DE102019213389A1 - Sensor arrangement for detecting an angle of rotation of a flux element - Google Patents
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Abstract
Eine Sensoranordnung (2) zur Erfassung eines Drehwinkels (D) eines Flusselements (12), das entlang einer Kreisbahn (14) um eine Drehachse (10) drehbar ist, enthält mindestens eine Spulengruppe (4a,b) mit jeweils mindestens zwei Spulen (6a-d) in einer die Drehachse (10) konzentrisch umgebenden Fläche (16) parallel zur und entlang der Kreisbahn (14), wobei eine jeweilige Spulengruppe (4a,b) auf einen jeweiligen Spulenwinkel (S1,2) begrenzt ist, wobei sich die Spulenwinkel (S1,2) aller Spulengruppen (4a,b) zu einem Gesamtwinkel (G) von weniger als 360° addieren, und mindestens einen Leerbereich (8a,b), der sich über einen jeweiligen Leerwinkel (E1,2) erstreckt, und das Flusselement (12) parallel zur Fläche (16), das eine Winkelausdehnung (W) aufweist, die größer als der größte Spulenwinkel (S1,2) ist, und eine Auswerteeinrichtung (18) zur Ermittlung der aktuelle Induktivität (L1-4) der Spulen (6a-d) und des aktuellen Drehwinkels (D) auf der Basis der Induktivitäten (L1-4).A sensor arrangement (2) for detecting an angle of rotation (D) of a flux element (12) which can be rotated along a circular path (14) about an axis of rotation (10) contains at least one coil group (4a, b) each with at least two coils (6a) -d) in a surface (16) concentrically surrounding the axis of rotation (10) parallel to and along the circular path (14), a respective coil group (4a, b) being limited to a respective coil angle (S1,2), the Add the coil angles (S1,2) of all coil groups (4a, b) to a total angle (G) of less than 360 °, and at least one empty area (8a, b) which extends over a respective empty angle (E1,2), and the flux element (12) parallel to the surface (16), which has an angular extent (W) that is greater than the largest coil angle (S1,2), and an evaluation device (18) for determining the current inductance (L1-4) of the Coils (6a-d) and the current angle of rotation (D) based on the inductances (L1-4).
Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehwinkels eines Flusselements, das entlang einer Kreisbahn um eine Drehachse drehbar ist.The invention relates to a sensor arrangement for detecting an angle of rotation of a flux element that is rotatable about an axis of rotation along a circular path.
Ein Rotor-Positions-Sensor für Antriebsmotoren z.B. von Elektrofahrzeugen, der auf der Modulation von Wirbelströmen und der Verwendung von Spulenpaaren basiert, ist aus
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verbesserungen in Bezug auf eine Drehwinkelerfassung vorzuschlagen.The object of the present invention is to propose improvements in relation to a rotation angle detection.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoranordnung gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.The object is achieved by a sensor arrangement according to
Die Sensoranordnung dient zur Erfassung eines Drehwinkels eines Flusselements. Das Flusselement ist entlang einer Kreisbahn um eine Drehachse drehbar. Die Sensoranordnung enthält mindestens eine, insbesondere genau eine, in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens zwei, mit dem Flusselement wechselwirkende Spulengruppe(n). Jede der Spulengruppen enthält mindestens zwei Spulen. Die Wechselwirkung umfasst eine Relativdrehung zwischen Spulen und Flusselement um verschiedene Drehwinkel. Je nach Drehwinkel erzeugt ein von der Spule erzeugtes Magnetfeld im Flusselement verschieden starke Wirbelströme, sodass sich jeweils veränderte Induktivitäten der Spule ergeben. Diese Induktivitäten können gemessen werden und somit auf die Relativlage zwischen Spule und Flusselement und somit auf den Drehwinkel geschlossen werden. Die Spulen sind insbesondere Flachspulen, das Flusselement ist insbesondere plattenförmig, zum Beispiel eine Kupferplatte bzw. ein Kupferaktivator. Insbesondere sind Spulen und Flusselement unter Zwischenschaltung eines insbesondere schmalen Luftspalts flächig parallel zueinander angeordnet bzw. zueinander verdrehbar.The sensor arrangement is used to detect an angle of rotation of a flux element. The flux element can be rotated about an axis of rotation along a circular path. The sensor arrangement contains at least one, in particular exactly one, in a preferred embodiment at least two, coil group (s) interacting with the flux element. Each of the coil groups contains at least two coils. The interaction comprises a relative rotation between the coil and the flux element through different angles of rotation. Depending on the angle of rotation, a magnetic field generated by the coil generates eddy currents of varying strength in the flux element, so that the inductances of the coil change in each case. These inductances can be measured and thus conclusions can be drawn about the relative position between coil and flux element and thus about the angle of rotation. The coils are in particular flat coils, the flux element is in particular plate-shaped, for example a copper plate or a copper activator. In particular, the coils and the flux element are arranged flat parallel to one another or rotatable with respect to one another with the interposition of an in particular narrow air gap.
Die Spulengruppen erstrecken sich in einer die Drehachse konzentrisch umgebenden Fläche. Die Orientierung der Fläche zur Drehachse kann hierbei unterschiedlich gewählt sein, siehe unten. Die Fläche verläuft parallel zur Kreisbahn und entlang der Kreisbahn. Eine jeweilige Spulengruppe ist entlang der Kreisbahn auf einen jeweiligen Spulenwinkel, d.h. einen Teil des Kreisumfangs, begrenzt. Die Spulengruppe ist also auf einen bestimmten Winkelabschnitt in Umfangsrichtung der Drehachse begrenzt, z.B. maximal oder genau auf 180° (für eine Spulengruppe) oder maximal oder genau auf einen Quadranten von 90° (für mindestens zwei Spulengruppen).The coil groups extend in a surface concentrically surrounding the axis of rotation. The orientation of the surface to the axis of rotation can be selected differently, see below. The area runs parallel to the circular path and along the circular path. A respective coil group is limited along the circular path to a respective coil angle, i.e. a part of the circumference. The coil group is therefore limited to a certain angular section in the circumferential direction of the axis of rotation, e.g. a maximum or exactly 180 ° (for a coil group) or a maximum or exactly to a quadrant of 90 ° (for at least two coil groups).
Die Spulenwinkel aller Spulengruppen addieren sich zu einem Gesamtwinkel von weniger als 360°. Nicht der gesamte Umfang um die Drehachse ist also von Spulengruppen besetzt. Entlang der Kreisbahn ist daher mindestens ein Leerbereich (in der Ausführungsform von mindestens zwei Spulengruppen: zwischen je zwei Spulengruppen) vorhanden, in dem keine Spulengruppe bzw. Spule vorhanden ist. Der jeweilige Leerbereich erstreckt sich dabei über einen jeweiligen Leerwinkel. Die Summe aller Leerwinkel und des Gesamtwinkels ergibt den gesamten Kreisumfang von 360° um die Drehachse.The coil angles of all coil groups add up to a total angle of less than 360 °. So not the entire circumference around the axis of rotation is occupied by groups of coils. Along the circular path there is therefore at least one empty area (in the embodiment of at least two coil groups: between two coil groups each) in which there is no coil group or coil. The respective empty area extends over a respective empty angle. The sum of all empty angles and the total angle results in the entire circumference of 360 ° around the axis of rotation.
Die Sensoranordnung enthält außerdem das Flusselement, das sich parallel unter Zwischenlage eines Abstandsspalts zur Fläche und damit zu den Spulen erstreckt, um je nach Drehwinkel unterschiedlich stark auf die Induktivitäten der Spulen einzuwirken. Das Flusselement weist entlang der Kreisbahn eine Winkelausdehnung auf, die größer als der größte Spulenwinkel ist.The sensor arrangement also contains the flux element, which extends parallel with the interposition of a spacing gap to the surface and thus to the coils in order to act differently depending on the angle of rotation on the inductances of the coils. The flux element has an angular extent along the circular path that is greater than the largest coil angle.
Die Sensoranordnung enthält eine Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, für jede der Spulen deren aktuelle (also je nach Relativlage zwischen Flusselement und Spule bzw. Drehwinkel sich einstellende) Induktivität zu ermitteln und einen aktuellen Drehwinkel des Flusselements auf der Basis wenigstens zweier, insbesondere aller, ermittelter Induktivitäten zu ermitteln.The sensor arrangement contains an evaluation device which is set up to determine for each of the coils their current inductance (i.e. depending on the relative position between flux element and coil or angle of rotation) and to determine a current angle of rotation of the flux element on the basis of at least two, especially all, to determine determined inductances.
Sämtliche Winkel sind jeweils als Winkel bezüglich der Drehachse, d.h. in Umfangsrichtung der Drehachse, also entlang der Kreisbahn zu betrachten.All angles are to be considered as angles with respect to the axis of rotation, i.e. in the circumferential direction of the axis of rotation, i.e. along the circular path.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass induktive Rotor-Winkelmeßsensoren (inductive rotor angular-position measurement sensor, IRPS) eine große Leiterplattenfläche benötigen, wenn trapezoide Planarspulen mit Rotationsform auf einer gesamten ringförmigen Leiterplatte gedruckt werden müssen. Außerdem erzeugen derartige große trapezoide Spulen die Veränderung in den Induktivitäts-Signalen (welche komplexe Funktionen der Drehwinkel-Position des Kupferaktivators oder Targets sind). Daher sind die erzeugten Funktionen der Induktivitäten gegenüber dem Drehwinkel nicht leicht mit einer kostengünstigen Signalformungs-Hardware und Mikrocontroller / Signalprozessor zu verarbeiten. Kurz zusammengefasst, komplexe Signalverarbeitungsalgorithmen müssen entwickelt werden und deren Implementierung erfordert kostenintensive Mikrocontroller / Signalprozessoren (DSP, digital signal processor).The invention is based on the knowledge that inductive rotor angular-position measurement sensors (IRPS) require a large circuit board area when trapezoidal planar coils with a rotational shape have to be printed on an entire ring-shaped circuit board. In addition, such large trapezoidal coils produce the change in inductance signals (which are complex functions of the angular position of the copper activator or target). Therefore, the generated functions of the inductances versus the angle of rotation are not easy to achieve with inexpensive signal shaping hardware and microcontroller / signal processor to process. In short, complex signal processing algorithms have to be developed and their implementation requires expensive microcontrollers / signal processors (DSP, digital signal processors).
Gemäß der Erfindung ergibt sich damit eine Reduktion der Kosten für Leiterplatten bzw. Spulen und eine einfachere Ermittlung des Drehwinkels durch eine einfachere Auswertung des Sensorsignals bzw. der ermittelten Induktivitäten.According to the invention, this results in a reduction in the costs for circuit boards or coils and a simpler determination of the angle of rotation through a simpler evaluation of the sensor signal or the determined inductances.
Die Erfindung kann sowohl für Radial- als auch für Axialversionen von Sensoranordnungen bzw. Sensoren umgesetzt werden, siehe unten. Die Erfindung kann insbesondere zur Erfassung der Rotorposition einer elektrischen Maschine bzw. eines elektrischen Motors, und insbesondere in Projekten der E-Mobilität, eingesetzt werden.The invention can be implemented for both radial and axial versions of sensor arrangements or sensors, see below. The invention can be used in particular for detecting the rotor position of an electric machine or an electric motor, and in particular in e-mobility projects.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind - wie oben erläutert - mindestens zwei Spulengruppen vorhanden, und entlang der Kreisbahn ist mindestens ein Leerbereich zwischen je zwei Spulengruppen vorhanden. So ergeben sich verteilte Spulenstrukturen, die insbesondere punkt- / rotationssymmetrisch ausgeführt werden können.In a preferred embodiment - as explained above - at least two coil groups are present, and along the circular path there is at least one empty area between every two coil groups. This results in distributed coil structures which, in particular, can be designed to be point-symmetrical / rotationally symmetrical.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind entlang der Kreisbahn gleich viele Spulengruppen und Leerbereiche abwechselnd angeordnet. Hierdurch wird ein einfacher und ab zwei Spulengruppen ein besonders symmetrischer und einfacher Aufbau ermöglicht, bei dem sich in Umfangsrichtung um die Drehachse stets Spulengruppen mit Leerbereichen abwechseln. Auch ergeben sich so Vorteile in Bezug auf ein Flusselement, welches über die Spulengruppen hinausragt, siehe unten.In a preferred embodiment, the same number of coil groups and empty areas are arranged alternately along the circular path. This enables a simple and, from two coil groups, a particularly symmetrical and simple structure, in which coil groups with empty areas always alternate in the circumferential direction around the axis of rotation. This also results in advantages with regard to a flux element which protrudes beyond the coil groups, see below.
In einer bevorzugten Variante der Ausführungsform mit mindestens zwei Spulengruppen sind mindestens zwei der Spulenwinkel gleich groß und/oder mindestens zwei der Leerwinkel sind gleich groß. Insbesondere sind alle Spulenwinkel gleich groß und/oder alle Leerwinkel gleich groß. Alternativ oder zusätzlich sind mindestens ein, insbesondere alle, Spulenwinkel und ein, insbesondere alle, Leerwinkel gleich groß. Dies führt zu besonders einfachen Anordnungen.In a preferred variant of the embodiment with at least two coil groups, at least two of the coil angles are of the same size and / or at least two of the empty angles are of the same size. In particular, all coil angles are the same size and / or all empty angles are the same size. Alternatively or additionally, at least one, in particular all, coil angles and one, in particular all, empty angles are the same size. This leads to particularly simple arrangements.
In einer bevorzugten Variante der Ausführungsform mit mindestens zwei Spulengruppen sind genau zwei Spulengruppen und genau zwei Leerbereiche vorhanden. Insgesamt sind somit minimal vier, insbesondere genau vier, Spulen vorhanden. Somit ergibt sich eine besonders einfache Ausführungsform. Insbesondere kann so eine Zwei-Quadranten-Anordnung erfolgen, siehe unten.In a preferred variant of the embodiment with at least two coil groups, there are exactly two coil groups and exactly two empty areas. In total, there are thus a minimum of four, in particular exactly four, coils. This results in a particularly simple embodiment. In particular, a two-quadrant arrangement can thus take place, see below.
In einer bevorzugten Ausführungsform - insbesondere der Variante mit genau einer Spulengruppe - beträgt der Gesamtwinkel 180° und/oder die Winkelausdehnung beträgt 360° und/oder mindestens einer der Spulenwinkel beträgt 180° und/oder mindestens einer der Leerwinkel beträgt 180°. Für einen Gesamtwinkel von 180° ergibt sich nur die Hälfte des Umfangs um die Drehachse als Flächenbedarf für Spulen bzw. Leiterplatten, auf welchen Spulen angeordnet sind. Eine Winkelausdehnung von 360° für das Flusselement eignet sich besonders in einer 180°-Anordnung genau einer Spulengruppe.In a preferred embodiment - in particular the variant with exactly one coil group - the total angle is 180 ° and / or the angular extent is 360 ° and / or at least one of the coil angles is 180 ° and / or at least one of the empty angles is 180 °. For a total angle of 180 °, only half of the circumference around the axis of rotation results as the area required for coils or circuit boards on which coils are arranged. An angular expansion of 360 ° for the flux element is particularly suitable in a 180 ° arrangement of precisely one coil group.
In einer bevorzugten Variante der Ausführungsform mit mindestens zwei Spulengruppen beträgt der Gesamtwinkel 180° und/oder die Winkelausdehnung beträgt 180° und/oder mindestens einer der Spulenwinkel beträgt 90° und/oder mindestens einer der Leerwinkel beträgt 90°. Für einen Gesamtwinkel von 180° ergibt sich nur die Hälfte des Umfangs um die Drehachse als Flächenbedarf für Spulen bzw. Leiterplatten, auf welchen Spulen angeordnet sind. Eine Winkelausdehnung von 180° für das Flusselement eignet sich besonders in einer Zwei-Quadranten-Anordnung, siehe unten. Auch entsprechende 90°-Winkel eignen sich für diese Zwei-Quadranten-Anordnung, siehe unten.In a preferred variant of the embodiment with at least two coil groups, the total angle is 180 ° and / or the angular extent is 180 ° and / or at least one of the coil angles is 90 ° and / or at least one of the empty angles is 90 °. For a total angle of 180 °, only half of the circumference around the axis of rotation results as the area required for coils or circuit boards on which coils are arranged. An angular expansion of 180 ° for the flow element is particularly suitable in a two-quadrant arrangement, see below. Corresponding 90 ° angles are also suitable for this two-quadrant arrangement, see below.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Flusselement entlang der Kreisbahn zusammenhängend ausgeführt. Somit ergibt sich ein besonders einfaches Flusselement. Alternativ ist das Flusselement in mindestens zwei Abschnitte aufgeteilt. Hier ergeben sich wieder die Alternativen, dass mindestens zwei der Abschnitte aneinander anschließen und/oder voneinander beabstandet sind. Das Flusselement kann also verschiedene Abschnitte bzw. Teile aufweisen, die nicht alle zusammenhängen müssen; eine oder mehrere Lücken können zwischen benachbarten Abschnitten vorhanden sein. Vorteile für entsprechend ausgestaltete Flusselemente ergeben sich je nach konkreter Anordnung und Aufteilung der Spulengruppen.In a preferred embodiment, the flow element is designed to be contiguous along the circular path. This results in a particularly simple flow element. Alternatively, the flow element is divided into at least two sections. Here again the alternatives arise that at least two of the sections adjoin one another and / or are spaced apart from one another. The flow element can thus have different sections or parts that do not all have to be connected; one or more gaps may exist between adjacent sections. Advantages for correspondingly designed flux elements arise depending on the specific arrangement and division of the coil groups.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Winkelausdehnung mindestens so groß wie die größte Summe eines Spulenwinkels und eines angrenzenden Leerwinkels bei der jeweils gegebenen Aufteilung für eine bestimmte Sensoranordnung. Damit wird für alle Drehwinkel sichergestellt, dass das Flusselement stets vollständig jedes Paar aus benachbarter Spulengruppe und Leerwinkel überdecken kann. Dies führt zu einer besonders leichten Auswertbarkeit des Drehwinkels aus den Induktivitäten.In a preferred embodiment, the angular extent is at least as large as the largest sum of a coil angle and an adjacent empty angle with the given division for a specific sensor arrangement. This ensures for all angles of rotation that the flux element can always completely cover every pair of adjacent coil groups and empty angles. This leads to a particularly easy evaluation of the angle of rotation from the inductances.
In einer bevorzugten Variante der Ausführungsform mit mindestens zwei Spulengruppen ist mindestens ein Spulentyp für gleiche Spulen vorhanden und mindestens zwei Spulengruppen enthalten je eine der gleichen Spulen. Diese Spulen sind dann rotationssymmetrisch zur Drehachse angeordnet. Hierunter ist zu verstehen, dass diese durch Verdrehung um den Differenzwinkel der Spulengruppen auseinander hervorgehen bzw. deckungsgleich sind. Innerhalb des Spulentyps findet also eine Rotationsspiegelung bzw. -drehung der Spulen statt, insbesondere um einen Winkel von 360° geteilt durch die Anzahl der Spulengruppen. Insbesondere sind vier Spulen in zwei Spulentypen in zwei Spulengruppen zu je zwei Spulen vorgesehen. Durch entsprechend gleiche Spulen kann eine besonders einfache und homogene Auswertung der Induktivitäten erfolgen.In a preferred variant of the embodiment with at least two coil groups, there is at least one coil type for identical coils and at least two coil groups each contain one of the same coils. These coils are then arranged rotationally symmetrical to the axis of rotation. This is to be understood as meaning that these emerge from one another or are congruent by rotating them by the difference angle of the coil groups. Thus, within the coil type, the coils are mirrored or rotated, in particular by an angle of 360 ° divided by the number of coil groups. In particular, four coils are provided in two coil types in two coil groups of two coils each. A particularly simple and homogeneous evaluation of the inductances can take place by means of correspondingly identical coils.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist mindestens einem Spulentyp ein jeweiliger Abschnitt des Flusselements zugeordnet. Insbesondere sind genau zwei verschiedene Spulentypen vorgesehen, und damit genau zwei Abschnitte, also je einer pro Spulentyp. Dies führt zu einer weiteren Homogenisierung der Auswertung der Induktivitäten.In a preferred variant of this embodiment, a respective section of the flux element is assigned to at least one type of coil. In particular, exactly two different coil types are provided, and thus exactly two sections, that is to say one per coil type. This leads to a further homogenization of the evaluation of the inductances.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist mindestens einer der Abschnitte deckungsgleich zum zugeordneten Spulentyp. Insbesondere deckt dabei für einen bestimmten Drehwinkel der Abschnitt exakt eine jeweilige Spule des Spulentyps ab, bildet also quer zu deren Erstreckungsrichtung ein paralleles Abbild der entsprechenden Spule. Somit werden bei maximaler Wirkung auf die Induktivitäten der Spule die Abmessungen bzw. die Querausdehnung des Abschnitts parallel zur Spule so klein wie möglich gehalten.In a preferred variant of this embodiment, at least one of the sections is congruent with the assigned coil type. In particular, for a specific angle of rotation the section covers exactly a respective coil of the coil type, that is to say forms a parallel image of the corresponding coil transversely to its direction of extension. Thus, with maximum effect on the inductances of the coil, the dimensions or the transverse extent of the section parallel to the coil are kept as small as possible.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegen in mindestens einer der Spulengruppen mindestens zwei der Spulen in der Fläche senkrecht zur Kreisbahn nebeneinander. Dies gilt insbesondere in Radialrichtung oder Axialrichtung der Drehachse. Insbesondere gilt dies für alle Spulengruppen und alle Spulen. So können insbesondere auch im Flusselement verschiedene Abschnitte, die entsprechenden Spulen bzw. Spulentypen zugeordnet sind, besonders günstig angeordnet werden.In a preferred embodiment, in at least one of the coil groups, at least two of the coils lie next to one another in the area perpendicular to the circular path. This applies in particular in the radial direction or axial direction of the axis of rotation. This applies in particular to all coil groups and all coils. In particular, different sections that are assigned to corresponding coils or coil types can be arranged particularly favorably in the flux element.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eine der Spulen eine sich entlang der Kreisbahn verjüngende Form auf. Die Verjüngung bezieht sich auf einen bestimmten Drehsinn bezüglich der Drehachse, in der Gegenrichtung ist die Spule dann erweiternd ausgeführt. Insbesondere sind Verjüngung bzw. Erweiterung für unterschiedliche Spulen einer Spulengruppe gegenläufig ausgeführt, insbesondere bei zwei Spulen. Somit können besonders günstige Induktivitäts-Verläufe über dem Drehwinkel des Flusselements erzeugt werden.In a preferred embodiment, at least one of the coils has a shape that tapers along the circular path. The tapering relates to a certain direction of rotation with respect to the axis of rotation, in the opposite direction the coil is then designed to widen. In particular, tapering or widening for different coils of a coil group are designed in opposite directions, in particular in the case of two coils. In this way, particularly favorable inductance curves can be generated over the angle of rotation of the flux element.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eine der Spulengruppen die Form eines Kreisringsegments oder eines Umfangsabschnitts eines Kreiszylindermantels auf. Somit ergeben sich geometrisch besonders einfache Ausführungsformen für die Spulengruppen. Damit sind auch besonders einfache geometrische Formen für das Flusselement möglich. Insbesondere kann diese Ausführungsform mit der Anordnung der Spulen „nebeneinander“ kombiniert werden.In a preferred embodiment, at least one of the coil groups has the shape of a circular ring segment or a circumferential section of a circular cylinder jacket. This results in geometrically particularly simple embodiments for the coil groups. In this way, particularly simple geometric shapes are also possible for the flow element. In particular, this embodiment can be combined with the arrangement of the coils “next to one another”.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Fläche die Form einer Scheibe quer zur Drehachse auf. So kann eine Axialanordnung geschaffen werden. Alternativ weist die Fläche die Form eines Mantels eines geraden Kreiszylinders bezüglich der Drehachse auf. So kann eine radiale Anordnung geschaffen werden. Alternativ weist die Fläche die Form eines Mantels eines geraden Kreiskegelstumpfes bezüglich der Drehachse auf. Dies ergibt eine kegelförmige „Mischform“ der Anordnung zwischen Kreisscheiben- und Zylinder-Form. Somit kann für viele geometrische Anforderungen eine stets passende Geometrie der Sensoranordnung gewählt werden.In a preferred embodiment, the surface has the shape of a disk transverse to the axis of rotation. An axial arrangement can thus be created. Alternatively, the surface has the shape of the jacket of a straight circular cylinder with respect to the axis of rotation. A radial arrangement can thus be created. Alternatively, the surface has the shape of a jacket of a right circular truncated cone with respect to the axis of rotation. This results in a conical "mixed form" of the arrangement between circular disk and cylinder form. In this way, a suitable geometry of the sensor arrangement can always be selected for many geometrical requirements.
Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen, Beobachtungen bzw. Überlegungen und weist noch die nachfolgenden Ausführungsformen auf. Die Ausführungsformen werden dabei teils vereinfachend auch „die Erfindung“ genannt. Die Ausführungsformen können hierbei auch Teile oder Kombinationen der oben genannten Ausführungsformen enthalten oder diesen entsprechen und/oder gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen einschließen.The invention is based on the following findings, observations and considerations and also has the following embodiments. The embodiments are sometimes also referred to as “the invention” in a simplified manner. The embodiments can here also contain parts or combinations of the above-mentioned embodiments or correspond to them and / or optionally also include embodiments not mentioned so far.
Gemäß der Erfindung sind insbesondere planare trapezoide Spulen (in Rotationsform) in einem (bezogen auf den Umfang um die Drehachse) ersten Halbkreisumfang (für eine einzige Spulengruppe) oder einem ersten und dritten Quadranten (für mindestens zwei oder genau zwei Spulengruppen) einer Kreisscheibe (Leiterplatte, PCB, printed circuit board) implementiert. Daher wird die Hälfte der Leiterplattenfläche im Vergleich zu einem Sensor benötigt, bei dem die Leiterplatte die Drehachse vollständig umgibt. Dies reduziert sowohl die Größe der Sensoren als auch die Leiterplattenkosten. Vorgeschlagen wird eine ganz spezielle Form des Flusselements, insbesondere Kupfer(Cu)-Aktivator-Elements, nämlich ähnlich, insbesondere entsprechend bzw. gleich, den Spulenkonturen. Die Drehbewegung dieses Flusselements (Cu-Aktivator-Elements) erzeugt einen einfachen „Scheren- / X-förmigen“ Verlauf der Induktivität L (nH) der Spulen über dem Drehwinkel bzw. einer Theta(°)-Drehposition. Aufgrund der einfachen Natur der Induktivitätskurve kann ein Winkelpositionserfassungsalgorithmus (Algorithmus zur Ermittlung des Drehwinkels) und dessen Implementierungsprozessor (Mikrocontroller) in Form einer kostengünstigen (low cost) Lösung verwendet werden.According to the invention, planar trapezoidal coils (in the form of rotation) are in particular in a first semicircular circumference (for a single coil group) or in a first and third quadrant (for at least two or exactly two coil groups) of a circular disk (circuit board, based on the circumference around the axis of rotation) , PCB, printed circuit board). Therefore, half the board area is required compared to a sensor in which the circuit board completely surrounds the axis of rotation. This reduces both the size of the sensors and the circuit board costs. A very special form of the flux element is proposed, in particular a copper (Cu) activator element, namely similar, in particular corresponding or identical to the coil contours. The rotary movement of this flux element (Cu activator element) creates a simple "scissors / X-shaped" course of the inductance L (nH) of the coils over the angle of rotation or a theta (°) rotation position. Due to the simple nature of the inductance curve, an angular position detection algorithm (algorithm for determining the angle of rotation) and its implementation processor (microcontroller) can be used in the form of a low-cost solution.
Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
-
1 zwei Spulengruppen und zwei Leerbereiche einer Sensoranordnung, -
2 ein Flusselementder Sensoranordnung aus 1 , -
3 diezusammengebaute Sensoranordnung aus 1 ,2 bei Drehwinkeln des Flusselements von a) 0°, b) 90°, c) 180° und d) 270°. -
4 den Verlauf der Induktivitäten der Spulen der Sensoranordnung aus den1-3 über dem Drehwinkel, -
5 a) Spulengruppen und Leerbereiche und b) ein Flusselement einer alternativen Sensoranordnung, -
6 Simulationsergebnisse für ein im Uhrzeigersinn rotierendes Flusselement, -
7 eine Zustandstabelle für eine Flusselement-Rotation im Uhrzeigersinn, -
8 eine alternative Sensoranordnung mit einer einzigen Spulengruppe.
-
1 two coil groups and two empty areas of a sensor arrangement, -
2 a flow element of thesensor arrangement 1 , -
3rd the assembledsensor assembly 1 ,2 at angles of rotation of the flux element of a) 0 °, b) 90 °, c) 180 ° and d) 270 °. -
4th the course of the inductances of the coils of the sensor arrangement from the1-3 over the angle of rotation, -
5 a) Coil groups and empty areas and b) a flux element of an alternative sensor arrangement, -
6th Simulation results for a clockwise rotating flux element, -
7th a state table for a clockwise flow element rotation, -
8th an alternative sensor arrangement with a single coil group.
Die
Das Flusselement
Im zusammengebauten Zustand der Sensoranordnung
Die Spulengruppen
Entlang der Kreisbahn
Die beiden Leerbereiche
Die Winkelausdehnung
Lediglich symbolisch ist in
Die
Es ist zu beachten, dass die radial äußeren Spulen
Zentral weist die Kreisscheibe
Die Bogenlängen
In
Der Abschnitt
Wenn sich der Aktivator im Uhrzeigersinn um beispielsweise 45° dreht (nicht dargestellte Zwischenstellung zwischen den Positionen aus den
Gemäß
Gemäß
Gemäß
In
Hier wird gemäß
Die Spulengruppen
Gemäß
Für beide Ausführungsformen (
Dabei ist es sehr wichtig, folgendes zu betonen: Für eine Drehung des Flusselements
Für die Rotation entgegen dem Uhrzeigersinn zeigt die untere Zeile der Tabelle, dass sequentiell die B4-, T3-, B2- und T1-Spulen 4a-d ansteigende Induktivitäten (Werte) aufweisen.For the counterclockwise rotation, the lower line of the table shows that sequentially the B4, T3, B2 and
Bezüglich der Figuren ist zu beachten, dass die Quadrantenreihenfolge von einer konventionellen Nummerierung (übliche Konvention) abweicht:
Die
Dieser erstreckt sich über einen Leerwinkel
Die Spulen
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 22
- SensoranordnungSensor arrangement
- 4a,b4a, b
- SpulengruppeCoil group
- 6a-d6a-d
- SpuleKitchen sink
- 8a,b8a, b
- LeerbereichEmpty area
- 1010
- DrehachseAxis of rotation
- 1212th
- FlusselementFlow element
- 1414th
- KreisbahnCircular path
- 1616
- Flächearea
- 1818th
- AuswerteeinrichtungEvaluation device
- 20a,b20a, b
- LeiterplatteCircuit board
- 2222nd
- KreisscheibeCircular disc
- 24a,b24a, b
- SpulentypCoil type
- 2626th
- Lochhole
- 2828
- ZylindermantelCylinder jacket
- 3030th
- Zylindercylinder
- 3232
- Pfeilarrow
- 3434
- Zeile (oben)Line (top)
- 3636
- Zeile (unten) Line (bottom)
- L1-4L1-4
- InduktivitätenInductors
- DD.
- DrehwinkelRotation angle
- WW.
- WinkelausdehnungAngular expansion
- S1,2S1.2
- SpulenwinkelSpool angle
- GG
- GesamtwinkelTotal angle
- E1,2E1,2
- LeerwinkelEmpty angle
- aa
- AbstandsspaltSpacing gap
- Q1-4Q1-4
- Quadrantquadrant
- A1,2A1.2
- Abschnittsection
- B1,2B1.2
- BogenlängeArc length
- LL.
- Längelength
- R1,2R1.2
- Radiusradius
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- „Development of Eddy-Current Rotor Position Sensor, Markus Simon, Business Unit 8, SUMIDA Components & Modules GmbH, Presented at EVTeCand APE Japan on May 23, 2014, JSAE Paper No. 20144103‟ [0002]"Development of Eddy-Current Rotor Position Sensor, Markus Simon, Business Unit 8, SUMIDA Components & Modules GmbH, Presented at EVTeCand APE Japan on May 23, 2014, JSAE Paper No. 20144103 ‟[0002]
Claims (16)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019213389.4A DE102019213389A1 (en) | 2019-09-04 | 2019-09-04 | Sensor arrangement for detecting an angle of rotation of a flux element |
PCT/EP2020/073820 WO2021043644A1 (en) | 2019-09-04 | 2020-08-26 | Sensor assembly for detecting a rotation angle of a flow element |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102019213389.4A DE102019213389A1 (en) | 2019-09-04 | 2019-09-04 | Sensor arrangement for detecting an angle of rotation of a flux element |
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Family Applications (1)
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- 2019-09-04 DE DE102019213389.4A patent/DE102019213389A1/en active Pending
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- 2020-08-26 WO PCT/EP2020/073820 patent/WO2021043644A1/en active Application Filing
Patent Citations (2)
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SIMON, Markus: Development of eddy-current rotor position sensor. Presented at EVTeC and APE Japan on May 23, 2014, JSAE Paper No. 20144103, S. 1-17. URL: https://www.sumida.com/userfiles/NEWS_EVENTS/EVENT_SUMMARY/EVTec_APE_Japan_2014/140523_EVTeC_speech.pdf [abgerufen am 2019-11-13] * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2021043644A1 (en) | 2021-03-11 |
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