktiven Winkelsensor, der einen Stator und einen Rotor aufweist, die entlang einer Drehachse relativ zueinander drehbar bewegbar sind. Der Stator kann eine Erregerspule und zumindest eine Aufnahmespulenanordnung aufweisen, die eine m-fache Symmetrie aufweist. Der Rotor kann eine Sekundärspule und eine Zielanordnung aufweisen, die zumindest ein erstes leitfähiges Ziel aufweist, das eine m-fache Symmetrie aufweist, die der m-fachen Symmetrie der zumindest einen Aufnahmespulenanordnung entspricht. Die Erregerspule kann mit einem Wechselstrom zum induktiven Koppeln eines Induktionsstroms in der Sekundärspule erregbar sein. Die Sekundärspule kann mit der Zielanordnung elektrisch gekoppelt sein und insbesondere mit dem ersten leitfähigen Ziel, so dass der Induktionsstrom zu einem Magnetfluss mit einer Periodizität von 360°/m in dem ersten leitfähigen Ziel führt. Der Magnetfluss mit der Periodizität von 360°/m kann in zumindest einer Aufnahmespulenanordnung, die die m-fache Symmetrie aufweist, ein induziertes Signal induzieren. Der induktive Winkelsensor kann ferner eine Signalanalysevorrichtung zum Bestimmen einer Drehposition des Rotors basierend auf dem induzierten Signal aufweisen. Gemäß diesem Aspekt kann das erste leitfähige Ziel astatisch sein.
• Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
• 1 zeigt ein Blockdiagramm eines induktiven Winkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel,
• 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Stator, der eine Erregerspule, eine erste Aufnahmespulenanordnung und eine zweite Aufnahmespulenanordnung aufweist,
• 3A zeigt ein schematisches Diagramm zum Bestimmen eines Phasenwinkels eines induzierten Signals,
• 3B zeigt ein schematisches Diagramm eines Drehwinkels, der von dem Phasenwinkel von 3A berechnet wird,
• 4 zeigt ein schematisches Diagramm von Spulen, die in einem induktiven Winkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet werden,
• 5 zeigt ein schematisches Diagramm einer Berechnung eines Drehwinkels basierend auf einer Differenz des ersten und zweiten induzierten Signals,
• 6 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine astatische Aufnahmespulenanordnung, wobei eine Aufnahmespule auf einer ersten Seite eines Substrats angeordnet ist und eine zweite Aufnahmespule auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Substrats angeordnet ist,
• 7A-7C zeigen schematische Draufsichten eines Stators mit einer Erregerspule und radial angeordneter erster und zweiter Aufnahmespulenanordnung,
• 8 zeigt eine schematische Ansicht eines induktiven Winkelsensors, der eine astatische Zielanordnung mit einem ersten leitfähigen Ziel aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel,
• 9 zeigt eine schematische Ansicht eines induktiven Winkelsensors, der eine astatische Zielanordnung mit einem ersten und einem zweiten leitfähigen Ziel aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel und
• 10 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Winkelsensors, der eine zusätzliche Schaltung auf dem Stator aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• BESCHREIBUNG DER FIGUREN
• Gleiche oder gleichartige Elemente oder Elemente mit gleicher oder gleichartiger Funktionalität werden in der folgenden Beschreibung durch gleiche oder gleichartige Bezugszeichen bezeichnet.
• Verfahrensschritte, die durch ein Blockdiagramm dargestellt sind und die mit Bezugnahme auf das Blockdiagramm beschrieben sind, können auch in einer Reihenfolge ausgeführt werden, die sich von der dargestellten und/oder beschriebenen Reihenfolge unterscheidet. Ferner können Verfahrensschritte, die ein bestimmtes Merkmal einer Vorrichtung betreffen, mit dem Merkmal der Vorrichtung austauschbar sein und umgekehrt.
• Als Einführung in die hierin beschriebenen Prinzipien folgt eine kurze Definition des Begriffs „k-fache Symmetrie“: Eine Form kann eine k-fache Symmetrie haben, wenn dieselbe um eine Achse um 360°*x/k gedreht werden kann (wobei x eine beliebige Ganzzahl ist), so dass dieselbe gleich aussieht.
• 1 zeigt ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines induktiven Winkelsensors 100 gemäß einem ersten Aspekt. Der induktive Winkelsensor 100 kann einen Stator 110 und einen Rotor 120 aufweisen, die um eine Drehachse 130 herum relativ zueinander drehbar bewegbar sind.
• Der Stator 110 kann eine Erregerspule 113 (rot), eine erste Aufnahmespulenanordnung 111 (dunkelblau) und eine zweite Aufnahmespulenanordnung 112 (cyan) aufweisen. Die erste Aufnahmespulenanordnung 111 kann eine m-fache Symmetrie aufweisen, d.h., dieselbe kann um 360°*x/m um die Drehachse 130 gedreht werden (wobei x eine beliebige Ganzzahl ist), so dass dieselbe gleich aussieht. Die zweite Aufnahmespulenanordnung 112 kann eine n-fache Symmetrie aufweisen, d.h., dieselbe kann um 360°*x/n um die Drehachse 130 gedreht werden (wobei x eine beliebige Ganzzahl ist), so dass dieselbe gleich aussieht.
• In dem nicht beschränkenden Beispiel, wie es in 1 dargestellt ist, kann die erste Aufnahmespulenanordnung 111 (dunkelblau) eine 3-fache Symmetrie aufweisen, während die zweite Aufnahmespulenanordnung 112 (cyan) eine 4-fache Symmetrie aufweisen kann.
• Gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Prinzip unterscheiden sich die Variablen m und n voneinander und dieselben haben keinen gemeinsamen Teiler außer 1. Wie es nachfolgend näher beschrieben wird, ist dies eine wichtige Information, da dies einer der Gründe ist, weshalb die erste Aufnahmespulenanordnung 111 und die zweite Aufnahmespulenanordnung 112 einander nicht oder kaum stören. Beispielsweise, m = n + 1.
• Die Erregerspule 113 kann einen ringförmigen und insbesondere runden oder einen kreisförmigen Umriss aufweisen. Die Erregerspule 113 kann auf dem Stator 110 koaxial mit der Drehachse 130 angeordnet sein. Die erste Aufnahmespulenanordnung 111 und die zweite Aufnahmespulenanordnung 112 können auch einen Umriss aufweisen, der im Allgemein ringförmig ist und insbesondere rund oder kreisförmig, was optional Einkerbungen oder Öffnungen 151 aufweisen kann, die sich zu der Drehachse 130 erstrecken. Die erste und zweite Aufnahmespulenanordnung 111, 112 können auf dem Stator 110 koaxial mit der Drehachse 130 angeordnet sein.
• Der Rotor 120 kann eine Zielanordnung 123 aufweisen. Die Zielanordnung 123 kann ein erstes leitfähiges Ziel 121 (dunkelblau) und ein zweites leitfähiges Ziel 122 (cyan) aufweisen. Das erste und das zweite leitfähige Ziel 121, 122 können entlang der Drehachse 130 vertikal aufeinandergestapelt sein. Das erste leitfähige Ziel 121 kann eine m-fache Symmetrie aufweisen, die der m-fachen Symmetrie der ersten Aufnahmespulenanordnung 111 entspricht. Das zweite leitfähige Ziel 122 kann eine n-fache Symmetrie aufweisen, die der n-fachen Symmetrie der zweiten Aufnahmespulenanordnung 112 entspricht. Wie es nachfolgend näher beschrieben ist, ist dies ist eine wichtige Information, da dies einer der Gründe ist, weshalb das erste leitfähige Ziel 121 und das zweite leitfähige Ziel 122 einander nicht oder kaum stören und auch einer der Gründe, weshalb das erste leitfähige Ziel 121 die erste Aufnahmespulenanordnung 111 stören kann, aber (beinahe) nicht die zweite Aufnahmespulenanordnung 112 und weshalb das zweite leitfähige Ziel 122 die zweite Aufnahmespulenanordnung 112 stören kann, aber (beinahe) nicht die erste Aufnahmespulenanordnung 111.
• In dem nicht begrenzenden Beispiel, wie es in 1 dargestellt ist, kann das erste leitfähige Ziel 121 (dunkelblau) eine 3-fache Symmetrie aufweisen, während das zweite leitfähige Ziel 122 (cyan) eine 4-fache Symmetrie aufweisen kann.
• Das erste leitfähige Ziel 121 und das zweite leifähige Ziel 122 können auch einen Umriss umfassen, der allgemein ringförmig ist und insbesondere rund oder kreisförmig, was optional Einkerbungen oder Öffnungen 150 aufweisen kann, die sich zu der Drehachse 130 hin erstrecken. Das erste und das zweite leitfähige Ziel 121, 122 können auf dem Rotor 120 koaxial mit der Drehachse 130 angeordnet sein.
• Die Erregerspule 113 kann mit einem Wechselstrom /_AC gespeist werden. Der Wechselstrom /_AC kann einen ersten Induktionsstrom in dem ersten leitfähigen Ziel 121 induzieren, was zu einem ersten Magnetfluss mit einer Periodizität von 360°/m führt. Ferner kann der Wechselstrom /_AC einen zweiten Induktionsstrom in dem zweiten leitfähigen Ziel 122 induzieren, was zu einem zweiten Magnetfluss mit einer Periodizität von 360°/n führt.
• Der erste Magnetfluss mit der Periodizität von 360°/m kann ein erstes induziertes Signal S_i1 in der ersten Aufnahmespulenanordnung 111 mit der m-fachen Symmetrie induzieren. Der zweite Magnetfluss mit der Periodizität von 360°/n kann ein zweites induziertes Signal S_i2 in der zweiten Aufnahmespulenanordnung 112 mit der n-fachen Symmetrie induzieren.
• Der induktive Winkelsensor 100 kann ferner eine Signalanalysevorrichtung 140 zum Bestimmen einer Drehposition des Rotors 120 relativ zu dem Stator 110 aufweisen, basierend auf dem ersten und zweiten induzierten Signal S_i1 , S_i2 .
• Wie oben erwähnt basiert das vorliegende innovative Prinzip auf der Erkenntnis, dass das erste leitfähige Ziel 121 die erste Aufnahmespulenanordnung 111 stören kann und das erste induzierte Signal S_i1 in der ersten Aufnahmespulenanordnung 111 induzieren kann. Das erste leitfähige Ziel 121 kann jedoch die zweite Aufnahmespulenanordnung 112 (beinahe) nicht stören und kann daher keine relevanten induzierten Signale in der zweiten Aufnahmespulenanordnung 112 induzieren. Gleichzeitig kann das zweite leitfähige Ziel 122 die zweite Aufnahmespulenanordnung 112 stören und kann das zweite induzierte Signal S_i2 in der zweiten Aufnahmespulenanordnung 112 induzieren. Das zweite leitfähige Ziel 122 kann jedoch die erste Aufnahmespulenanordnung 111 (beinahe) nicht stören und kann daher keine relevanten induzierten Signale in der ersten Aufnahmespulenanordnung 111 induzieren.
• Dies liegt daran, dass die erste Aufnahmespulenanordnung 111 und das erste Ziel 121 die gleiche m-fache Symmetrie aufweisen können, während die zweite Aufnahmespulenanordnung 112 und das zweite Ziel 122 die gleiche n-fache Symmetrie aufweisen können, wobei sich die Ganzzahlen m und n voneinander unterscheiden und keinen gemeinsamen Teiler außer 1 haben.
• Wie oben erwähnt kann die Erregerspule 113 mit einem Wechselstrom oder beziehungsweise einer Wechselspannung gespeist werden. Beispielsweise kann die Erregerspule 113 mit einer sinusförmigen Wechselspannung mit einer Frequenz f₀ gespeist werden. Diese Frequenz f₀ kann als eine Trägerfrequenz bezeichnet werden. Die Trägerfrequenz f₀ kann beispielsweise Werte zwischen 100 kHz und 10 MHz aufweisen, z. B. 4 MHz ±10%.
• Die induzierten Signale S_i1 , S_i2 können amplitudenmodulierte Trägerfrequenzsignale sein, die die folgende Form haben können: Upickup(t) = A*(1+a*sin(m*phi))*sin(2*pi*f0*t). Der Modulationsfaktor a kann von der Geometrie der Anordnung abgeleitet sein, während phi der Drehwinkel zwischen den Aufnahmespulen 111, 112 und den leitfähigen Zielen 121, 122 ist, wenn beide eine Periode von 360°/m aufweisen.
• In einem zusammengesetzten Zustand des induktiven Winkelsensors 100 können die Erregerspule 113, die erste und die zweite Aufnahmespulenanordnung 111, 112 und das erste und zweite leitfähige Ziel 121, 122 koaxial mit der Drehachse 130 angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ können die Erregerspule 113, die erste und zweite Aufnahmespulenanordnung 111, 112 und das erste und das zweite leitfähige Ziel 121, 122 entlang der Drehachse 130 übereinander angeordnet sein, so dass dieselben entlang der Drehachse 130 gesehen, d.h., von oben oder von unten gesehen, einander überlappen.
• Die erste Aufnahmespulenanordnung 111 und das erste leitfähige Ziel 121 können einen gleichen Durchmesser aufweisen. Die zweite Aufnahmespulenanordnung 112 und das zweite leitfähige Ziel 122 können einen gleichen Durchmesser aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können alle der ersten und zweiten Aufnahmespulenanordnung 111, 112 sowie des ersten und zweiten leitfähigen Ziels 121, 122 den gleichen Durchmesser aufweisen. Die Erregerspule 113 kann einen Durchmesser aufweisen, der etwas größer ist als der Durchmesser zumindest der ersten und zweiten Aufnahmespulenanordnung 111, 112 und des ersten und zweiten leitfähigen Ziels 121, 122. Der Durchmesser der leitfähigen Ziele 121, 122 kann größer sein als der Durchmesser der Aufnahmespulen 111, 112. Selbst wenn der Rotor 120 relativ zu dem Stator 110 exzentrisch angeordnet wäre, kann somit die Erregerspule 113 nach wie vor die leitfähigen Ziele 121, 122 in einer Projektion entlang der Drehachse (z. B. in einer Draufsicht von oben oder unten) bedecken. Anders ausgedrückt, die leitfähigen Ziele 121, 122 können nicht über den Umfang der Erregerspule 113 vorstehen. Zusätzlich oder alternativ können die Aufnahmespulen 111, 112 nicht über den Umfang der leitfähigen Ziele 121, 122 vorstehen. Daher kann der induktive Winkelsensor 100 in Bezug auf Toleranzen während des Zusammenbaus robust sein.
• 2 zeigt eine Draufsicht des Stators 110, die die Anordnung und Symmetrien der ersten und zweiten Aufnahmespulenanordnung 111, 112 deutlich zeigt. Wie es gezeigt ist, kann der Stator 110 die Erregerspule 113 (rot), die erste Aufnahmespulenanordnung 111 (dunkelblau) und die zweite Aufnahmespulenanordnung 112 (cyan) aufweisen. Die Erregerspule 113 kann umfangsmäßig um die erste und zweite Aufnahmespulenanordnung 111, 112 angeordnet sein. Die erste Aufnahmespulenanordnung 111 kann eine m-fache Symmetrie (hier z. B. eine 3-fache Symmetrie) aufweisen und die zweite Aufnahmespulenanordnung 112 kann eine n-fache Symmetrie (hier z. B. eine 4-fache Symmetrie) aufweisen.
• Für weitere Erläuterungen von einigen der Vorteilen des innovativen induktiven Winkelsensors 100 wird zunächst auf 3A und 3B Bezug genommen. Dieselben zeigen ein Vergleichsbeispiel eines induktiven Winkelsensors, der nur eine Aufnahmespulenanordnung mit einer 3-fachen Symmetrie verwendet.
• 3A zeigt ein Diagramm induzierter Spannungen U₁, U₂ in einer Aufnahmespulenanordnung, wobei die induzierten Spannungen U₁, U₂ kohärent demoduliert sind von ihrer Trägerfrequenz f₀, wie es oben mit Bezugnahme auf die Anordnung von 1 beschrieben ist. Diese Aufnahmespulenanordnung weist eine erste Spule zum Messen der Amplitude (Abszisse) und des Phasenwinkels (Ordinate) des induzierten Kosinusspannungssignals 31 (U₁) und eine zweite Spule zum Messen der Amplitude (Abszisse) und des Phasenwinkels (Ordinate) des Sinusspannungssignals 32 (U₂) auf. Die erste und die zweite Aufnahmespule sind identische Aufnahmespulen mit m-facher Symmetrie, wobei eine der Aufnahmespulen um 360°/m/4 gegenüber der anderen gedreht ist. Daher sind die demodulierten Signale 31, 32 in 3A gegen den Drehwinkel um 90° phasenverschoben.
• Die Amplitude der demodulierten Signale 31, 32 ist beispielhaft so dargestellt, dass sie von A₁ bis -A₁ erreicht. Die Aufnahmespulen, die diese Signale 31, 32 erzeugt haben, sind nicht astatisch, was nachfolgend näher beschrieben wird. Somit können die Maxima bei A₁ und die Minima bei -A₁ nicht symmetrisch zu A = 0 angeordnet sein, das heißt, die Signale können nicht bei 0 zentriert sein (nicht mittelwertfrei). Im Fall von Drehbewegungen können die Schwankungen der Spannungen in den Aufnahmespulen eher klein sein im Vergleich zu einem eher großen überlagerten Versatz beziehungsweise Mittelwert.
• 3B zeigt ein Sägezahnsignal 33, das den Winkel des Zeigers {U₂, U₁} mit der {1,0}-Achse darstellt. Entsprechend ist $\text{tan}\left(sawtooth\right)=\frac{U_1}{U_2}$

  

  oder saw tooth = arctan2(U₂,U₁). Der geschätzte Winkel des Zeigers {U₂, U₁} ist auf der Ordinate gezeigt, während die Abszisse einen mechanischen Winkel der Drehung zwischen dem Rotor 120 und dem Stator 110 zeigt, wobei der mechanische Winkel von dem Winkel des Zeigers {U₂, U₁} berechnet werden kann.
• Wie es in 3A und 3B ersichtlich ist, können die Signale 31, 32, 33 über einen Winkelbereich von 120° eindeutig sein, was sich aus der 3-fachen Symmetrie (360°/3) ergibt. Nach jedem wiederholenden Winkelbereich von 120° wiederholt sich jedoch die Signalform, d.h., die Signale 31, 32, 33 werden mehrdeutig. Man kann sagen, die Signale 31, 32, 33 haben eine Periodizität von 360°/k, wobei k die k-fache Symmetrie bezeichnet, das heißt, bei diesem beispielhaften Fall mit k = 3, so dass die Signale 31, 32, 33 eine Periodizität von 120° aufweisen. Wie oben erwähnt, können die Signale 31, 32, 33 während einer Periode eindeutig sein, können aber über zwei oder mehr Perioden mehrdeutig sein.
• 4 zeigt ein schematisches Diagramm 40 zum Erläutern einiger möglicher geometrischer Anordnungen von Spulen, die an einem induktiven Winkelsensor 100 gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Prinzip verwendet werden können. Dieses Diagramm 40 zeigt keine Signalformen, sondern stellt eine beispielhafte geometrische Anordnung der Erregerspule 113, der ersten und zweiten Aufnahmespulenanordnung 111, 112 und des ersten und zweiten leitfähigen Ziels 121, 122 dar. Um die Korrelationen zwischen der geometrischen Form und den Winkelabhängigkeiten der gezeigten Spulen und Ziele 111, 112, 113, 121, 122 klar zu zeigen, zeigt das Diagramm 40 diese Spulen und Ziele 111, 112, 113, 121, 122 schematisch mit einer geraden linearen Form, während dieselben tatsächlich eine ringförmige (z.B. runde) Form aufweisen können, wie es oben mit Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben ist.
• Anders ausgedrückt, das schematische Diagramm von 4 ist eine vereinfachte Ansicht von Spulengeometrien, wo die Azimutkoordinate auf der Abszissenachse aufgetragen ist und die radiale Koordinate auf der Ordinatenachse aufgetragen ist. Somit können die Spulen, wie es in 1 und 2 gezeigt ist, tatsächlich ringförmig sein und ihre jeweiligen Enden können sich bei 0° und 360° berühren.
• Von oben nach unten zeigt 4 das erste leitfähige Ziel 121, das zweite leitfähige Ziel 122, die Erregerspule 113, die erste Aufnahmespulenanordnung 111 und die zweite Aufnahmespulenanordnung 112.
• Das erste leitfähige Ziel 121 kann eine m-fache Symmetrie aufweisen. Bei diesem beispielhaften Fall kann dasselbe eine 4-fache Symmetrie aufweisen. Wie es ersichtlich ist, kann dasselbe eine geometrische Struktur aufweisen, die sich alle 360°/m wiederholt, in diesem Fall alle 90°. Wie es gezeigt ist, kann das erste leitfähige Ziel 121 beispielweise einen Zahn 152 aufweisen, der sich über die ersten 45° erstreckt und eine Einkerbung 151, die sich über die direkt nachfolgenden 45° erstreckt. Diese Struktur der wechselnden Einkerbungen und Zähne 151, 152 kann sich alle 360°/m wiederholen, in diesem beispielhaften Fall alle 90°.
• Das zweite leitfähige Ziel 122 kann eine n-fache Symmetrie aufweisen. Bei diesem beispielhaften Fall kann es eine 3-fache Symmetrie aufweisen. Wie es ersichtlich ist, kann dasselbe eine geometrische Struktur aufweisen, die sich alle 360°/n wiederholt, in diesem beispielhaften Fall alle 120°. Wie es gezeigt ist, kann das zweite leitfähige Ziel 122 beispielsweise einen Zahn 149 aufweisen, der sich über die ersten 60° erstreckt und eine Einkerbung 150, die sich über die direkt nachfolgenden 60° erstreckt. Diese Struktur der abwechselnden Zähne und Einkerbungen 149, 150 kann sich alle 360°/n wiederholen, bei diesem beispielhaften Fall alle 120°.
• Die oben erörterten Zähne und Einkerbungen sind lediglich als nicht begrenzende Beispiele beschrieben. Das erste und das zweite leitfähige Ziel 121, 122 können andere Formen und geometrische Formen aufweisen, solange dieselben eine m-fache und n-fache Symmetrie aufweisen.
• Die Erregerspule 130 kann eine gerade Form ohne bestimmte Strukturen aufweisen. Beispielweise kann die Erregerspule 130 einen Draht aufweisen, der in einer einzelnen Schleife und in einem kürzesten Abstand gelegt ist, das heißt, ringförmig und in einer geraden Linie. Wie oben erwähnt, sind die Drähte, die in 4 gezeigt sind, lediglich zu Darstellungszwecken linear. In der Realität können dieselben in der Form eines Kreises angeordnet sein. Entsprechend können die beiden Drähte der gezeigten Erregerspule 130 einen ersten Kreis mit einem ersten Durchmesser (äußerer Kreis) und einen zweiten Kreis mit einem kleineren zweiten Durchmesser (innerer Kreis) bilden. Wie es durch die Pfeilköpfe in 4 angezeigt ist, fließt der Strom in dem inneren und äußeren Kreis in entgegengesetzte Richtungen.
• Die erste Aufnahmespulenanordnung 111 kann zwei einzelne Aufnahmespulen aufweisen, z. B. eine erste Aufnahmespule 111a und eine zweite Aufnahmespule 111b. Sowohl die erste als auch die zweite Aufnahmespule 111a, 111b können eine m-fache Symmetrie aufweisen. Bei diesem Beispiel ist m = 4, das heißt, dieselben haben eine 4-fache Symmetrie. Wie es ersichtlich ist, können die erste und die zweite Aufnahmespule 111a, 111b um 90°/m relativ zueinander verschoben sein, d.h. bei diesem beispielhaften Fall um 22,5°. Wie es oben erwähnt wurde, können die erste und die zweite Aufnahmespule 111a, 111b tatsächlich kreisförmig angeordnet sein, wie es in 1 und 2 gezeigt ist. Falls dies an die Kreisform angelegt wird, können die erste und die zweite Aufnahmespule 111a, 111b dementsprechend relativ zueinander um die Drehachse 130 um 90°/m gedreht werden, z. B. um 22,5°. Die erste Aufnahmespule 111a kann beispielsweise eine Kosinusaufnahmespule sein zum Aufnehmen eines Kosinussignals, während die zweite Aufnahmespule 111b eine Sinusaufnahmespule zum Aufnahmen eines Sinussignals sein kann.
• Die zweite Aufnahmespulenanordnung 112 kann zwei einzelne Aufnahmespulen aufweisen, z. B. eine dritte Aufnahmespule 112a und eine vierte Aufnahmespule 112b. Sowohl die dritte als auch die vierte Aufnahmespule 112a, 112b können eine n-fache Symmetrie aufweisen. Bei diesem Beispiel ist n = 3, das da heißt dieselben haben eine 3-fache Symmetrie. Wie es ersichtlich ist, können die dritte und vierte Aufnahmespule 112a, 112b relativ zueinander um 90°/n verschoben sein, das heißt, bei diesem Beispiel um 30°. Wie oben erwähnt, können die dritte und vierte Aufnahmespule 112a, 112b tatsächlich kreisförmig angeordnet sein, wie es in 1 und 2 gezeigt ist. Falls dies an die Kreisform angelegt wird, können die dritte und vierte Aufnahmespule 112a, 112b dementsprechend relativ zueinander um die Drehachse 130 um 90°/n gedreht werden, z. B. um 30°. Die dritte Aufnahmespule 112a kann beispielsweise eine Kosinusaufnahmespule sein zum Aufnahmen eines Kosinussignals, während die vierte Aufnahmespule 112b eine Sinusaufnahmespule zum Aufnahmen eines Sinussignals sein kann.
• Es ist auch möglich, dass zumindest eine der ersten und zweiten Aufnahmespulenanordnungen 111, 112 mehr als die beispielhaft beschriebenen zwei Aufnahmespulen 111a, 111b, 112a, 112b aufweisen kann. Zumindest eine der ersten und zweiten Aufnahmespulenanordnungen 111, 112 kann beispielsweise drei Aufnahmespulen (u, v, w) aufweisen, z. B. falls ein Dreiphasensignal (z. B. ein Dreiphasenstrom) zu messen ist. Dann müssten vorzugsweise zwei dieser drei Aufnahmespulen gegeneinander um 120°/n um die Drehachse gedreht werden.
• Wie es ersichtlich ist, kann jede der ersten und zweiten Aufnahmespulen 111a, 111b der ersten Aufnahmespulenanordnung 111 in Schleifen 401 bis 408 angeordnet sein. Beispielsweise kann die erste Aufnahmespule 111a eine Anzahl von zwei 2*m Schleifen 401 bis 408 entlang einer vollen Umdrehung von 360° in einem Ringbereich aufweisen. Bei diesem beispielhaften Fall kann die erste Aufnahmespule 111a 2*4 = 8 Schleifen 401 bis 408 über die gesamten 360° aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Aufnahmespule 111b eine Anzahl von 2*m Schleifen aufweisen, die entlang einer vollen Umdrehung von 360° in einem Ringbereich angeordnet sind. Bei diesem beispielhaften Fall kann die zweite Aufnahmespule 111b 2*4 = 8 Schleifen über die gesamten 360° aufweisen.
• Zusätzlich oder alternativ kann jede der dritten und vierten Aufnahmespulen 112a, 112b der zweiten Aufnahmespulenanordnung 112 in Schleifen angeordnet sein. Beispielsweise kann die dritte Aufnahmespule 112a eine Anzahl von 2*n Schleifen entlang einer vollen Umdrehung von 360° in einem Ringbereich aufweisen. Bei diesem beispielhaften Fall kann die dritte Aufnahmespule 112a 2*3 = 6 Schleifen über die gesamten 360° aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die vierte Aufnahmespule 112b eine Anzahl von 2*n Schleifen aufweisen, die entlang einer vollen Umdrehung von 360° in einem Ringbereich angeordnet sind. Bei diesem beispielhaften Fall kann die vierte Aufnahmespule 112b 2*3 = 6 Schleifen über die gesamten 360° aufweisen.
• Mit erneuter Bezugnahme auf das Beispiel der ersten Aufnahmespule 111a der ersten Aufnahmespulenanordnung 111 können die erste Schleife 401 und die zweite Schleife 402 eine entgegengesetzte Wicklungsrichtung aufweisen, wobei die erste Schleife 401 eine positive Wicklung sein kann und die zweite Schleife 402 eine negative Wicklung sein kann. Die Wicklungsrichtung kann auch als eine Umdrehungsrichtung bezeichnet werden und beschreibt die Richtung der Umdrehungen der einen oder mehreren Wicklungen einer Spule.
• Die einzelnen Schleifen 401 bis 408 können in Gruppen oder Sätze von Schleifen gruppiert sein. Beispielsweise kann ein erster Satz von Schleifen die Schleifen 401, 403, 405, 407 mit einer positiven Umdrehungsrichtung aufweisen, während ein zweiter Satz von Schleifen die Schleifen 402, 404, 406, 408 mit einer negativen Umdrehungsrichtung enthalten kann. Entsprechend können jede der ersten und zweiten Aufnahmespulen 111a, 111b einen ersten Satz von Schleifen, in dem jede Schleife 401, 403, 405, 407 eine erste Umdrehungsrichtung aufweist, und einen zweiten Satz von Schleifen aufweisen, in dem jede Schleife 402, 404, 406, 408 eine entgegengesetzte zweite Umdrehungsrichtung aufweist. Wie es beispielhaft gezeigt ist, können Schleifen mit der ersten Umdrehungsrichtung abwechselnd mit Schleifen mit der zweiten Umdrehungsrichtung angeordnet sein, d.h., benachbarte Schleifen können eine entgegengesetzte Umdrehungsrichtung aufweisen.
• Jede Schleife 401 bis 408 erstreckt sich über einen Bereich, welcher der jeweilige Oberflächenbereich oder das Volumen in der jeweiligen Schleife 401 bis 408 ist. Entsprechend können alle Schleifen 401, 403, 405, 407, die in dem ersten Satz von Schleifen enthalten sind, sich zusammen über einen ersten Bereich erstrecken, während alle Schleifen 402, 404, 406, 408, die in dem zweiten Satz von Schleifen enthalten sind, sich zusammen über einen zweiten Bereich erstrecken können.
• Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel können der erste und der zweite Bereich der ersten Aufnahmespule 111a identisch sein, so dass die erste Aufnahmespule 111a astatisch ist. Zusätzlich oder alternativ können der erste und der zweite Bereich der zweiten Aufnahmespule 111b identisch sein, so dass die zweite Aufnahmespule 111b astatisch ist. Der Begriff „identisch“ kann eine Abweichung der Größen des ersten und zweiten Bereichs um bis zu 10% oder bis zu 20% umfassen, z. B. aufgrund von Toleranzen.
• Das Gleiche kann für die zweite Aufnahmespulenanordnung 112 gelten, die die dritte und vierte Aufnahmespule 112a, 112b aufweist. Jede Schleife kann sich über einen Bereich erstrecken, welcher der jeweilige Oberflächenbereich oder das Volumen in der jeweiligen Schleife ist. Bei diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel können alle Schleifen, die in einem ersten Satz von Schleifen mit einer ersten Umdrehungsrichtung enthalten sind, sich zusammen über einen ersten Bereich erstrecken, während alle Schleifen, die in einem zweiten Satz von Schleifen mit einer entgegengesetzten zweiten Umdrehungsrichtung enthalten sind, sich zusammen über einen zweiten Bereich erstrecken können. Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel können der erste und zweite Bereich der dritten Aufnahmespule 112a identisch sein, so dass die dritte Aufnahmespule 112a astatisch ist. Zusätzlich oder alternativ können der erste und der zweite Bereich der vierten Aufnahmespule 112b identisch sein, so dass die vierte Aufnahmespule 112b astatisch ist.
• Bei dem in 4 gezeigten Beispiel ist jede der Schleifen 401 bis 408 so gezeigt, dass sich dieselbe über einen Bereich mit der gleichen Größe erstrecken. Die einzelnen Schleifen 401 bis 408 können sich jedoch über Bereiche unterschiedlicher Größen erstrecken. Solange die Gesamtgröße aller überspannten Bereiche aller Schleifen, die in dem ersten Satz von Schleifen enthalten sind, gleich der Gesamtgröße aller überspannten Bereiche aller Schleifen ist, die in dem zweiten Satz von Schleifen enthalten sind, ist die jeweilige Aufnahmespule 111a, 111b, 112a, 112b astatisch.
• Entsprechend ist zumindest entweder die erste oder die zweite Aufnahmespule 111a, 111b und/oder zumindest entweder die dritte oder die vierte Aufnahmespule 112a, 112b eine sogenannte astatische oder Differentialaufnahmespule. Das bedeutet, dass jedes homogene Magnetfeld, das auf eine astatische Aufnahmespule 111a, 111b, 112a, 112b trifft, null Nettofluss durch dieselbe ausgibt. Falls dieses Feld zeitlich variabel ist, induziert dasselbe keine Spannung in der jeweiligen astatischen Aufnahmespule 111a, 111b, 112a, 112b. Darüber hinaus verschwindet die gegenseitige Induktivität zwischen beiden astatischen Aufnahmespulen 111a, 111b, 112a, 112b einer bestimmten Aufnahmespulenanordnung 111, 112. Außerdem verschwindet die gegenseitige Induktivität zwischen jeder astatischen Aufnahmespule 111a, 111b der ersten Aufnahmespulenanordnung 111 und jede andere astatische Aufnahmespule 112a, 112b der zweiten Aufnahmespulenanordnung 112. Außerdem verschwindet die gegenseitige Induktivität zwischen jeder astatischen Aufnahmespule 111a, 111b, 112a, 112b und der Erregerspule 113. Dies unterscheidet sich von herkömmlichen induktiven Winkelsensoren ohne nicht-astatischen Aufnahmespulen, wo jedes Mal, wenn ein variierendes Magnetfeld auf eine Aufnahmespule trifft, dasselbe Wirbelströme in der jeweiligen Aufnahmespule erzeugt, was zu einer induktiven Kopplung (d. h. einer gegenseitigen Induktivität) zwischen zwei nahegelegenen Spulen führt.
• Das erste und das zweite leitfähige Ziel 121, 122 können wiederum nicht astatisch sein. Wie es oben erläutert ist, können dieselben eine wechselnde Struktur umfassen, die Zähne und Einkerbungen 149 bis 152 aufweist. Ein Zahn 149, 152 kann einer ersten Schleife entsprechen und eine Einkerbung 150, 151 kann einer zweiten Schleife entsprechen. Wie es ersichtlich ist, können alle Schleifen (d. h. Zähne und Einkerbungen) des ersten leitfähigen Ziels 121 die gleiche Richtung von Umdrehungen aufweisen. Das Gleiche gilt für alle Schleifen des zweiten leitfähigen Ziels 122. Somit sind das erste und das zweite leitfähige Ziel 121, 122 nicht astatisch, was unabhängig von der Größe der Schleifen (d. h. Zähne und Einkerbungen) ist. Da das erste und das zweite leitfähige Ziel 121, 122 nicht astatisch sind, kann die Erregerspule 113 in den Zielen 121, 122 einen Induktionsstrom induzieren.
• Einer von mehreren Vorteilen des hierin beschriebenen innovativen leitfähigen Winkelsensors 100 besteht darin, dass das erste leitfähige Ziel 121 mit m-facher Symmetrie (z. B. 4 x 90°) Signale nur in der ersten und zweiten Aufnahmespule 111a, 111b (z. B. Kosinus und Sinus) induzieren kann, da dieselben die gleiche m-fache Symmetrie aufweisen wie das erste leitfähige Ziel 121. Das erste leitfähige Ziel 121 mit m-facher Symmetrie kann jedoch in der dritten und vierten Aufnahmespule 112a, 112b (z. B. Kosinus und Sinus) keine relevanten Signale induzieren, da dieselben eine n-fache Symmetrie mit n ≠ m aufweisen. Außerdem kann das zweite leitfähige Ziel 122 mit n-facher Symmetrie (z. B. 3 x 120°) nur in der dritten und vierten Aufnahmespule 112a, 112b (z. B. Kosinus und Sinus) Signale induzieren, da dieselben die gleiche n-fache Symmetrie aufweisen wie das zweite leitfähige Ziel 122. Das zweite leitfähige Ziel 122 kann jedoch in der ersten und zweiten Aufnahmespule 111a, 111b (z. B. Kosinus und Sinus) keine relevanten Signale induzieren, da dieselben eine m-fache Symmetrie mit m ≠ n aufweisen.
• Der Grund hierfür ist die Selektivität der Aufnahmespulen 111a, 111b, 112a, 112b, was aus der Eigenschaft der Orthogonalität der Sinusfunktionen folgt: eine Spule n-facher Symmetrie integriert über den Fluss von 0° bis 360° und hebt dadurch alle Flussstrukturen der Symmetrie auf, die sich von n-fach unterscheiden. Dies wird nun mit den folgenden mathematischen Gleichungen bewiesen, die den theoretischen Hintergrund des innovativen induktiven Winkelsensors 100 beschreiben.
• (Es ist anzumerken, dass das folgende Beispiel n-fache und k-fache Symmetrien verwendet, wobei die k-fache Symmetrie der m-fachen Symmetrie entsprechen kann, die ansonsten hierin beschrieben ist).
• Ein leitfähiges Ziel 122 mit n-facher Symmetrie wird angenommen. Falls Wirbelströme in diesem Ziel 122 fließen, werden dieselben eine Magnetflussdichte mit n-facher Symmetrie erzeugen: $$B_z^{\left(n\right)}={\displaystyle \sum _{m=1}^{\infty }{b}_m^{\left(n\right)}\left(r\right)\text{sin}\left(mn\psi +\phi \right)\text{sin}\left({\omega }_{0}t\right)}$$

  

  wobei w_o/(2π) die Trägerfrequenz ist, ψ die Azimutkoordinate ist, r die Radialkoordinate ist und φ der Drehwinkel des Ziels 122 ist. Ferner ist $b_m^{\left(n\right)}\left(r\right)$

  

  die radiale Abhängigkeit von der m-ten Harmonischen von der Flussdichte. Was ist die Spannung, die an einer Aufnahmespule 111a, 111b mit k-facher Symmetrie induziert wird? Es wird angenommen, dass die Aufnahmespulen 111a, 111b 2*k Schleifen 401 bis 408 aufweisen, die entlang einer vollen Umdrehung von 360° in einem Ringbereich angeordnet sind, wobei jede zweite Schleife eine entgegengesetzte Wicklungsrichtung aufweist. Dies entspricht den in 4 gezeigten Aufnahmespulen 111a, 111b. Da angenommen wird, dass das leitfähige Ziel 112 um ψ gegenüber ψ = 0° verschoben wurde, wird angenommen, dass die Zielspulen 111a, 111b ausgerichtet sind mit ψ = 0°. Somit können die ersten beiden Schleifen 401, 402 den folgenden Fluss sammeln: $$\begin{array}{l}{\varphi }_1\left({\psi }_0\right)={\displaystyle \underset{r=r_i}{\overset{r_0}{\int }}{\displaystyle \underset{\psi ={\psi }_0}{\overset{2\pi /\left(2k\right)+{\psi }_0}{\int }}{\displaystyle \sum _{m=1}^{\infty }{b}_m^{\left(n\right)}\left(r\right)}}}\text{sin}\left(mn\psi +\phi \right)\text{sin}\left({\omega }_{0}t\right)rdrd\psi -{\displaystyle \underset{r=r_i}{\overset{r_0}{\int }}{\displaystyle \underset{\psi =2\pi /\left(2k\right)+{\psi }_0}{\overset{4\pi /\left(2k\right)+{\psi }_0}{\int }}{\displaystyle \sum _{m=1}^{\infty }{b}_m^{\left(n\right)}\left(r\right)}}}\text{sin}\left(mn\psi +\phi \right)\text{sin}\left({\omega }_{0}t\right)rdrd\psi =\\ =\text{sin}\left({\omega }_{0}t\right){\displaystyle \sum _{m=1}^{\infty }{\displaystyle \underset{r=r_i}{\overset{r_0}{\int }}{b}_m^{\left(n\right)}\left(r\right)rdr\left[{\displaystyle \underset{\psi ={\psi }_0}{\overset{\pi /k+{\psi }_0}{\int }}\text{sin}\left(mn\psi +\phi \right)d\psi -}{\displaystyle \underset{\psi =\pi /k+{\psi }_0}{\overset{2\pi k+{\psi }_0}{\int }}\text{sin}\left(mn\psi +\phi \right)d\psi }\right]}}\\ =\text{sin}\left({\omega }_{0}t\right){\displaystyle \sum _{m=1}^{\infty }\frac{-4}{mn}\text{cos}\left(\phi +mn\frac{\pi k{\psi }_0}{k}\right)}{\text{sin}}^2\frac{mn\pi }{2k}{\displaystyle \underset{r=r_i}{\overset{r_0}{\int }}{b}_m^{\left(n\right)}\left(r\right)}rdr\end{array}$$

  

  Dies kann für geradzahlige m verschwinden, nur ungerade m verbleiben (dann ist der sin² Term gleich 1). Aufsummieren über alle k Schleifen 401 bis 408 ergibt den Gesamtfluss $$\varphi ={\displaystyle \sum _{\mathcal{l}=0}^{k-1}{\varphi }_1\left({\psi }_0=\frac{2\pi \mathcal{l}}{k}\right)=\frac{-4}{n}\text{sin}\left({\omega }_{0}t\right){\displaystyle \sum _{m=1}^{\infty }\frac{1}{2m+1}}{\displaystyle \underset{r=r_i}{\overset{r_0}{\int }}{b}_{2m+1}^{\left(n\right)}\left(r\right)}}rdr{\displaystyle \sum _{\mathcal{l}=0}^{k-1}\text{cos}\left(\phi +\pi \frac{n}{k}\left(2m+1\right)\left(2\mathcal{l}+1\right)\right)}$$

  

  Es gilt $${\displaystyle \sum _{\mathcal{l}=0}^{k-1}\text{exp}\left(i\pi \frac{n}{k}\left(2m+1\right)\left(2\mathcal{l}+1\right)\right)=\{\begin{array}{c}0\text{ for }n\ne k\\ -n\text{ for }n=k\end{array}}$$

  

  mit $i=\sqrt{-1}.$

  

  Somit $$\varphi =4\text{cos}\left(\phi \right)\text{sin}\left({\omega }_{0}t\right){\displaystyle \sum _{m=1}^{\infty }\frac{1}{2m+1}}{\displaystyle \underset{r=r_i}{\overset{r_0}{\int }}{b}_{2m+1}^{\left(n\right)}\left(r\right)}rdr$$

  

  für n = k (ansonsten = 0).
• Genauer gesagt impliziert der Beweis, dass die Aufnahmespulen 111a, 111b den gesamten Ringbereich schneiden, falls dieselben weniger abdecken aufgrund von Verlusten nahe den Kreuzungen benachbarter Schleifen, muss Folgendes berechnet werden: $$\begin{array}{l}{\varphi }_1\left({\psi }_0\right)={\displaystyle \underset{r=r_i}{\overset{r_0}{\int }}{\displaystyle \underset{\psi ={\psi }_0+\Delta }{\overset{2\pi /\left(2k\right)+{\psi }_0-\Delta }{\int }}{\displaystyle \sum _{m=1}^{\infty }{b}_m^{\left(n\right)}\left(r\right)\text{sin}\left(mn\psi +\phi \right)\text{sin}\left({\omega }_{0}t\right)rdrd\psi -}}}{\displaystyle \underset{r=r_i}{\overset{r_0}{\int }}{\displaystyle \underset{\psi =2\pi /\left(2k\right)+{\psi }_0+\Delta }{\overset{4\pi /\left(2k\right)+{\psi }_0-\Delta }{\int }}{\displaystyle \sum _{m=1}^{\infty }{b}_m^{\left(n\right)}\left(r\right)\text{sin}\left(mn\psi +\phi \right)\text{sin}\left({\omega }_{0}t\right)rdrd\psi }}=}\\ =\text{sin}\left({\omega }_{0}t\right){\displaystyle \sum _{m=1}^{\infty }\frac{4}{mn}\text{cos}\left(\phi +mn\frac{\pi +k{\psi }_0}{k}\right)\text{sin}\frac{mn\pi }{2k}\text{sin}\left(mn\Delta -\frac{mn\pi }{2k}\right)}{\displaystyle \underset{r=r_i}{\overset{r_0}{\int }}{b}_m^{\left(n\right)}\left(r\right)}rdr\end{array}$$

  

  Dann verschwindet der Gesamtfluss erneut für k ≠ n. Falls k = n, verschwindet derselbe für geradzahlige m. Für ungerade m erhält man schließlich $$\varphi =4\text{cos}\left(\phi \right)\text{sin}\left({\omega }_{0}t\right){\displaystyle \sum _{m=1}^{\infty }\frac{\text{cos}\left(\left(2m+1\right)\Delta \right)}{2m+1}}{\displaystyle \underset{r=r_i}{\overset{r_0}{\int }}{b}_{2m+1}^{\left(n\right)}\left(r\right)}rdr$$

  

  für n = k (ansonsten = 0).
• In dem allgemeinsten Fall können die Aufnahmespulen eine k-fache Symmetrie aufweisen mit $$r_i=\text{Re}{\displaystyle \sum _{p=0}^{\infty }{\rho }_{i,p}\text{exp}\left(ikp\psi \right)}$$

  

  und $$r_o=\text{Re}{\displaystyle \sum _{p=0}^{\infty }{\rho }_{o,p}\text{exp}\left(ikp\psi \right)}$$

  

  wobei Re der Realteil ist und die Koeffizienten ρ_i,p, ρ_o,p komplexwertig sind. Dann kann Folgendes geschrieben werden: $${\displaystyle \underset{r=r_i\left(\psi \right)}{\overset{r_0\left(\psi \right)}{\int }}{b}_m^{\left(n\right)}\left(r\right)}rdr=\text{Re}{\displaystyle \sum _{p=0}^{\infty }{\beta }_{m,p}^{\left(n\right)}\text{exp}\left(ikp\psi \right)}$$

  

  Der Fluss durch die ersten beiden Schleifen ist $$\begin{array}{l}{\varphi }_1\left({\psi }_0\right)=\text{sin}\left({\omega }_{0}t\right)\text{Re}{\displaystyle \sum _{m=1}^{\infty }{\displaystyle \sum _{p=0}^{\infty }{\beta }_{m,p}^{\left(n\right)}}}\left[{\displaystyle \underset{\psi ={\psi }_0}{\overset{2\pi /\left(2k\right)+{\psi }_0}{\int }}\text{exp}\left(ikp\psi \right)\text{sin}\left(mn\psi +\phi \right)d\psi }-{\displaystyle \underset{\psi =2\pi /\left(2k\right)+{\psi }_0}{\overset{4\pi /\left(2k\right)+{\psi }_0}{\int }}\text{exp}\left(ikp\psi \right)\text{sin}\left(mn\psi +\phi \right)d\psi }\right]=\\ \text{=sin}\left({\omega }_{0}t\right)\text{Re}{\displaystyle \sum _{m=1}^{\infty }{\displaystyle \sum _{p=0}^{\infty }\frac{-i}{2}{\beta }_{m,p}^{\left(n\right)}}}\left[\begin{array}{c}{\displaystyle \underset{\psi ={\psi }_0}{\overset{2\pi /\left(2k\right)+{\psi }_0}{\int }}\text{exp}\left(ikp\psi \right)\left[\text{exp}\left(imn\psi +i\phi \right)-\text{exp}\left(-imn\psi -i\phi \right)\right]d\psi -}\\ {\displaystyle \underset{\psi =2\pi /\left(k\right)+{\psi }_0}{\overset{4\pi /\left(2k\right)+{\psi }_0}{\int }}\text{exp}\left(ikp\psi \right)\left[\text{exp}\left(imn\psi +i\phi \right)-\text{exp}\left(-imn\psi -i\phi \right)\right]d\psi }\end{array}\right]=\\ \text{sin}\left({\omega }_{0}t\right)\text{Re}{\displaystyle \sum _{m=1}^{\infty }{\displaystyle \sum _{p=0}^{\infty }\frac{-i}{2}{\beta }_{m,p}^{\left(n\right)}}}\left[\begin{array}{c}exp\left(i\phi \right){\displaystyle \underset{\psi ={\psi }_0}{\overset{\pi /k+{\psi }_0}{\int }}\text{exp}\left(i\left(kp+mn\right)\psi \right)d\psi -\text{exp}\left(-i\phi \right)}{\displaystyle \underset{\psi ={\psi }_0}{\overset{\pi /k+{\psi }_0}{\int }}\text{exp}\left(i\left(kp-mn\right)\psi \right)d\psi -}\\ exp\left(i\phi \right){\displaystyle \underset{\psi ={\psi }_0}{\overset{2\pi /k+{\psi }_0}{\int }}\text{exp}\left(i\left(kp+mn\right)\psi \right)d\psi +\text{exp}\left(-i\phi \right)}{\displaystyle \underset{\psi =\pi /k+{\psi }_0}{\overset{2\pi /k+{\psi }_0}{\int }}\text{exp}\left(i\left(kp-mn\right)\psi \right)d\psi }\end{array}\right]\end{array}$$

  

  Falls alle Terme multipliziert mit exp(iφ) für ${\displaystyle \sum {}_{\lambda =0}^{k-1}}{\Phi }_1\left({\psi }_0=\frac{2\pi \lambda }{k}\right)$

  

  summiert werden, erhält man null für k # n. Falls alle Terme multipliziert mit exp(-iφ) für ${\displaystyle \sum {}_{\lambda =0}^{k-1}}{\Phi }_1\left({\psi }_0=\frac{2\pi \lambda }{k}\right)$

  

  summiert werden, erhält man auch null für k # n.
• Falls jedoch k = n, verschwinden alle Terme mit m = p und man erhält $$\varphi =\text{sin}\left({\omega }_{0}t\right)\text{Re}{\displaystyle \sum _{\begin{array}{c}m=1\\ m\ne p\end{array}}^{\infty }{\displaystyle \sum _{p=0}^{\infty }{\beta }_{m,p}^{\left(n\right)}\left(1-{\left(-1\right)}^{m+p}\right)\left[\frac{\text{exp}\left(i\phi \right)}{m+p}+\frac{\text{exp}\left(-i\phi \right)}{m-p}\right]}}$$

  

  für k = n, ansonsten = 0.
• Dies beweist, dass ein leitfähiges Ziel 122 mit n-facher Symmetrie in einer Aufnahmespule 111a, 111b, die eine k-fache Symmetrie mit k ≠ n aufweist, keine Ströme induziert. (Wie oben erwähnt, in dem obigen mathematischen Beispiel entspricht k m, wie es ansonsten hierin beschrieben ist).
• Dieser Beweis ist wichtig, da er bedeutet, dass die Signale, die durch zwei Ziele 121, 122 induziert werden, aufgeteilt werden können, falls dieselben eine n-fache und eine m-fache Symmetrie aufweisen, durch Verwenden von zwei Aufnahmespulenanordnungen 111, 112 mit entsprechender n-facher beziehungsweise m-facher Symmetrie. Die Aufnahmespulenanordnung 111 mit n-facher Symmetrie spricht nur auf das leitfähige Ziel 121 mit entsprechender m-facher Symmetrie an, das induzierte Signal S_i1 in dieser Aufnahmespulenanordnung 111 kann jedoch auf das leitfähige Ziel 122 mit n-facher Symmetrie ansprechen und umgekehrt. Daher gibt es kein Nebensprechen zwischen den m-fachen Symmetrieteilen 111, 121 und den n-fachen Symmetrieteilen 112, 122.
• Daher müssen die beiden leitfähigen Ziele 121, 122 und die beiden Aufnahmespulenanordnungen 111, 112 nicht weit entfernt platziert werden (falls ein Ziel und eine Aufnahmespulenanordnung mit m-facher Symmetrie weit entfernt wären von einem Ziel und einer Aufnahmespulenanordnung mit n-facher Symmetrie ist klar, dass die beiden sich nicht stören - es gibt kein Nebensprechen). Die Aufnahmespulenanordnung 111 mit m-facher Symmetrie muss also auch nicht von dem Magnetfeld der Wirbelströme in dem leitfähigen Ziel 122 mit n-facher Symmetrie abgeschirmt werden.
• Daher kann eine einzelne Erregerspule 113 für beide leitfähige Ziele 121, 122 verwendet werden (da dieselben nahe zueinander sind). Dies spart Leistung und Kosten und Bauraum.
• Ein Vorteil des oben erörterten Konzepts ist, dass die induzierten Signale S_i1 und S_i2 deutlich voneinander getrennt werden können, d.h., das Signalrauschverhältnis (SNR) ist verbessert, was mit Bezugnahme auf 5 erläutert wird.
• 5 zeigt ein Diagramm 500, das induzierte Signale S_i1 , S_i2 zeigt, die durch einen induktiven Winkelsensor 100 gemäß dem hierin beschriebenen Prinzip erzeugt werden können. Der induktive Winkelsensor 100 dieses Beispiels kann ein erstes leitfähiges Ziel 121 und eine erste Aufnahmespulenanordnung 111 aufweisen, die beide eine m-fache Symmetrie haben, wobei m = 10 und ein zweites leitfähiges Ziel 122 und eine zweite Aufnahmespulenanordnung 112, die beide eine n-fache Symmetrie haben, wobei n = 11.
• Basierend auf den gezeigten beiden induzierten Signalen S_i1 , S_i2 kann ein Drehwinkel φ des Rotors 120 relativ zu dem Stator 110 berechnet werden. Insbesondere kann der Drehwinkel φ als eine Funktion von zwei Winkeln φ'm, φ'n berechnet werden, die jeweils von einem jeweiligen der induzierten Signale S_i1 , S_i2 abgeleitet werden können. Genauer gesagt, das erste induzierte Signal S_i1 kann abgetastet werden, die abgetasteten Werte können dann als Koordinaten eines Zeigers interpretiert werden und der Winkel des Zeigers relativ zu der positiven horizontalen Achse kann dann basierend darauf berechnet werden. Das Gleiche kann mit dem zweiten induzierten Signal S₂ durchgeführt werden. Als Folge können die dargestellten Winkel φ'm, φ'n erhalten werden, wobei die Winkel φ'm, φ'n in 5 auch als induktive Winkel bezeichnet werden. Der mechanische Drehwinkel φ des Rotors 120 relativ zu dem Stator 110 kann als eine Funktion der beiden induktiven Winkel φ'm, φ'n berechnet werden, z. B. gemäß φ = f(φ'm, φ'n).
• Beispielsweise kann eine Differenz Δφ'n φ\'m der induktiven Winkel Δφ'n φ\'m der beiden induzierten Signale S_i1 , S_i2 den Drehwinkel φ des Rotors 120 relativ zu dem Stator 110 darstellen, z. B. gemäß φ = φ'n - φ'm. Wie es in 5 ersichtlich ist, ist der mechanische Drehwinkel φ, der gemäß dem hierin beschriebenen Prinzip berechnet wird, über eine volle Umdrehung von 360° eindeutig. Herkömmliche Winkelsensoren, wie sie oben mit Bezugnahme auf 3A und 3B beschrieben wurden, können stattdessen zu mehrdeutigen Lesungen der Signale führen.
• (Es ist anzumerken, dass oben erörterten induktiven Winkel φ'm und φ'n ebenfalls in 4 gezeigt sind, mit m = 4 und n = 3.)
• Aufgrund der Tatsache, dass der induktive Winkelsensor 100 gemäß dem hierin beschriebenen Prinzip Ziele und Aufnahmespulenanordnungen 111, 121 mit einer m-fachen Symmetrie sowie Ziele und Aufnahmespulenanordnungen 112, 122 mit einer n-fachen Symmetrie aufweist, wobei n ≠ m, können die jeweiligen induzierten Signale S_i1 , S_i2 unterschiedliche induktive Winkel φ'm, φ'n aufweisen, wie es in 5 gezeigt ist. Die Differenz Δφ'n φ'm der induktiven Winkel φ'm, φ'n der induzierten Signale S_i1 , S_i2 kann eine eindeutige Lesung des Drehwinkels φ des Rotors 120 über eine volle Umdrehung von 360° liefern.
• Ähnlich wie oben mit Bezugnahme auf die Sägezahnsignale von 3B beschrieben kann beispielsweise das erste induzierte Signal S_i1 , von dem der erste induktive Winkel φ'm abgeleitet werden kann, von den Signalen (z. B. Kosinus und Sinus) berechnet werden, die durch die erste und zweite Aufnahmespule 111a, 111b der ersten Aufnahmespulenanordnung 111 mit der m-fachen Symmetrie aufgenommen werden, während das zweite induzierte Signal S_i2 , von dem der zweite induktive Winkel (φ'n abgeleitet werden kann, von den Signalen (z. B. Kosinus und Sinus) berechnet werden kann, die durch die dritte und vierte Aufnahmespule 112a, 112b der zweiten Aufnahmespulenanordnung 112 mit der n-fachen Symmetrie aufgenommen werden. Basierend darauf kann ein globaler Drehwinkel φ, der den oben erwähnten Drehwinkel (φ des Rotors 120 darstellt, aus der Differenz Δφ'm φ'n der lokalen induktiven Winkel φ'm, φ'n berechnet werden.
• Beispielsweise kann der globale Drehwinkel φ als die Differenz beider lokaler induktiver Winkel φ'm, φ'n berechnet werden gemäß: $$\phi =\mathrm{\phi }\text{'}\text{n}-\mathrm{\phi }\text{'}\text{m mod}360$$

  
• Beispielsweise kann die Differenz wie folgt berechnet werden: $$\begin{array}{l}\text{Differenz}={\text{arctan}}_2\text{{cos}\left(\mathrm{\phi }\text{'}\text{n}\right)\ast \text{cos}\left(\mathrm{\phi }\text{'}\text{m}\right)+\text{sin}\left(\mathrm{\phi }\text{'}\text{n}\right)+\text{sin}\left(\mathrm{\phi }\text{'}\text{m}\right);\text{sin}\left(\mathrm{\phi }\text{'}\text{n}\right)\ast \text{cos}\left(\mathrm{\phi }\text{'}\text{m}\right)-\\ \text{cos}\left(\mathrm{\phi }\text{'}\text{n}\right)\ast \text{sin}\left(\mathrm{\phi }\text{'}\text{m}\right)\text{}}\end{array}$$

  
• Hier ist arctan₂ die Arkustangensfunktion, die den Quadranten berücksichtigt, wo der Winkel ist (wie definiert in EXCEL).
• Diese eindeutige Lesung kann auch als sogenanntes Vernier-Prinzip bezeichnet werden. gemäß einem solchen Ausführungsbeispiel kann die Signalanalysevorrichtung 140 dazu konfiguriert sein, einen ersten Winkel φ'm basierend auf dem ersten induzierten Signal S_i1 von dem ersten leitfähigen Ziel 121 zu bestimmen und einen zweiten Winkel φ'n basierend auf dem zweiten induzierten Signal S_i2 von dem zweiten leitfähigen Ziel 122 zu bestimmen. Die Signalanalysevorrichtung 140 kann ferner dazu konfiguriert sein, einen eindeutigen mechanischen Drehwinkel φ des Rotors 120 relativ zu dem Stator 110 gemäß einem Vernier-Prinzip zu bestimmen, als eine Funktion des ersten und zweiten Winkels φ'm, φ'n gemäß φ = f (φ'm,φ'n).
• Es ist anzumerken, dass das oben beschriebene Vernier-Prinzip durch den induktiven Winkelsensor 100 unabhängig davon bereitgestellt werden kann, ob derselbe eine astatische oder nicht astatische Aufnahmespulenanordnung 111, 112 aufweist. Beispielsweise kann der induktive Winkelsensor 100 des hierin beschriebenen Prinzips astatische Aufnahmespulenanordnungen 111, 112 wie oben beschrieben aufweisen. Alternativ kann der induktive Winkelsensor 100 nicht astatische Aufnahmespulenanordnungen aufweisen. Als weitere alternative Möglichkeit kann der induktive Winkelsensor 100 zumindest eine astatische Aufnahmespulenanordnung und zumindest eine nicht astatische Aufnahmespulenanordnung aufweisen. Wie oben erwähnt kann die Verwendung astatischer Aufnahmespulenanordnungen ein höheres SNR und eine geringere Aufnahme von äußeren Störungen schaffen.
• Zusammenfassend und mit erneuter Bezugnahme auf das beispielhafte Ausführungsbeispiel von 4 kann ein induktiver Winkelsensor 100 bereitgestellt werden, der eine Zielanordnung 123 aufweist, die zwei Ziele 121, 122 mit unterschiedlichen Perioden von 360°/n und 360°/m aufweist (mit z. B. m = n + 1 und n>1, Ganzzahl). Die Zielanordnung 123 kann mit einer einzelnen Erregerspule 113 erregt werden. Entsprechende Sinus- und Kosinussignale können mit einer Periodizität 360°/n und mit einer Periodizität 360°/m erfasst werden und Winkel φ'n, φ'm (phi_n und phi_m) davon können berechnet werden, wobei ein globaler Winkel φ abgeleitet wird.
• Nachfolgend werden einige praktische Implementierungen dargestellt zum Bereitstellen einiger nicht begrenzender praktischer Beispiele des induktiven Winkelsensors 100 gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Prinzip:
• Allgemein kann es zwei Arten von Anordnungen geben, wobei (i) beide Ziele 121, 122 in Axialrichtung gestapelt werden können (die Drehachse erstreckt sich in Axialrichtung) oder (ii) ein Ziel 121 innerhalb eines Kreises platziert werden kann, der auf der Drehachse 130 zentriert ist und das andere Ziel 122 außerhalb eines Kreises, der auf der Drehachse 130 zentriert ist (innere gegenüber äußere Zielspule).
• Die entsprechenden Aufnahmespulen 111, 112 sollten vorzugsweise gleichartig angeordnet sein (aufgrund bestimmter Drehpositionen sollte die Überlappung zwischen Aufnahmespulen 111, 112 und Ziel 121, 122 groß sein).
• Typ (i) kann weniger radialen Raum benötigen und nur vernachlässigbar mehr axialen Raum als Typ (ii). Wie es in den FEM-Simulationsergebnissen nachfolgend zu sehen ist, kann Typ (i) aufgrund der induktiven Kopplung der Zielspulen 121, 122 etwa 30 % Signalverlust aufweisen. Der positive Effekt ist jedoch die oben erwähnte eindeutige Lesung.
• Es ist möglich, alle Aufnahmespulenanordnungen 111, 112 und die Erregerspule 113 auf einem gleichen oder gemeinsamen Substrat zu befestigen, z. B. auf einer gemeinsamen PCB. Dann können dieselben in Bezug zueinander sehr exakt angeordnet werden und diese Platzierung kann auch über Betriebsbedingungen sehr stabil sein.
• Beispielsweise kann der Stator 110 eine PCB mit mehreren Metallschichten aufweisen, beispielsweise eine erste Metallschicht zum Bereitstellen der ersten Aufnahmespule 111a (z. B. m-fach Kosinus) und/oder eine zweite Metallschicht zum Bereitstellen der zweiten Aufnahmespule 111b (z. B. m-fach Sinus) und/oder eine dritte Metallschicht zum Bereitstellen der dritten Aufnahmespule 112a (z. B. n-fach Kosinus) und/oder eine vierte Metallschicht zum Bereitstellen der vierten Aufnahmespule 112b (z. B. n-fach Sinus) und/oder eine fünfte Metallschicht zum Bereitstellen der Erregerspule 113. Eine jeweilige Schaltungsanordnung kann mit den Zielen 121, 122 verbunden sein, um durch die Erregerspule 113 das erregende magnetische Wechselfeld zu erzeugen und durch die Aufnahmespulen 111a, 111b, 112a, 112b die induzierten Spannungen zu erfassen.
• 6 zeigt eine mögliche Implementierung einer astatischen Aufnahmespulenanordnung 111, die eine erste und zweite astatische Aufnahmespule 111a, 111b aufweist. Die astatische Aufnahmespulenanordnung 111 weist eine m-fache Symmetrie auf. Entsprechend können die erste und die zweite astatische Aufnahmespule 111a, 111b auch eine m-fache Symmetrie aufweisen. Bei diesem Beispiel ist die erste astatische Aufnahmespule 111a eine Kosinusaufnahmespule (gestrichelte Linien) und die zweite astatische Aufnahmespule 111b ist eine Sinusaufnahmespule (durchgezogene Linien). Beide astatische Aufnahmespulen 111a, 111b sind beispielhaft in zwei Metallschichten in einer 2-Schicht PCB implementiert. Die blaue Farbe stellt die untere Schicht dar und die orangene Farbe stellt die obere Schicht dar. Falls zwei Segmente einer unterschiedlichen Farbe sich treffen, kann es ein Durchgangsloch geben.
• Zusätzlich oder alternativ können die beiden Ziele 121, 122 auf einem gleichen Substrat (z. B. einem Halter) befestigt sein, der dieselben optional an einer drehbaren Welle zum Drehen des Rotors 120 um die Drehachse 130 anbringen kann. Falls die beiden Ziele 121, 122 zusammen an der Welle befestigt sind, können dieselben genau miteinander ausgerichtet sein.
• Zumindest eines der Ziele 121, 122 kann eine Spule mit einer oder mehreren Wicklungen aufweisen. Zumindest eines der Ziele 121, 122 kann auf zumindest einem Abschnitt eines gemeinsamen Substrats als eine Leiterspur implementiert sein, zum Beispiel auf einer oberen oder unteren Seite oder in einer PCB. Es ist möglich, unterschiedliche Schichten der PCB für jedes Ziel 121, 122 (z. B. Spulen) zu verwenden, beispielsweise eine erste Schicht auf der PCB und eine zweite Schicht an der Unterseite der PCB. Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere Schichten in einem PCB Stapel möglich sein zum Bereitstellen des einen oder mehreren Ziele 121, 122 als Leiterspuren. Beispielsweise können mehrere Schichten für jedes Ziel 121, 122 verwendet werden und dieselben auf solche Weise kombiniert werden, dass die Ziele 121, 122 höchst symmetrisch sind aber galvanisch voneinander getrennt sind. Allgemein können die Ziele 121, 122 alle Schichten der PCB gemeinschaftlich verwenden, z. B. können einige Segmente des ersten Ziels 121 in der gleichen Schicht implementiert sein wie einige Segmente des zweiten Ziels 122, ohne Kurzschlüsse zwischen beiden Zielen 121, 122.
• Beispielsweise kann die Zielanordnung 123 bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel zwei kurzgeschlossene leitfähige Ziele 121, 122 (z. B. Zielspulen) aufweisen, mit n = 3 und m = 4 regelmäßigen Schleifen 401 bis 408. Beispielsweise können die leitfähigen Ziele 121, 122 als zwei Spulen auf einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB) implementiert sein, die optional an dem Rotor 120 fixiert sein kann. Dann könnte nur eine einzelne Metallschicht pro Spule 121, 122 ausreichen.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können das erste und das zweite Ziel 121, 122 aus Blech hergestellt sein, wo Teile ausgestanzt oder weggeätzt werden können - dann können die verbleibenden Teile des Blechs als Leiter/Drähte der Ziele 121, 122 (z. B. Spulen) wirken. Beispielsweise kann das erste leitfähige Ziel 121 aus Blech hergestellt sein, das eine geometrische Form mit einer m-fachen Symmetrie aufweist, zum Beispiel Zähne und Einkerbungen hat. Zusätzlich oder alternativ kann das zweite leitfähige Ziel 122 aus Blech hergestellt sein, das eine symmetrische Form mit einer n-fachen Symmetrie aufweist.
• Wie oben erwähnt, kann es vorteilhaft sein, beide Ziele 121, 122 nicht voneinander zu trennen, sondern dieselben in einem gemeinsamen Knoten 410 kurzzuschließen, was in 4 beispielhaft dargestellt ist. Anders ausgedrückt, das erste leitfähige Ziel 121 und das zweite leitfähige Ziel 122 können mit einem gemeinsamen elektrischen Potenzial 410, z. B. Masse verbunden sein. Dies kann Floating vermeiden, da die kurzgeschlossenen Ziele 121, 122 das gleiche Gleichsignalpotenzial aufweisen können. Oder anders ausgedrückt, dies vermeidet nach wie vor Schleifenströme, die durch beide Ziele 121, 122 fließen, wobei die Schleifenströme zu Winkelfehlern führen können, aber es verbindet das Potenzial beider Ziele 121, 122 miteinander. Darüber hinaus kann dieser gemeinsame Knoten 410 elektrisch mit Systemmasse verbunden sein. Falls beispielsweise eine drehbare Welle zum Drehen des Rotors 120 relativ zu dem Stator 110 leitfähig wäre, kann es gut sein, den gemeinsamen Knoten 410 elektrisch mit der Welle zu verbinden. Die Welle ist normalerweise durch ihre Lager geerdet. Falls nicht leitfähige Lager verwendet werden, kann es notwendig sein, eine Bürste oder Feder zu verwenden, um elektrischen Kontakt zwischen der drehbaren Welle und dem Masseknoten in dem Stator 110 herzustellen.
• In einem elektromagnetischen Sensorsystem ist es allgemein riskant, ein Metallteil floaten zu lassen aufgrund verschiedener Effekte, wie zum Beispiel Reibung, kann sich dasselbe auf ein sehr hohes elektrisches Potenzial aufladen, das große elektrische Felder abgibt und dies kann naheliegenden elektronischen Teilen schaden, z. B. können dieselben beschädigt werden oder das große elektrische Feld kann Langzeit-Drifts der empfindlichen elektronischen Schaltungsanordnung ergeben.
• Falls das Ziel 121, 122 eine massive Metallplatte ist und ein Befestigungsabschnitt zum Befestigen der Ziele 121, 122 an der Welle auch ein Metallflansch ist, wird automatisch ein elektrischer Kontakt mit der metallischen drehbaren Welle hergestellt. Falls der Befestigungsabschnitt teilweise aus Plastik besteht, kann derselbe leitfähiges Pulver (wie Graphit) enthalten, um elektrischen Kontakt zwischen den Zielen 121, 122 und der Welle herzustellen, wobei nur eine geringe Leitfähigkeit ausreichend sein kann. Falls das Ziel 121, 122 eine Spule auf einer PCB ist, kann die PCB über elektrisch leitfähige Einrichtungen an der Welle angebracht werden: z. B. können die Spulen 121, 122 einen Draht aufweisen, der zu der Metallschraube geht, die die PCB an der Welle fixiert.
• Als weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel kann die Erregerspule 113 drehbar symmetrisch sein, so dass Wirbelströme in dem Ziel 121, 122 sich gegen den Drehwinkel nicht ändern. Falls die Selbstinduktivität der Erregerspule 113 Le ist und die Selbstinduktivitäten der beiden Ziele Lt1, Lt2 sind und falls die gegenseitige Induktivität zwischen der Erregerspule 113 und dem ersten Ziel 121 Me1 ist und die gegenseitige Induktivität zwischen der Erregerspule 113 und dem zweiten Ziel 122 Me2 ist und die gegenseitige Induktivität zwischen beiden Zielen 121, 122 M12 = sqrt(Lt1*Lt2)*ks ist, wobei ks klein aber nahe 1 ist (gute Kopplung zwischen den Zielspulen, da dieselben nahe zueinander sind) und falls der Strom in der Erregerspule 113 le ist, der Strom in dem ersten Ziel 121 I1 und der Strom in dem zweiten Ziel 122 ist 12, gilt Folgendes (falls alle resistiven Verluste vernachlässigt werden) $$\begin{array}{l}\text{It1}=\text{Ie}\ast \left(\text{Me}2\ast \text{sqrt}\left(\text{Lt1}\right)-\text{Me}1\ast \text{sqrt}\left(\text{Lt2}\right)\right)\text{/}\left(2\ast \left(1-\text{ks}\right)\ast \text{Lt1}\ast \text{sqrt}\left(\text{Lt2}\right)\right)\\ \text{It2}=-\text{Ie}\ast \left(\text{Me}2\ast \text{sqrt}\left(\text{Lt1}\right)-\text{Me}1\ast \text{sqrt}\left(\text{Lt2}\right)\right)\text{/}\left(2\ast \left(1-\text{ks}\right)\ast \text{Lt2}\ast \text{sqrt}\left(\text{Lt1}\right)\right)\\ \text{Out}\left[35\right]=\text{{{It}1\to \\ \frac{\text{Iew}\left(-\text{i Me1 R}3+\text{Lt2 Me1 w}-\text{M12 Me2 w}\right)}{\text{R2 R3}+\text{i}\left(\text{Lt2 R}2+\text{Lt1 R}3\right)\text{w}+\left(-\text{Lt1 Lt}2+\text{M}{12}^2\right){\text{w}}^{2\text{'}}}\\ I\to \\ -\frac{\text{Iew}\left(\text{i Me2 R2}+\text{M12 Me1 w}-\text{Lt1 Me2 w}\right)}{\text{R2 R3}+\text{i}\left(\text{Lt2 R}2+\text{Lt1 R}3\right)\text{w}+\left(-\text{Lt1 Lt}2+\text{M}{12}^2\right){\text{w}}^2}\text{}}}\end{array}$$

  
• Mit Bezugnahme auf die in 1, 2 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiele wurde eine FEM Simulation durchgeführt, um die obigen mathematischen Theorien zu beweisen, die dem hierin beschriebenen Konzept zugrunde liegen.
• Eine Anordnung des Typs (i) „gestapelt in Axialrichtung“ wird betrachtet. Bei dieser FEM-Simulation hat die Erregerspule 113 einen Durchmesser von 30 mm in z = 0. Das 3-fache Ziel 121 in z = 2,5 mm hat einen Außendurchmesser von 26 mm und einen Innendurchmesser von 8,8 mm (Kanten geglättet mit 3 mm Radius). Das 4-fache Ziel 122 in z = 3,0 mm hat einen Außendurchmesser von 26 mm und einen Innendurchmesser von 9,3 mm (Kanten geglättet mit 2 mm Radius).
  Ergebnisse der Simulation: $$\begin{array}{l}\text{Le}=104\text{ nH},\text{ Lt}1=\mathrm{109,7}\text{ nH}\text{, Lt2}=102\text{ nH}\text{, Me}1=\mathrm{13,83}\text{ nH}\text{, Me2}=\mathrm{15,4}\text{ nH}\text{, }\\ \text{M}12=\mathrm{18,96}\text{ nH }\\ \to \text{It1/Ie=}-\text{0}\text{,1 und It2/Ie=}-\text{0}\text{,13 }\end{array}$$

  

  Wie erwartet ist der Strom in dem unteren Ziel 121 größer, da dasselbe näher zu der Erregerspule 113 ist. Die Ströme in den Zielen 121, 122 sind etwa 10 Mal kleiner als in der Erregerspule 113.
• (Es ist anzumerken, dass es keine induktive Kopplung der Ziele 121, 122 mit den Aufnahmespulen 111, 112 gibt, da die gegenseitigen Induktivitäten verschwinden)
• Falls die Ziele 121, 122 Spulen waren, die Drähte mit 20 um Dicke und 0.1 mm Breite aufweisen und aus Kupfer hergestellt sind, ist deren Widerstandswert grob 0,8 Ohm. Falls diese Drahtwiderstandswerte zu der Berechnung hinzugefügt werden, sind die Ströme beinahe die gleichen. Falls die Anzahl der Windungen pro Zielspule 121, 122 erhöht wird, steigen die Induktivitäten ungefähr ~n², während die Widerstandswerte nur ~n steigen => somit können die Widerstandswerte noch stärker unterdrückt werden durch Erhöhen des Windungszählwerts.
• Falls die Widerstandswerte erneut vernachlässigt werden und M12 = 0 gesetzt wird (d. h. keine induktive Kopplung zwischen den beiden Zielen 121, 122), erhält man: It1/le = -0,13 und It2/le = -0,15. Dies bedeutet, dass die induktive Kopplung der beiden Ziele 121, 122 die induzierten Ströme (und daher auch die Spannungen in den Aufnahmespulen 111, 112) um ungefähr 30 % reduziert. Der induktive Winkelsensor 100 stellt jedoch das zusätzliche Merkmal einer eindeutigen 360° Winkelerfassung bereit.
• 7A, 7B und 7C zeigen ein Beispiel eines induktiven Winkelsensors 100 gemäß Typ (ii), d. h. mit zwei Zielen 121, 122, die radial angeordnet sind. Wie es in 6A gezeigt ist, kann die Zielanordnung 123 eine dünne kreisförmige Metallplatte mit zwei Ringen aus Löchern sein, wobei der erste (innere) Ring das erste Ziel 121 bereitstellen kann und der zweite (äußere) Ring das zweite Ziel 122 bereitstellen kann. Der innere Ring 121 kann eine 8-fache Symmetrie aufweisen und der äußere Ring 122 kann eine 9-fache Symmetrie aufweisen. Der innere schwarze Ring 601 kann ein Flansch sein, um die Zielanordnung 123 an einer drehbaren Welle anzubringen.
• Die entsprechende Erregerspule kann aussehen wie diejenige, die in 7B gezeigt ist. Die Stromrichtung in den gezeigten zwei unterschiedlichen Zweigen (rot und grün) ist identisch, falls dieselben benachbarte kreisförmige Bögen sind und antiparallel, falls dieselben benachbarte radiale Segmente sind. Ein Vorteil dieser Erregerspule 113 besteht darin, dass dieselbe astatisch ist: dieselbe kann ein antiparalleles Magnetfeld auf dem inneren und äußeren Ring 121, 122 der Zielanordnung 123 erzeugen. Falls die Radien der Ringe und die Windungszählwerte der Ringe entsprechend gewählt werden, kann bewirkt werden, dass das Gesamtmagnetdipolmoment der Erregerspule 113 verschwindet. Es ist anzumerken, dass 6B nur einzelne Schleifen pro Ring zeigt aber selbstverständlich können jedem Ring mehrere Schleifen hinzugefügt werden.
• Die Erregerspule 113 und die Zielanordnung 123 können wie in der in 7 gezeigten Draufsicht ausgerichtet sein.
• Unabhängig davon, ob die Ziele 121, 122 radial angeordnet sind, wie in (ii) oder axial wie in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß (i), sind Hybridausführungsbeispiele (nicht explizit gezeigt) möglich, bei denen ein Ziel, z. B. das erste Ziel 121 astatisch sein kann und ein anderes Ziel, z. B. das zweite Ziel 122 nicht astatisch sein kann. Das astatische erste Ziel 121 kann beispielsweise als eine astatische Leiterstruktur auf einer Schaltungsplatine implementiert sein, z. B. eine Spule oder eine Leiterbahn auf einer PCB. Das nicht astatische zweite Ziel 122 kann beispielsweise ein gestanztes Teil aufweisen, das aus Metall hergestellt ist, z. B. mit abwechselnden Zähnen und Einkerbungen. Alternativ kann das nicht astatische zweite Ziel 122 als gelochte Scheibe oder jede andere geometrische Form vorgesehen sein, die nicht astatisch ist.
• Gemäß einem solchen Hybridausführungsbeispiel kann die Zielanordnung 123 eine Kombination aus einem nicht astatischen Ziel 122, das ein gestanztes Metallteil aufweist und einer Schaltungsplatine, z. B. einer PCB, sein, wobei ein astatisches Ziel 121 auf der Schaltungsplatine implementiert sein kann. Das gestanzte Metallteil kann fest an der Schaltungsplatine angebracht sein, z. B. durch Nietenbildung, Haftverbinden, Kleben, Gießen, Formen oder dergleichen.
• Zusätzlich oder alternativ kann das gestanzte Teil, das aus Metall hergestellt ist, auf eine Rotorwelle zum Drehen des Rotors 120 um die Drehachse 130 pressgepasst sein. Dies würde es ermöglichen, den Rotor 120, der das astatische und das nicht astatische Ziel 121, 122 aufweist, ohne Weiteres an der Rotorwelle anzubringen. Falls das gestanzte Teil, das aus Metall hergestellt ist, fest an der Schaltungsplatine angebracht ist, kann es das Presspassen dementsprechend auch ermöglichen, die Schaltungsplatine (die ein astatisches Ziel umfassen kann) an der Rotorwelle anzubringen.
• Falls bei solch einem Hybridausführungsbeispiel ein astatisches Ziel mit einem nicht astatischen Ziel kombiniert werden kann, kann es bevorzugt werden, das astatische Ziel (in einer vertikalen Richtung entlang der Drehachse 130) zwischen dem Stator 110 und dem nicht astatischen Ziel anzuordnen. Ansonsten kann das nicht astatische Ziel die magnetischen Wechselfelder der Erregerspule 113 von dem astatischen Ziel abschirmen.
• Der induktive Winkelsensor 100 gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Prinzip kann die folgenden Vorteile bereitstellen:
• • Der induktive Winkelsensor 100 benötigt nicht mehr Leistung als herkömmliche Sensoren, da eine einzelne Erregerspule 113 für beide Ziele 121, 122 arbeiten kann.
• • Die Ziele 121, 122 können auch kostengünstig sein, da keine zwei getrennte Scheiben für die Ziele 121, 122 benötigt werden, sondern beide Ziele 121, 122 auf der gleichen Scheibe implementiert sein können. Dies macht dieselbe kostengünstig und genau und klein.
• • Der Erfassungsaufwand für die lokalen Phasenwinkel φ₁ und φ₂ kann zweimal so hoch sein, aber andererseits kann man dieselben als redundante Systeme mit erhöhter Zuverlässigkeit verwenden.
• • Ein großer Vorteil ist, dass im Stand der Technik jedes Mal, wenn ein Motor mit 3 Polpaaren gesteuert werden muss, ein System mit 3-facher Ziel- und Aufnahmespulensymmetrie benötigt wird, und jedes Mal, wenn ein Motor mit 4 Polpaaren gesteuert werden muss, ein 4-faches Ziel mit zweckgebundener Aufnahmespulensymmetrie benötigt wird. Mit dem hierin beschriebenen innovativen Prinzip kann man einen einzelnen induktiven Winkelsensor 100 (z. B. mit n = 3 und m = 4) herstellen, um eine einmalige Lesung über volle 360° zu erhalten, die alle Arten von Motoren bedienen kann, die eine beliebige Anzahl von Polpaaren aufweisen.
• • Die Zielanordnung 123 weist zwei Ziele 121, 122 auf, die Flüsse mit 360°/n Periodizität und 360°/m Periodizität erzeugen.
• • Die Aufnahmespulen 111, 112 können die gleichen Periodizitäten aufweisen und dieselben können astatisch sein
  • ◯somit können die Aufnahmespulen 111, 112 nur auf Flüsse ihrer eigenen Periodizität ansprechen
  • ◯ somit gibt es kein Nebensprechen zwischen den beiden Teilsystemen der Periodizitäten 360°/n und 360°/m
  • ◯ somit wird nicht mehr Raum oder Leistung für zwei Teilsysteme statt einem benötigt
  • ◯ das Nonius/Vernier-Prinzip kann verwendet werden
• • die Ziele 121, 122 können nicht astatisch sein, somit kann es eine gegenseitige Induktivität zwischen beiden Zielen 121, 122 geben
• Wie oben erwähnt, falls die Ziele 121, 122 nicht astatisch sind, kann es eine kleine gegenseitige Induktivität zwischen beiden Zielen 121, 122 geben. Somit kann das oben beschriebene Konzept auf ein weiteres Ausführungsbeispiel ausgedehnt werden, bei dem der Rotor 120 ein oder mehrere astatische Ziele 121, 122 aufweisen kann. Für die Definition von astatisch wird auf die obige Definition in Bezug auf die astatischen Aufnahmespulen 111a, 111b, 112a, 112b Bezug genommen. Ein astatisches Ziel kann beispielsweise durch astatische Spulen mit Wicklungen bereitgestellt werden, die oben in Bezug auf die astatischen Aufnahmespulen 111a, 111b, 112a, 112b beschrieben sind.
• 8 zeigt ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines induktiven Winkelsensors 100, der einen Rotor 120 mit einer astatischen Zielanordnung 123 aufweist und einen Stator 110 mit einer astatischen Aufnahmespulenanordnung 111 aufweist.
• Wie es ersichtlich ist, kann der Stator 110 eine Erregerspule 113 und zumindest eine Aufnahmespulenanordnung 111 aufweisen, wobei die Aufnahmespulenanordnung 111 eine m-fache Symmetrie aufweist. Bei diesem Beispiel weist die Aufnahmespulenanordnung 111 eine 3-fache Symmetrie mit m = 3 auf. Wie oben beschrieben, kann die Aufnahmespulenanordnung 111 eine erste Aufnahmespule 111a (z. B. Kosinus) und eine zweite Aufnahmespule 111b (z. B. Sinus) aufweisen. Die erste und die zweite Aufnahmespule 111a, 111b können eine m-fache Symmetrie aufweisen, z. B. eine 3-fache Symmetrie. Die erste und die zweite Aufnahmespule 111a, 111b können relativ zueinander um 90°/m um die Drehachse 130 gedreht werden, mit m = 3 für die 3-fachen Aufnahmespulen.
• Der Rotor 120 kann eine Zielanordnung 123 aufweisen, die zumindest ein erstes leitfähiges Ziel 121 mit einer m-fachen Symmetrie aufweist, die der m-fachen Symmetrie der zumindest einen Aufnahmespulenanordnung 111 entspricht. Bei diesem Beispiel hat das erste leitfähige Ziel 121 eine 3-fache Symmetrie mit m = 3. Ferner ist gemäß diesem Aspekt die Zielanordnung 123 und insbesondere das erste leitfähige Ziel 121 astatisch.
• Der Rotor 120 kann zusätzlich eine sekundäre Spule 124 aufweisen. Die Erregerspule 113 kann als passende primäre Spule dienen. Die Erregerspule 113 kann mit einem Wechselstrom gespeist werden, z. B. durch einen Oszillator 800 zum induktiven Koppeln eines Induktionsstroms in die sekundäre Spule 124, wie es mit dem Doppelkopfpfeil zwischen primärer und sekundärer Spule 113, 124 gezeigt ist. Die astatischen Spulen (Ziel- und Aufnahmespulen) haben keine gegenseitige Kopplung miteinander oder mit der sekundären und primären Spule.
• Die sekundäre Spule 124 kann die Zielanordnung 123 mit Leistung versorgen. Daher kann die sekundäre Spule 124 mit der Zielanordnung 123 und insbesondere mit dem ersten leitfähigen Ziel 121 elektrisch gekoppelt sein, so dass der Induktionsstrom zu einem Magnetfluss mit einer Periodizität von 360°/m in dem ersten leitfähigen Ziel 121 führt. Der Magnetfluss mit der Periodizität von 360°/m wiederum induziert ein induziertes Signal S_i1 in der zumindest einen Aufnahmespulenanordnung 111 mit der m-fachen Symmetrie.
• Der induktive Winkelsensor 100 kann ferner eine Signalanalysevorrichtung 140 zum Bestimmen einer Drehposition des Rotors 120 basierend auf dem induzierten Signal S_i1 aufweisen. Da die Aufnahmespulenanordnung 111 eine erste und zweite Aufnahmespule 111a, 111b aufweisen kann, z. B. zum Erzeugen von Kosinus- und Sinussignalen, wie es oben mit Bezugnahme auf 3A beschrieben ist, kann ein lokaler induktiver Winkel (φ'm berechnet werden, wie es oben mit Bezugnahme auf 3B beschrieben ist. Ein mechanischer Drehwinkel φ des Rotors 120 kann dann von dem lokalen induktiven Winkel φ'm berechnet werden.
• Die Kopplung zwischen der Erregerspule 113 (primäre Spule) und der sekundären Spule 124 ist derart, dass die elektrische Energie, die zwischen beiden Spulen 113, 124 gekoppelt wird, im Wesentlichen konstant ist in Bezug auf die Position des Rotors 120. Beispielsweise können die Erregerspule 113 und die sekundäre Spule 124 eine Kreisform aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können die Erregerspule 113 und die sekundäre Spule 124 in Bezug auf die Drehachse 130 zentriert sein.
• Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen (1 bis 7C) wurde elektrische Energie von der Erregerspule 113 direkt in die Zielanordnung 123 übertragen. Dort erzeugt dieselbe Wirbelströme mit einer spezifischen Winkelstruktur, nämlich mit k-facher Symmetrie. Das sekundäre Magnetfeld, das durch diese Wirbelströme erzeugt wird, verursacht die induzierte Signale S_i1 , S_i2 , die durch die Aufnahmespulenanordnungen, 111, 112 mit der gleichen winkelförmigen k-fachen Symmetrie erfasst wurden.
• Das mit Bezugnahme auf 8 und folgende beschriebene Ausführungsbeispiel kann die beiden Schritte „Übertragen elektrischer Energie zwischen Erregerspule 113 und Zielanordnung 123“ und „Erzeugen einer Winkelstruktur mit k-facher Symmetrie“ in getrennte Schritte aufteilen, die durch getrennte Komponenten ausgeführt werden. Dann können diese Komponenten für ihren einzelnen Zweck optimiert werden und dies erhöht die Leistungsfähigkeit des Winkelsensors 100.
• Wie es in 8 ersichtlich ist, kann das erste leitfähige Ziel 121 eine Zielspule aufweisen, die eine Anzahl von 2*m Schleifen 401 bis 406 (hier: 6 Schleifen) aufweist, die entlang einer vollen Umdrehung von 360° in einem Ringbereich angeordnet sind, wobei benachbarte Schleifen eine entgegengesetzte Wicklungsrichtung aufweisen.
• Ähnlich zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen in Bezug auf die astatischen Aufnahmespulen 111, 112 kann die astatische Zielspule einen ersten Satz von Schleifen aufweisen, der alle Schleifen mit einer ersten Umdrehungsrichtung aufweist, und einen zweiten Satz von Schleifen, der alle Schleifen mit einer entgegengesetzten zweiten Umdrehungsrichtung aufweist. Der erste Satz von Schleifen kann sich über einen ersten Bereich erstrecken und der zweite Satz von Schleifen kann sich über einen zweiten Bereich erstrecken, wobei der erste und zweite Bereich der zweiten Zielspule identisch sein können, so dass das zweite leitfähige Ziel 122 astatisch ist.
• Außerdem kann die entsprechende Aufnahmespulenanordnung 111 optional auch astatisch sein, wie es oben beschrieben ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die entsprechende Aufnahmespulenanordnung 111 nicht astatisch ist. Ferner kann dieses Ausführungsbeispiel, das die astatische Zielanordnung 123 aufweist, auch mit dem oben beschriebenen Vernier-Prinzip kombiniert werden.
• 9 zeigt ein Beispiel eines induktiven Winkelsensors 100, der eine astatische Zielanordnung 123 aufweist, die ein erstes astatisches leitfähiges Ziel 121 und ein zweites astatisches leitfähiges Ziel 122 aufweist. Das erste und das zweite astatische leitfähige Ziel 121, 122 können entlang der Drehachse 130 vertikal gestapelt sein. Außerdem kann der Winkelsensor 100 optional eine astatische erste Aufnahmespulenanordnung 111 und eine astatische zweite Aufnahmespulenanordnung 112 aufweisen.
• Zum Zweck der Sichtbarkeit sind nur die Kosinusaufnahmespulen 111a, 112a der ersten und zweiten Aufnahmespulenanordnung 111, 112 gezeigt. In der Realität kann es mehr als zwei Aufnahmespulen geben, wie es in den obigen Ausführungsbeispielen beschrieben ist, nämlich die Sinusaufnahmespulen 111b, 112b.
• Gemäß diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann der Stator 110 eine zweite Aufnahmespulenanordnung 112 aufweisen, die eine n-fache Symmetrie aufweist, wobei n kleiner ist als m und m und n vorzugsweise unterschiedlich sind und keinen gemeinsamen Teiler außer 1 haben.
• Die Zielanordnung 123 kann ein zweites leitfähiges Ziel 122 aufweisen, das eine n-fache Symmetrie aufweist, die der n-fachen Symmetrie der oben erwähnten zweiten Aufnahmespulenanordnung 112 entspricht.
• Die sekundären Spule 124 kann mit dem zweiten leitfähigen Ziel 122 elektrisch gekoppelt sein, so dass der Induktionsstrom zu einem Magnetfluss mit einer Periodizität von 360°/n in dem zweiten leitfähigen Ziel 122 führt. Der Magnetfluss mit der Periodizität von 360°/n induziert ein weiteres induziertes Signal S_i2 in der zweiten Aufnahmespulenanordnung 112 mit der n-fachen Symmetrie.
• Die Signalanalysevorrichtung 140 kann konfiguriert sein, um eine Drehposition des zweiten leitfähigen Ziels 122 basierend auf dem weiteren induzierten Signal S_i2 zu bestimmen, das in der zweiten Aufnahmespulenanordnung 112 induziert ist.
• Das zweite leitfähige Ziel 122 kann astatisch sein. Wie es ersichtlich ist, kann das zweite leitfähige Ziel 122 eine zweite Zielspule aufweisen, die eine Anzahl von 2*n Schleifen 901 bis 904 aufweist, die entlang einer vollen Umdrehung von 360° in einem Ringbereich angeordnet sind, wobei benachbarte Schleifen eine entgegengesetzte Wicklungsrichtung aufweisen.
• Die zweite Zielspule kann einen ersten Satz von Schleifen aufweisen, der alle Schleifen mit einer ersten Umdrehungsrichtung aufweist, und einen zweiten Satz von Schleifen, der alle Schleifen mit einer entgegengesetzten zweiten Umdrehungsrichtung aufweist. Der erste Satz von Schleifen kann sich über einen ersten Bereich erstrecken und der zweite Satz von Schleifen kann sich über einen zweiten Bereich erstrecken, wobei der erste und der zweite Bereich der zweiten Zielspule identisch sein können, so dass das zweite leitfähige Ziel 122 astatisch ist.
• Zusätzlich kann die entsprechende zweite Aufnahmespulenanordnung 112 optional auch astatisch sein, wie es oben beschrieben ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die entsprechende zweite Aufnahmespulenanordnung 112 nicht astatisch ist.
• Wie oben erwähnt, kann die Zielanordnung 123 dieses Ausführungsbeispiels astatisch sein (= differential). Insbesondere kann zumindest eines des ersten und des zweiten leitfähigen Ziels 121, 122 astatisch sein. Dies bedeutet, dass jedes homogene Magnetfeld, das auf ein leitfähiges Ziel 121, 122 trifft, null Nettofluss durch dasselbe ergibt. Falls dieses Feld zeitlich variierend ist, induziert es keine Spannung in dem Ziel 121, 122. Darüber hinaus verschwindet die gegenseitige Induktivität zwischen beiden Zielen 121, 122. Außerdem verschwindet die gegenseitige Induktivität zwischen jedem Ziel 121, 122 und der sekundären Spule 124. Außerdem verschwindet die gegenseitige Induktivität zwischen jedem Ziel 121, 122 und der Erregerspule 113.
• Dies ist ein Unterschied zu Winkelsensoren ohne astatische Ziele, wobei jedes Mal, wenn ein variables Magnetfeld auf das Ziel trifft, dasselbe Wirbelströme in dem Ziel erzeugt und es eine induktive Kopplung (d. h. eine gegenseitige Induktivität) zwischen zwei nahegelegenen Zielen vorliegt.
• Da dieses Ausführungsbeispiel keine induktive Kopplung zwischen den beiden Zielen 121, 122 aufweist, stören dieselben einander nicht, d. h. es gibt kein Nebensprechen zwischen denselben. Ferner sind die astatischen Ziele 121, 122 weniger anfällig für äußere Störfelder. Falls die astatischen Ziele 121, 122 eine perfekte Geometrie aufweisen, würden die äußeren Störfelder überhaupt keine Induktionsströme in den astatischen Zielen 121, 122 erzeugen.
• Da dieses Ausführungsbeispiel keine induktive Kopplung zwischen der primären Spule 113 und jeder Zielspule 121, 122 aufweist, kann die sekundäre Spule 124 diese Aufgabe übernehmen, da die sekundäre Spule 124 eine maximale induktive Kopplung zu der primären Spule 113 haben kann. Entsprechend kann die sekundäre Spule 124 die Ziele 121, 122 mit elektrischer Energie versorgen.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die induktive Kopplung zwischen der primären und der sekundären Spule 113, 124 während der Drehung konstant sein, d. h. ihre gegenseitige Induktivität M12 hängt nicht von dem Drehwinkel des Rotors 120 ab. Dies stellt sicher, dass die Ziele 121, 122 für alle Drehpositionen mit konstanter elektrischer Energie versorgt werden.
• Ein weiterer Vorteil der astatischen Ziele 121, 122 ist die Tatsache, dass dieselben den entsprechenden Aufnahmespulenanordnungen 111, 112 ähnlicher sind, was deren induktive Kopplung verbessert.
• Wie oben erwähnt, falls die Ziele 121, 122 eine Spule aufweisen, können dieselben durch die Form der Wicklungen der Spulen astatisch gemacht werden. Beispielsweise erstrecken sich in einer Zielspule mit n-facher Symmetrie die Drähte über 2*n Schleifen, die in zwei Sätze gruppiert sein können. Falls man den Draht entlanggeht, ist der Bereich, über den sich die Schleifen erstrecken, für Schleifen des ersten Satzes an der linken Seite und für Schleifen des zweiten Satzes an der rechten Seite. Die Spule ist astatisch, falls die Summen überspannter Bereiche aller Schleifen von jedem Satz identisch sind. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel können alle Schleifen, die eine identische Form haben, durch ein ganzzahliges Mehrfaches von 180°/n gegeneinander gedreht werden für Spulen mit n-facher Symmetrie, und die Schleifen überlappen nicht und benachbarte Schleifen können zwischen denselben Leerstellen belassen, die so klein wie möglich sind. Somit schneiden die 2*n Schleifen beinahe alle 360° einer ringförmigen Region. Zwei benachbarte Schleifen können zu einem Paar gruppiert werden. Dies ergibt dann n Paare. Die zwei Schleifen in jedem Paar haben einen gleichen Bereich aber eine entgegengesetzte Wicklungsrichtung, so dass ein homogener Fluss durch die beiden sich aufgrund des unterschiedlichen Vorzeichens in jeder Schleife aufhebt. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel können alle Paare eine identische Form haben.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Zielspulen 121, 122 als leitfähige Bahnen auf einer PCB implementiert sein. Andere Herstellungsverfahren können Bleche bereitstellen, die gestanzt oder geätzt und mit Zwischenisolationsschichten gestapelt sind.
• Wie oben erwähnt können das erste und zweite leitfähige Ziel 121, 122 entlang der Drehachse 130 vertikal aufeinander gestapelt sein. Die vertikale Höhe dieser vertikal gestapelten Ziele 121, 122 kann sehr gering sein, z. B. falls die leitfähigen Ziele 121, 122 dünne Metallschichten in einer PCB aufweisen oder in dieser vorgesehen sein können, wobei diese Metallschichten in dem Bereich von Zehntelmillimetern voneinander beabstandet sein können.
• Wie es in 9 zu sehen ist, können die Zielanordnung 123 und insbesondere beide Ziele 121, 122 durch die sekundäre Spule 124 mit Energie versorgt werden. Beispielsweise können beide Ziele 121, 122 über die Anschlüsse der sekundären Spule 124 in Reihe geschaltet sein. Somit fließt der gesamte Strom, der von der primären Spule 113 in die sekundäre Spule 124 induziert wird, auch durch beide Ziele 121, 122. Alternativ können auch die sekundäre Spule 124 und die beiden Ziele 121, 122 parallel geschaltet werden. Dann wird der Strom, der durch die sekundäre Spule 124 bereitgestellt wird, zwischen beiden Zielen 121, 122 gemäß deren Impedanzen aufgeteilt.
• Das System kann jedoch auch sehr viel komplexer sein. Beispielsweise kann zwischen der sekundären Spule 124 und den Zielen 121, 122 eine elektronische Schaltung vorgesehen sein.
• 10 zeigt ein Beispiel eines induktiven Winkelsensors 100 gemäß dem innovativen Prinzip. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann der Rotor 120 ferner eine Schaltung 1000 aufweisen, die zwischen die sekundäre Spule 124 und die Zielanordnung 123 elektrisch geschaltet ist, zum Versorgen der Zielanordnung 123 mit Energie, wobei die Schaltung 1000 dazu konfiguriert sein kann, den Induktionsstrom zu manipulieren, der durch die sekundäre Spule 124 empfangen wird, und um einen manipulierten Strom an die Zielanordnung 123 zu liefern.
• Die Schaltung 1000 kann an dem Rotor 120 befestigt sein und kann ihre Leistung durch die sekundäre Spule 124 empfangen. Die Schaltung 1000 kann einen Gleichrichter aufweisen, um die Wechsellsignalleistung in die Gleichsignalleistung umzuwandeln. Dieselbe kann auch Phasenregelschleifen oder Frequenzteiler oder einen Oszillator, Bandlückenschaltungen, Leistungsverstärker, Impedanzanpassungsstrukturen aufweisen. Somit kann dieselbe die Ziele 121, 122 mit anderer Frequenz betreiben als den Oszillator 800 in dem Stator 110 und auch mit anderen Frequenzen als die verschiedenen Ziele 121, 122. Dies kann vorteilhaft sein, um induktives und/oder kapazitives Nebensprechen zwischen der Erreger- (primären) Spule 113 den Zielen 121, 122 und den Aufnahmespulenanordnungen 111, 112 weiter zu reduzieren.
• Zusammenfassend kann eine induktive Kopplung zwischen dem Stator 110 und dem Rotor 120 durch die primäre Spule (Erregerspule) 113 und die sekundäre Spule 124 bereitgestellt werden. Da sowohl die primäre als auch die sekundäre Spule 113, 124 eine Kreisform aufweisen können, gibt es keine Abhängigkeit von dem Drehwinkel. Die Ziele 121, 122 können durch die sekundäre Spule 124 mit Leistung versorgt werden, insbesondere wenn die Ziele 121, 122 astatisch sind. In diesem Fall kann es sein, dass es keine induktive Kopplung zwischen den Zielen 121, 122 gibt. Entsprechend kann die Leistungseffizienz des induktiven Winkelsensors 100 stark verbessert werden.
• Entsprechend können Ausführungsbeispiele einen induktiven Winkelsensor 100 bereitstellen, der eine sekundäre Spule 124, optionale Schaltungsanordnung und ein oder mehrere Ziele 121, 122 auf einem Rotor 120 aufweist. Der induktive Winkelsensor 100 kann ferner eine primäre Spule 113 und Aufnahmespulen 111, 112 und optionale Schaltungsanordnung 1000 auf einem Stator 110 aufweisen. Die primäre Spule 113 kann Wirbelströme/Spannung in der sekundären Spule 124 induzieren. Die sekundäre Spule 124 kann eine Rotorschaltung mit Leistung versorgen. Die Rotorschaltung kann zumindest ein Ziel 121 aufweisen. Die Statorschaltungsanordnung 1000 kann Spannung erfassen, die ansprechend auf das Magnetfeld von den Zielen 111, 112 in den Aufnahmespulen 111, 112 induziert wird. Die Statorschaltungsanordnung 1000 kann eine Drehposition des Rotors 120 ableiten.
• Zumindest eine der Erregerspule 113, des ersten leitfähigen Ziels 121, des zweiten leitfähigen Ziels 122, der ersten Aufnahmespulenanordnung 111, der zweiten Aufnahmespulenanordnung 112, der ersten Aufnahmespule 111a, der zweiten Aufnahmespule 111b, der dritten Aufnahmespule 112a und der vierten Aufnahmespule 112b kann eine planare Spule aufweisen oder als eine solche bereitgestellt werden.
• Obwohl einige Aspekte im Zusammenhang einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wo ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Analog stellen Aspekte, die im Zusammenhang eines Verfahrensschritts beschrieben werden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
• Beispielsweise beziehen sich die folgenden Ausführungsbeispiele auf Verfahren des Betreibens eines induktiven Winkelsensors, wie er hierin beschrieben ist.
• Bei einem ersten verfahrensbezogenen Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Betreiben eines induktiven Winkelsensors 100 vorgeschlagen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
• Bereitstellen eines Stators 110 und eines Rotors 120, die relativ zueinander entlang einer Drehachse 130 drehbar bewegbar sind,
• wobei der Stator 110 eine Erregerspule 113, eine erste Aufnahmespulenanordnung 111 und eine zweite Aufnahmespulenanordnung 112 aufweist,
• wobei die erste Aufnahmespulenanordnung 111 eine m-fache Symmetrie aufweist und wobei die zweite Aufnahmespulenanordnung 112 eine n-fache Symmetrie aufweist,
• wobei m und n unterschiedlich sind und keinen gemeinsamen Teiler außer 1 aufweisen,
• wobei der Rotor 120 eine Zielanordnung 123 aufweist, die ein erstes leitfähiges Ziel 121 und ein zweites leitfähiges Ziel 122 aufweist, wobei das erste und das zweite leitfähige Ziel 121, 122 entlang der Drehachse 130 vertikal gestapelt sind, das erste leitfähige Ziel 121 eine m-fache Symmetrie aufweist, die der m-fachen Symmetrie der ersten Aufnahmespulenanordnung 111 entspricht, und das zweite leitfähige Ziel 122 eine n-fache Symmetrie aufweist, die der n-fachen Symmetrie der zweiten Aufnahmespulenanordnung 112 entspricht,
• Erregen der Erregerspule 113 erregbar mit einem Wechselstrom, wobei der Wechselstrom einen ersten Induktionsstrom in dem ersten leitfähigen Ziel 121 induziert, was zu einem ersten Magnetfluss mit einer Periodizität von 360°/m führt, und einen zweiten Induktionsstrom in dem zweiten leitfähigen Ziel 122 induziert, was zu einem zweiten Magnetfluss mit einer Periodizität von 360°/n führt,
• wobei der erste Magnetfluss mit der Periodizität von 360°/m in der ersten Aufnahmespulenanordnung 111 mit der m-fachen Symmetrie ein erstes induziertes Signal S_i1 induziert und der zweite Magnetfluss mit der Periodizität von 360°/n in der zweiten Aufnahmespulenanordnung 112 mit der n-fachen Symmetrie ein zweites induziertes Signal S_i2 induziert, und
• Bestimmen einer Drehposition des Rotors 120 basierend auf dem ersten und zweiten induzierten Signal S_i1 , S_i2 .
• Gemäß einem zweiten verfahrensbezogenen Ausführungsbeispiel, das mit dem ersten verfahrensbezogenen Ausführungsbeispiel kombinierbar ist, kann das Verfahren einen Schritt des Bestimmens eines ersten Winkels φ\'m basierend auf dem ersten induzierten Signal S_i1 von dem ersten leitfähigen Ziel 121 aufweisen, und des Bestimmens eines zweiten Winkels φ'n basierend auf dem zweiten induzierten Signal S_i2 von dem zweiten leitfähigen Ziel 122 und
  wobei das Verfahren einen weiteren Schritt des Bestimmens eines eindeutigen mechanischen Drehwinkels φ des Rotors 120 relativ zu dem Stator 110 gemäß einem Vernier-Prinzip aufweist, als eine Funktion des ersten und zweiten Winkels φ'm, φ'n gemäß φ = f(φ'm, φ'n) .
• Gemäß einem dritten verfahrensbezogenen Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Betreiben eines induktiven Winkelsensors 100 vorgeschlagen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
• Bereitstellen eines Stators 110 und eines Rotors 120, die um eine Drehachse 130 herum relativ zueinander drehbar bewegbar sind,
• wobei der Stator 110 eine Erregerspule 113 und zumindest eine Aufnahmespulenanordnung 111 aufweist, die eine m-fache Symmetrie aufweist,
• wobei der Rotor 120 eine sekundäre Spule 124 und eine Zielanordnung 123 aufweist, die zumindest ein erstes leitfähiges Ziel 121 mit einer m-fachen Symmetrie aufweist, die der m-fachen Symmetrie der zumindest einen Aufnahmespulenanordnung 111 entspricht,
• Erregen der Erregerspule 113 mit einem Wechselstrom zum induktiven Koppeln eines Induktionsstroms in der sekundären Spule 124,
• wobei die sekundäre Spule 124 mit der Zielanordnung 123 und insbesondere mit dem ersten leitfähigen Ziel 121 elektrisch gekoppelt ist, so dass der Induktionsstrom zu einem Magnetfluss mit einer Periodizität von 360°/m in dem ersten leitfähigen Ziel 121 führt,
• wobei der Magnetfluss mit der Periodizität von 360°/m ein induziertes Signal S_i1 in der zumindest einen Aufnahmespulenanordnung 111 mit der m-fachen Symmetrie induziert und
• Bestimmen einer Drehposition des Rotors 120 basierend auf dem induzierten Signal S_i1 , wobei das erste leitfähige Ziel 121 astatisch ist.
• Die oben erwähnten verfahrensbezogenen Ausführungsbeispiele sind alle mit dem hierin beschriebenen weiteren Ausführungsbeispielen und Merkmalen kombinierbar. Insbesondere können das erste und das zweite verfahrensbezogene Ausführungsbeispiel mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 bis 17 kombiniert werden, während das dritte verfahrenbezogene Ausführungsbeispiel mit den Merkmalen gemäß Anspruch 19 bis 27 kombiniert werden kann.
• Obwohl diese Offenbarung unter Bezugnahme auf darstellende Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht in einem einschränkenden Sinne ausgelegt werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der darstellenden Ausführungsbeispiele sowie andere Ausführungsbeispiele dieser Beschreibung werden für Fachleute bei Bezugnahme auf die Beschreibung ersichtlich sein. Es ist daher beabsichtigt, dass die angehängten Ansprüche alle derartigen Modifikationen oder Ausführungsbeispiele umfassen.
• Bezugszeichenliste

100

induktiver Winkelsensor

110

Stator

111

erste Aufnahmespulenanordnung

111a

erste Aufnahmespule (Kosinus)

111b

zweite Aufnahmespule (Sinus)

112

zweite Aufnahmespulenanordnung

112a

dritte Aufnahmespule (Kosinus)

112b

vierte Aufnahmespule (Sinus)

113

Erregerspule (primäre Spule)

120

Rotor

121

erstes leitfähiges Ziel

122

zweites leitfähiges Ziel

123

Zielanordnung

124

sekundäre Spule

130

Drehachse

140

Signalanalysevorrichtung

149

Zahn

150

Einkerbung

151

Einkerbung

152

Zahn

401 bis 408

einzelne Schleifen

800

Oszillator

901 bis 904

einzelne Schleifen des astatischen Ziels

1000

Schaltung

S_i1

erstes induziertes Signal

S_i2

zweites induziertes Signal

Claims (27)

1. Ein induktiver Winkelsensor (100), der folgende Merkmale aufweist: einen Stator (110) und einen Rotor (120), die um eine Drehachse (130) herum relativ zueinander drehbar bewegbar sind, wobei der Stator (110) eine Erregerspule (113), eine erste Aufnahmespulenanordnung (111) und eine zweite Aufnahmespulenanordnung (112) aufweist, wobei die erste Aufnahmespulenanordnung (111) eine m-fache Symmetrie aufweist und wobei die zweite Aufnahmespulenanordnung (112) eine n-fache Symmetrie aufweist, wobei m und n unterschiedlich sind und keinen gemeinsamen Teiler außer 1 haben, wobei der Rotor (120) eine Zielanordnung (123) aufweist, die ein erstes leitfähiges Ziel (121) und ein zweites leitfähiges Ziel (122) aufweist, wobei das erste und das zweite leitfähige Ziel (121, 122) entlang der Drehachse (130) vertikal gestapelt sind, wobei das erste leitfähige Ziel (121) eine m-fache Symmetrie aufweist, die der m-fachen Symmetrie der ersten Aufnahmespulenanordnung (111) entspricht, und das zweite leitfähige Ziel (122) eine n-fache Symmetrie aufweist, die der n-fachen Symmetrie der zweiten Aufnahmespulenanordnung (112) entspricht, wobei die Erregerspule (113) mit einem Wechselstrom erregbar ist, wobei der Wechselstrom in dem ersten leitfähigen Ziel (121) einen ersten Induktionsstrom induziert, was zu einem ersten Magnetfluss mit einer Periodizität von 360°/m führt, und in dem zweiten leitfähigen Ziel (122) einen zweiten Induktionsstrom induziert, was zu einem zweiten Magnetfluss mit einer Periodizität von 360°/n führt, wobei der erste Magnetfluss mit der Periodizität von 360°/m in der ersten Aufnahmespulenanordnung (111) mit der m-fachen Symmetrie ein erstes induziertes Signal (S_i1) induziert und der zweite Magnetfluss mit der Periodizität von 360°/n in der zweiten Aufnahmespulenanordnung (112) mit der n-fachen Symmetrie ein zweites induziertes Signal (S_i2) induziert und eine Signalanalysevorrichtung (140) zum Bestimmen einer Drehposition des Rotors (130) basierend auf dem ersten und zweiten induzierten Signal (S_i1, Si₂).
2. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß Anspruch 1, bei dem die erste Aufnahmespulenanordnung (111) eine erste Aufnahmespule (111a) und eine zweite Aufnahmespule (111b) aufweist, wobei sowohl die erste als auch die zweite Aufnahmespule (111a, 111b) eine m-fache Symmetrie aufweisen.
3. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß Anspruch 2, bei dem sowohl die erste Aufnahmespule (111a) als auch die zweite Aufnahmespule (111b) eine Anzahl von 2*m Schleifen (401 - 408) aufweisen, die entlang einer vollen Umdrehung von 360° in einem Ringbereich angeordnet sind, wobei benachbarte Schleifen (401, 402) eine entgegengesetzte Wicklungsrichtung aufweisen.
4. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem sowohl die erste als auch die zweite Aufnahmespule (111a, 111b) einen ersten Satz von Schleifen, in dem jede Schleife eine erste Umdrehungsrichtung aufweist, und einen zweiten Satz von Schleifen aufweisen, in dem jede Schleife eine entgegengesetzte Umdrehungsrichtung aufweist, wobei der erste Satz von Schleifen sich über einen ersten Bereich erstreckt und wobei der zweite Satz von Schleifen sich über einen zweiten Bereich erstreckt und wobei der erste und der zweite Bereich der ersten Aufnahmespule (111a) identisch sind, so dass die erste Aufnahmespule (111a) astatisch ist und/oder wobei der erste und der zweite Bereich der zweiten Aufnahmespule (11b) identisch sind, so dass die zweite Aufnahmespule (111b) astatisch ist.
5. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die erste Aufnahmespule (111a) und die zweite Aufnahmespule (111b) relativ zueinander um die Drehachse (130) um 90°/m gedreht sind.
6. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die zweite Aufnahmespulenanordnung (112) eine dritte Aufnahmespule (112a) und eine vierte Aufnahmespule (112b) aufweist, wobei sowohl die dritte als auch die vierte Aufnahmespule (112a, 112b) eine n-fache Symmetrie aufweisen.
7. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß Anspruch 6, bei dem sowohl die dritte Aufnahmespule (112a) als auch die vierte Aufnahmespule (112b) eine Anzahl von 2* Schleifen aufweisen, die entlang einer vollen Umdrehung von 360° in einem Ringbereich angeordnet sind, wobei benachbarte Schleifen eine entgegengesetzte Wicklungsrichtung aufweisen.
8. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem sowohl die dritte als auch die vierte Aufnahmespule (112a, 112b) einen ersten Satz von Schleifen, in dem jede Schleife eine erste Umdrehungsrichtung aufweist, und einen zweiten Satz von Schleifen aufweisen, in dem jede Schleife eine entgegengesetzte zweite Umdrehungsrichtung aufweist, wobei der erste Satz von Schleifen sich über einen ersten Bereich erstreckt und wobei der zweite Satz von Schleifen sich über einen zweiten Bereich erstreckt und wobei der erste und der zweite Bereich der dritten Aufnahmespule (112a) identisch sind, so dass die dritte Aufnahmespule (112a) astatisch ist und/oder wobei der erste und der zweite Bereich der vierten Aufnahmespule (112b) identisch sind, so dass die vierte Aufnahmespule (112b) astatisch ist.
9. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die dritte Aufnahmespule (112a) und die vierte Aufnahmespule (112b) relativ zueinander um die Drehachse (130) um 90°/n gedreht sind.
10. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Erregerspule (113) und die erste Aufnahmespulenanordnung (111) und die zweite Aufnahmespulenanordnung (112) auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.
11. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das erste leitfähige Ziel (121) und das zweite leitfähige Ziel (122) fest an einem gemeinsamen Substrat befestigt sind, das an einer Rotorwelle zum Drehen des Rotors (120) um die Drehachse (130) angebracht ist.
12. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem zumindest entweder das erste oder das zweite leitfähige Ziel (121, 122) als eine leitfähige Spur auf einem Substratabschnitt des Rotors (120) implementiert ist.
13. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das erste leitfähige Ziel (121) aus Blech hergestellt ist, das eine geometrische Form mit einer m-fachen Symmetrie aufweist und/oder wobei das zweite leitfähige Ziel (122) aus Blech hergestellt ist, das eine geometrische Form mit einer n-fachen Symmetrie aufweist.
14. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem zumindest entweder das erste leitfähige Ziel (121) oder das zweite leitfähige Ziel (122) astatisch ist.
15. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem eines des ersten oder des zweiten leitfähigen Ziels (121, 122) nicht astatisch ist und ein gestanztes Teil aufweist, das aus Metall hergestellt ist, und das andere des ersten und des zweiten leitfähigen Ziels (121, 122) astatisch ist und als eine astatische Leiterstruktur auf einer Schaltungsplatine implementiert ist.
16. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß Anspruch 15, bei dem die Schaltungsplatine an dem gestanzten Teil angebracht ist, das aus Metall hergestellt ist, und/oder bei dem das gestanzte Teil, das aus Metall hergestellt ist, auf eine Rotorwelle zum Drehen des Rotors (120) um die Drehachse (130) pressgepasst ist.
17. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem das erste leitfähige Ziel (121) und das zweite leitfähige Ziel (122) mit einem gemeinsamen elektrischen Potenzial verbunden sind.
18. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem die Signalanalysevorrichtung (140) dazu konfiguriert ist, einen ersten Winkel (φ'm) basierend auf dem ersten induzierten Signal (S_i1) von dem ersten leitfähigen Ziel (121) zu bestimmen und einen zweiten Winkel (φ'n) basierend auf dem zweiten induzierten Signal (S_i2) von dem zweiten leitfähigen Ziel (122) zu bestimmen und bei dem die Signalanalysevorrichtung (140) ferner dazu konfiguriert ist, einen eindeutigen mechanischen Drehwinkel (φ) des Rotors (120) relativ zu dem Stator (110) gemäß einem Vernier-Prinzip zu bestimmen, als eine Funktion des ersten und des zweiten Winkels (φ'm, φ'n) gemäß φ = f (φ'm, φ'n).
19. Ein induktiver Winkelsensor (100), der folgende Merkmale aufweist: einen Stator (110) und einen Rotor (120), die relativ zueinander entlang einer Drehachse (130) drehbar bewegbar sind, wobei der Stator (110) eine Erregerspule (113) und zumindest eine Aufnahmespulenanordnung (111) aufweist, die eine m-fache Symmetrie aufweist, wobei der Rotor (120) eine sekundäre Spule (124) und eine Zielanordnung (123) aufweist, die zumindest ein erstes leitfähiges Ziel (121) mit einer m-fachen Symmetrie aufweist, die der m-fachen Symmetrie der zumindest einen Aufnahmespulenanordnung (111) entspricht, wobei die Erregerspule (113) mit einem Wechselstrom zum induktiven Koppeln eines Induktionsstroms in die sekundäre Spule (124) erregt werden kann, wobei die sekundäre Spule (124) mit dem ersten leitfähigen Ziel (121) elektrisch gekoppelt ist, so dass der Induktionsstrom zu einem Magnetfluss mit einer Periodizität von 360°/m in dem ersten leitfähigen Ziel (121) führt, wobei der Magnetfluss mit der Periodizität von 360°/m in die zumindest eine Aufnahmespulenanordnung (111) mit der m-fachen Symmetrie ein induziertes Signal (S_i1) induziert und eine Signalanalysevorrichtung (140) zum Bestimmen einer Drehposition des Rotors (120) basierend auf dem induzierten Signal (S_i1), wobei das erste leitfähige Ziel (121) astatisch ist.
20. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß Anspruch 19, bei dem das erste leitfähige Ziel (121) eine Zielspule aufweist, die eine Anzahl von 2*m Schleifen (401 bis 406) aufweist, die entlang einer vollen Umdrehung von 360° in einem Ringbereich angeordnet sind, wobei benachbarte Schleifen eine entgegengesetzte Wicklungsrichtung aufweisen.
21. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß Anspruch 20, bei dem die Zielspule einen ersten Satz von Schleifen, in dem jede Schleife eine erste Umdrehungsrichtung aufweist, und einen zweiten Satz von Schleifen aufweist, bei dem jede Schleife eine entgegengesetzte zweite Umdrehungsrichtung aufweist, wobei der erste Satz von Schleifen sich über einen ersten Bereich erstreckt und wobei der zweite Satz von Schleifen sich über einen zweiten Bereich erstreckt und wobei der erste und der zweite Bereich der Zielspule identisch sind, so dass das erste leitfähige Ziel (121) astatisch ist.
22. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem die zumindest eine Aufnahmespulenanordnung (111) astatisch ist.
23. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 19 bis 22, bei dem der Stator (110) eine zweite Aufnahmespulenanordnung (112) aufweist, die eine n-fache Symmetrie aufweist, wobei n kleiner ist als m, wobei die Zielanordnung (123) ein zweites leitfähiges Ziel (122) aufweist, das eine n-fache Symmetrie aufweist, die der n-fachen Symmetrie der zweiten Aufnahmespulenanordnung (112) entspricht, wobei die sekundäre Spule (124) mit dem zweiten leitfähigen Ziel (122) elektrisch gekoppelt ist, so dass der Induktionsstrom zu einem Magnetfluss mit einer Periodizität von 360°/n in dem zweiten leitfähigen Ziel (122) führt, wobei der Magnetfluss mit der Periodizität von 360°/n in der zweiten Aufnahmespulenanordnung (112) mit der n-fachen Symmetrie ein weiteres induziertes Signal (S_i2) induziert, wobei die Signalanalysevorrichtung (140) dazu konfiguriert ist, eine Drehposition des zweiten leitfähigen Ziels (122) basierend auf dem weiteren induzierten Signal (S_i2) zu bestimmen, das in der zweiten Aufnahmespulenanordnung (112) induziert ist, wobei das zweite leitfähige Ziel (122) astatisch ist.
24. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß Anspruch 23, bei dem das zweite leitfähige Ziel (122) eine zweite Zielspule aufweist, die eine Anzahl von 2*n Schleifen (901 bis 904) aufweist, die entlang einer vollen Umdrehung von 360° in einem Ringbereich angeordnet sind, wobei benachbarte Schleifen eine entgegengesetzte Wicklungsrichtung aufweisen.
25. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß Anspruch 24, bei dem die zweite Zielspule einen ersten Satz von Schleifen, bei dem jede Schleife eine erste Umdrehungsrichtung aufweist, und einen zweiten Satz von Schleifen aufweist, in dem jede Schleife eine entgegengesetzte zweite Umdrehungsrichtung aufweist, wobei der erste Satz von Schleifen sich über einen ersten Bereich erstreckt und wobei der zweite Satz von Schleifen sich über einen zweiten Bereich erstreckt und wobei der erste und der zweite Bereich der zweiten Zielspule identisch sind, so dass das zweite leitfähige Ziel (122) astatisch ist.
26. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 23 bis 25, bei dem die zweite Aufnahmespulenanordnung (112) astatisch ist.
27. Der induktive Winkelsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 19 bis 26, bei dem der Rotor (120) ferner eine Schaltung (1000) aufweist, die zwischen die sekundäre Spule (124) und die Zielanordnung (123) elektrisch geschaltet ist, zum Versorgen der Zielanordnung (123) mit Leistung, wobei die Schaltung (1000) dazu konfiguriert ist, den Induktionsstrom, der durch die sekundäre Spule (124) empfangen wird, zu manipulieren und einen manipulierten Strom an die Zielanordnung (123) zu liefern.

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