DE102019216839A1

DE102019216839A1 - Erfassen eines drehwinkels einer welle

Info

Publication number: DE102019216839A1
Application number: DE102019216839.6A
Authority: DE
Inventors: Gernot Binder; Armin Satz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2021-05-06
Also published as: US20210131827A1

Abstract

Ein Winkelsensor zum Erfassen eines Drehwinkels einer Welle, an deren axialem Ende ein Permanentmagnet mit zumindest einem Nordpol und zumindest einem Südpol, die sich über eine Drehachse der Welle gegenüberliegen, angebracht ist, weist eine Sensoranordnung und ein ferromagnetisches Element auf. Die Sensoranordnung weist zumindest vier Sensorelemente auf, die mit äquidistanten Winkeln zwischen denselben auf einem Sensorelementkreis angeordnet sind, wobei die Sensorelemente ausgelegt sind, um Magnetfeldkomponenten senkrecht zur Fläche des Sensorelementkreises zu erfassen. Das ferromagnetische Element ist konzentrisch zum Mittelpunkt des Sensorelementkreises angeordnet und bei Betrachtung in Richtung der Mittelachse des Sensorelementkreises punktsymmetrisch zu dem Mittelpunkt. Der Winkelsensor ist dazu bestimmt, relativ zu dem axialen Ende der Welle angeordnet zu werden, so dass die Drehachse der Welle im Wesentlichen konzentrisch zu dem Mittelpunkt des Sensorelementkreises ist und die Sensoranordnung zwischen dem Permanentmagneten und dem ferromagnetischen Element angeordnet ist

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung befasst sich mit Winkelsensoren und insbesondere sogenannten EOS-Sensoren, EOS = End Of Shaft = Ende der Welle, die ausgelegt sind, um die Winkelposition einer rotierenden Welle zu erfassen. Ein EOS-Sensor ist ein Sensor, der einer Endfläche einer Welle gegenüberliegend angeordnet ist, beispielsweise konzentrisch zu einer Achse der Welle.
Hintergrund
Typische EOS-Sensoren weisen einen diametral magnetisierten Scheiben- oder Ring-Magneten auf, der am Ende der Welle angebracht ist. Ein Winkelsensor, beispielsweise ein GMR-Sensor oder ein AMR-Sensor, ist auf der Achse parallel zu der Oberfläche des Magneten angeordnet. Eine Problematik einer solchen Anordnung kann darin bestehen, dass diese Sensoren nicht robust gegenüber Streufeldern sind. Um eine Robustheit gegenüber Streufeldern zu erreichen, kann der Sensor in die Welle integriert werden. Solche integrierten EOS-Systeme weisen einen Winkelsensor auf, der in der Mitte eines diametral magnetisierten Ringmagneten angeordnet ist. Das Sensorsystem wird dabei in einen Hohlraum der Welle eingebracht. Die ferromagnetische Welle, die das Sensorsystem umgibt, schirmt das Sensorsystem vor externen magnetischen Streufeldern ab. Nachteilig sind jedoch höhere Kosten für die Systemintegration und den Magnetentwurf, da für ein gutes Verhalten eine Halbach-Ringmagnetenanordnung verwendet werden sollte.
Ein differenzieller Hall-Sensor könnte verwendet werden, der eine intrinsische Streufeldrobustheit liefert. Vier Hallplatten sind auf einem Kreis bei äquidistanten Winkeln angeordnet. Die vier Hallplatten können monolithisch auf einem einzelnen Chip integriert sein. Der Kreismittelpunkt ist mit der Achse der rotierenden Welle ausgerichtet. Ein Scheibenmagnet ist am Ende der rotierenden Welle befestigt. Zwei differenzielle Signale, ein Sinus-Signal und ein Kosinus-Signal, werden erhalten, während sich die Welle dreht. Die Hallplatten können ausgelegt sein, um eine z-Komponente des magnetischen Feldes, d. h. eine Komponente in Richtung der Achse der rotierenden Welle, zu erfassen. Um die differenziellen Signale zu erhalten, können jeweils die Ausgangssignale von zwei gegenüberliegenden Hallplatten subtrahiert werden, Bz1 - Bz3 und Bz2 - Bz4, wobei Bz1, Bz3, Bz3 und Bz4 den Ausgangssignalen der vier Hallplatten entsprechen.
Überblick
Wünschenswert wären ein EOS-Winkelsensor und ein Verfahren zum Erfassen des Drehwinkels einer Welle, die eine Streufeld-Robustheit bei einem reduzierten Aufwand ermöglichen.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen einen Winkelsensor zum Erfassen eines Drehwinkels einer Welle, an deren axialem Ende ein Permanentmagnet mit zumindest einem Nordpol und zumindest einem Südpol, die sich über eine Drehachse der Welle gegenüberliegen, angebracht ist. Der Winkelsensor weist eine Sensoranordnung und ein ferromagnetisches Element auf. Die Sensoranordnung weist zumindest vier Sensorelemente auf, die mit äquidistanten Winkeln zwischen denselben auf einem Sensorelementkreis angeordnet sind. Die Sensorelemente sind ausgelegt, um Magnetfeldkomponenten senkrecht zur Fläche des Sensorelementkreises zu erfassen. Das ferromagnetische Element ist konzentrisch zum Mittelpunkt des Sensorelementkreises angeordnet und bei Betrachtung in Richtung der Mittelachse punktsymmetrisch zu dem Mittelpunkt. Der Winkelsensor ist dazu bestimmt, relativ zu dem axialen Ende der Welle angeordnet zu werden, so dass die Drehachse der Welle im Wesentlichen konzentrisch zu dem Mittelpunkt des Sensorelementkreises ist und die Sensoranordnung zwischen dem Permanentmagneten und dem ferromagnetischen Element angeordnet ist.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen ein Winkelsensorsystem mit einem solchen Winkelsensor und dem Permanentmagneten, der an dem axialen Ende der Welle angebracht ist, wobei der Winkelsensor relativ zu der Welle derart angebracht ist, dass die Drehachse der Welle im Wesentlichen konzentrisch zu dem Mittelpunkt des Sensorelementkreises ist und die Sensoranordnung zwischen dem Permanentmagneten und dem ferromagnetischen Element angeordnet ist.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen ein Verfahren zum Erfassen des Drehwinkels einer Welle unter Verwendung eines solchen Winkelsensors, bei dem der Winkelsensors relativ zu einem an einem radialen Ende einer Welle angebrachten Permanentmagneten derart angebracht wird, dass die Drehachse der Welle im Wesentlichen konzentrisch zu dem Mittelpunkt des Sensorelementkreises ist und die Sensoranordnung zwischen dem Permanentmagneten und dem ferromagnetischen Element angeordnet ist. Ein durch den Permanentmagneten erzeugtes Magnetfeld wird mittels der zumindest vier Sensorelemente erfasst und der Drehwinkel der Welle wird unter Verwendung von Ausgangssignalen der zumindest vier Sensorelemente bestimmt.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung ermöglichen somit eine Streufeld-robuste Erfassung des Winkels einer rotierenden Welle mit einer erhöhten Empfindlichkeit, selbst wenn als Sensorelemente Hall-Sensoren, wie zum Beispiel Hallplatten, verwendet werden. Bei Beispielen der Offenbarung muss somit kein starker Seltene-Erden-Magnet verwendet werden, um einen Streufeld-robuste EOS-Winkelsensor zu implementieren. Beispiele der Offenbarung ermöglichen neben einer solchen Streufeld-Robustheit eine hohe Erfassungsgenauigkeit. Beispiele der Offenbarung ermöglichen dies durch ein EOS-Winkelsensorsystem, bei dem ein Scheibenmagnet am Ende einer Welle angebracht ist, wobei ein Winkelsensor zwischen dem Magneten und dem ferromagnetischen Element, das als Magnetflusskonzentrator wirkt, angeordnet ist. Der Winkelsensor besitzt eine intrinsische Streufeldrobustheit durch die Verwendung von zumindest vier Sensorelementen, die mit äquidistanten Winkeln zwischen denselben auf einem Sensorelementkreis angeordnet sind.
Figurenliste
Beispiele der Offenbarung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Winkelsensors, der am Ende einer rotierenden Welle angeordnet ist;
2 eine schematische perspektivische Darstellung eines Beispiels eines EOS-Winkelsensors;
3 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Anordnung aus Magnet, Sensoranordnung und ferromagnetischem Element;
4 eine schematische Draufsicht auf ein Beispiel einer Sensoranordnung;
5 eine schematische perspektivische Ansicht und eine schematische Seitenansicht eines Simulationsmodels;
6 ein Diagramm, das beispielhafte simulierte Erfassungssignale eines Sensorelements mit und ohne Polstück zeigt;
7 beispielhafte simulierte Signalamplituden eines Erfassungselements als eine Funktion des Polstückdurchmessers und eines Abstands des Polstücks von einer Sensorebene;
8 bis 10 beispielhafte simulierte Signalamplituden eines Erfassungselements als eine Funktion des Polstückdurchmessers; und
11 ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung.

Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung detailliert und unter Verwendung der beigefügten Beschreibungen beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente oder Elemente, die die gleiche Funktionalität aufweisen, mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sein können, wobei eine wiederholte Beschreibung von Elementen, die mit dem gleichen oder ähnlichem Bezugszeichen versehen sind, typischerweise weggelassen wird. Beschreibungen von Elementen, die gleiche oder ähnliche Bezugszeichen aufweisen, sind gegeneinander austauschbar. In der folgenden Beschreibung werden viele Details beschrieben, um eine gründlichere Erklärung von Beispielen der Offenbarung zu liefern. Es ist jedoch für Fachleute offensichtlich, dass andere Beispiele ohne diese spezifischen Details implementiert werden können. Merkmale der unterschiedlichen beschriebenen Beispiele können miteinander kombiniert werden, es sei denn, Merkmale einer entsprechenden Kombination schließen sich gegenseitig aus oder eine solche Kombination ist ausdrücklich ausgeschlossen.
1 zeigt ein Beispiel eines Winkelsensors 10, der eine Sensoranordnung 12 und ein ferromagnetisches Element 14 aufweist. Die Sensoranordnung 12 weist zumindest vier Sensorelemente 16 auf, die mit äquidistanten Winkeln zwischen denselben auf einem Sensorelementkreis angeordnet sind. Die Sensoranordnung 12 und das ferromagnetische Element 14 können an einem gemeinsamen Träger angebracht sein, wobei das ferromagnetische Element 14 konzentrisch zum Mittelpunkt bzw. zur Mittelachse des Sensorelementkreises angeordnet ist. Der Winkelsensor 10 ist dazu bestimmt, relativ zu einem axialen Ende 18 einer Welle 20 angeordnet zu werden, wobei die Welle 20 um eine Rotationsachse 22 drehbar ist. Am Ende der Welle 20 ist ein Scheibenmagnet 24 angeordnet, der einen Permanentmagneten darstellt, der ein Polpaar aus Nordpol und Südpol aufweist, die sich über die Drehachse 22 der Welle 20 diametral gegenüberliegen. Bei Beispielen kann der Magnet mehr als ein Polpaar aufweisen, deren Pole sich jeweils diametral gegenüberliegen. Der Winkelsensor 10 ist ausgelegt, um einen Drehwinkel der Welle 20 durch Erfassen des von dem Scheibenmagneten 24 erzeugten Magnetfelds zu erfassen. Der Winkelsensor ist einer axialen Endfläche der Welle 20, auf der der Magnet angebracht ist, gegenüberliegend positioniert.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Winkelsensorsystems 30, bei dem die Welle 20 die Ausgangswelle eines Elektromotors 32 ist. Bei dem gezeigten Beispiel sind die Sensoranordnung 12 und das ferromagnetische Element 14 an einem gemeinsamen Träger 34, bei dem es sich um eine Platine handeln kann, angebracht. Bei Beispielen kann der Winkelsensor ein Gehäuse aufweisen, wobei das ferromagnetische Element in das Gehäuse integriert ist oder außen an dem Gehäuse angebracht sein kann. Bei Beispielen weist der Winkelsensor einen Leitungsrahmen auf, wobei das ferromagnetische Element als Teil des Leitungsrahmens implementiert ist. Bei Beispielen weist das Gehäuse ein Vergussmaterial auf, wobei das ferromagnetische Element durch ferromagnetische Partikel in dem Vergussmaterial gebildet ist. Bei Beispielen kann somit das ferromagnetische Element auf kompakte und einfache Weise in ein Gehäuse des Winkelsensors integriert werden.
Eine schematische Darstellung der Anordnung aus Scheibenmagnet 24, Sensoranordnung 12 und ferromagnetischem Element 14 ist in 3 gezeigt. 4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Sensoranordnung 12, die vier Sensorelemente, die in 4 mit Z1, Z2, Z3 und Z4 bezeichnet sind, aufweist. Die vier Sensorelemente sind auf einem Sensorelementkreis 36 mit einem Winkelabstand von jeweils 90° zwischen denselben angeordnet. Bei anderen Beispielen kann eine größere Anzahl von Sensorelementen vorgesehen sein, wobei jeweils Differenzsignale zwischen den Ausgangssignalen sich gegenüberliegen der Sensorelemente gebildet werden. Wie in 4 gezeigt ist, weist der Sensorelementkreis 36 einen Radius r von einem Kreismittelpunkt KM auf. Der Radius r, der auch in 3 eingezeichnet ist, kann als Sensorleseradius bezeichnet werden. Die Sensoranordnung 12 ist zwischen dem Magneten 24 und dem ferromagnetischen Element 14 angeordnet. Der Winkelsensor 10 ist derart relativ zu der Welle 20 angeordnet, dass der Kreismittelpunkt KM im Wesentlichen konzentrisch zur Rotationsachse 22 angeordnet ist. Die Verwendung des Ausdrucks „im Wesentlichen“ soll dabei Abweichungen einschließen, die in einem Bereich von bis zu 10% des Radius r liegen.
Das ferromagnetische Element 14 wirkt als Magnetflusskonzentrator, um den magnetischen Fluss von dem Magneten zu den Sensorelementen 16, Z1, Z2, Z3, Z4 der Sensoranordnung 12 zu konzentrieren. Zu diesem Zweck ist das ferromagnetische Element in Draufsicht, also bei Betrachtung in Richtung der Mittelachse des Sensorelementkreises, punktsymmetrisch zum Mittelpunkt des Sensorelementkreises. Unter punktsymmetrisch ist dabei zu verstehen, dass es eine Punktspiegelung gibt, die diese Figur auf sich abbildet. Der Punkt, an dem diese Spiegelung erfolgt, entspricht in Draufsicht dem Kreismittelpunkt des Sensorelementkreises und kann als Symmetriezentrum bezeichnet werden. Die Mittelachse des Sensorelementkreises verläuft durch den Mittelpunkt und steht senkrecht auf der Kreisfläche des Sensorelementkreises. Bei Beispielen ist das ferromagnetische Element bei Betrachtung in Richtung der Mittelachse rotationssymmetrisch. Bei Beispielen ist das ferromagnetische Element bei Betrachtung in Richtung der Mittelachse kreisförmig. Bei Beispielen ist der das ferromagnetische Element zylinderförmig, kugelförmig, halbkugelförmig oder quaderförmig ist. Bei Beispielen kann somit der magnetische Fluss gleichmäßig zu den zumindest vier Sensorelementen der Sensoranordnung konzentriert werden.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung ist die Form des Polstücks, das auch als Flussleitplättchen bezeichnet werden kann, bei Betrachtung in der Richtung der Wellenachse rund, da dann die Symmetrie am besten ist und keine unterschiedlichen Auswirkungen auf die verschiedenen Sensorelemente vorliegen. Alternativ können jedoch auch andere Formen verwendet werden, solange durch dieselben eine Konzentration des magnetischen Flusses zu den Sensorelementen hin und somit eine Verstärkung der Sensorelement-Ausgangssignale bewirkt werden kann.
Bei Beispielen liegen Abmessungen des ferromagnetischen Elements, die durch die Mittelachse verlaufen und senkrecht zu der Mittelachse sind, in einem Bereich des 0,9-fachen bis 2-fachen des Durchmessers des Sensorelementkreises. Bei Beispielen liegen diese Abmessungen des ferromagnetischen Elements in einem Bereich des 1,2-fachen bis 1,33-fachen des Durchmessers des Sensorelementkreises. Es hat sich gezeigt, dass bei solchen Abmessungen eine effektive Konzentration des magnetischen Flusses zu den Sensorelementen hin möglich ist.
Bei Beispielen beträgt der Abstand zwischen der Sensoranordnung und dem ferromagnetischen Element in Richtung der Mittelachse weniger als 550 µm ist. Dadurch ist es möglich, das Magnetfeld zu erfassen, bevor es stark abgeklungen ist. Bei Beispielen weist das ferromagnetische Element Eisen, SiFe oder NiFe auf. Bei Beispielen kann der Magnet aus solchen relativ schwach magnetischen Materialen bestehen, da durch das ferromagnetischen Element eine Konzentration des magnetischen Flusses zu den Sensorelementen hin bewirkt wird, so dass keine aufwändigen Magnetmaterialien, wie z.B. Seltene-Erden-Magneten benötigt werden.
Bei Beispielen weist der Winkelsensor eine Verarbeitungsschaltung auf, die konfiguriert ist, um unter Verwendung von Ausgangssignalen der zumindest vier Sensorelemente den Drehwinkel der Welle zu bestimmen. Bei Beispielen ist die Verarbeitungsschaltung ausgelegt, um unter Verwendung von zwei diametral gegenüberliegenden Sensorelementen der zumindest vier Sensorelemente ein erstes Differenzsignal zu erzeugen, um unter Verwendung von zwei anderen diametral gegenüberliegenden Sensorelementen der zumindest vier Sensorelemente ein zweites Differenzsignal zu erzeugen, und um basierend auf dem Arkustangens des Quotienten des ersten und zweiten Differenzsignals den Drehwinkel zu bestimmen. Somit ist es möglich, den Drehwinkel Streufeld-robust zu erfassen.
Das ferromagnetische Element besteht aus einem ferromagnetischen Material und stellt ein Polstück dar, dass auf einer von dem Magneten abgewandten Seite der Sensoranordnung vorgesehen wird. Somit ist in einer Seitenansicht die Sensoranordnung zwischen dem Magneten und dem Polstück angeordnet. Das Polstück kann in ein Vergussgehäuse integriert werden oder an einer Außenseite des Gehäuses angebracht werden. Bei Beispielen kann auch ein Anschlussleitungsrahmen (Leadframe) aus einem ferromagnetischen Material bestehen und strukturiert sein, um eine entsprechende Konzentration des magnetischen Flusses zu bewirken. Wie ausgeführt wurde, sind das Polstück, der Sensorelementkreis, der auch als Sensorlesekreis bezeichnet werden kann, und der Magnet konzentrisch um die Rotationsachse ausgerichtet.
Bei Beispielen weist der Winkelsensor, bei dem es sich um einen Streufeld-robusten EOS-Sensor handelt, vier Sensorelemente auf, die die Bz-Magnetfeldkomponente, die durch den Scheibenmagneten erzeugt wird, erfassen. Bei Beispielen sind diese Sensorelemente als Hall-Elemente, beispielsweise laterale Hall-Platten, realisiert. Bei anderen Beispielen können diese Sensorelemente als magnetoresistive Elemente implementiert sein, beispielsweise solche, die eine anisotrope Magnetoresistenz (AMR), eine Giant-Magnetoresistenz (GMR) oder eine Tunnelmagnetoresistenz (TMR) ausnutzen.
Bei Beispielen sind die vier Sensorelemente sind auf einem Kreis mit äquidistanten Winkeln zwischen denselben angeordnet, wobei der Ursprung dieses Sensorlesekreises konzentrisch mit der Wellenachse und der Magnetzylinderachse ausgerichtet ist. Zwei differenzielle Signale können von den vier Sensorelementen erhalten werden. Diese Signale sind Streufeld-robust. Das ferromagnetische Polstück, das beispielsweise aus Eisen, SiFe, NiFe oder einer Nickel-Eisenlegierung, wie z.B. Permalloy, bestehen kann, ist auf der Rückseite der Sensoranordnung, d. h. auf der von dem Magneten abgewandten Seite derselben, angeordnet. Das Polstück wirkt als Flusskonzentrator und verstärkt die magnetischen Signale, die auf die Sensorelemente wirken. Das Polstück kann in ein Gehäuse integriert werden, beispielsweise übergossen werden, oder kann an der Rückseite eines gegossenen Gehäuses angebracht werden. Bei anderen Beispielen könnte ein Leadframe aus einem ferromagnetischen Material bestehen, oder ein Vergussmaterial des Gehäuses selbst könnte ferromagnetische Partikel enthalten, um das Polstück zu bilden.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung liefern somit eine intrinsische Streufeld-Unterdrückung, wobei das Polstück Ausgangssignale der Sensorelemente verstärkt und somit das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert. Dadurch ist es möglich, größere Luftspalte zu verwenden und die Streufeld Robustheit zu erhöhen. Ferner ist es möglich, kostengünstige schwache Magneten, beispielsweise Ferrite, zu verwenden.
Die magnetischen Felder, die durch den Scheibenmagneten bei einem willkürlichen Luftspalt AG erzeugt wird, hängen von der Winkelposition der Welle, die als θ bezeichnet wird, ab. Die erzeugten Magnetfeldkomponenten in der z-Richtung, d. h. der Richtung der Rotationsachse, der vier Sensorelemente Z1, Z2, Z3 und Z4 betragen: $Z 1 (A G, θ) = A_{Z} (A G) \cdot sin (θ)$
$Z 2 (A G, θ) = A_{Z} (A G) \cdot sin (θ + 90 °)$
$Z 3 (A G, θ) = A_{Z} (A G) \cdot sin (θ + 180 °)$
$Z 4 (A G, θ) = A_{Z} (A G) \cdot sin (θ + 270 °)$
Es seien näherungsweise homogene Streu-Magnetfeldkomponenten Zs angenommen. Diese Annahme ermöglicht es, die Ausgangssignale der vier Magnetfeld-Sensorelemente als eine Funktion der Winkelposition θ der Welle wie folgt zu beschreiben: $Z 1 (θ) = S z \cdot (A_{Z} \cdot sin (θ) + Z s),$
$Z 2 (θ) = S z \cdot (A_{Z} \cdot sin (θ + 90 °) + Z s),$
$Z 3 (θ) = S z \cdot (A_{Z} \cdot sin (θ + 180 °) + Z s),$
$Z 4 (θ) = S z \cdot (A_{Z} \cdot sin (θ + 270 °) + Z s) .$
Hierbei werden gleiche Empfindlichkeiten Sz der vier Magnetfeld-Sensorelemente und verschwindende Restversätze, Offsets, für alle vier Magnetfeld-Sensorelemente angenommen. Verfahren zum Kompensieren von Abweichungen von diesen Annahmen sind bekannt, wie zum Beispiel eine Versatzbeseitigung unter Verwendung sogenannter Spinning- und Chopping-Verfahren, und eine Kalibrierung von Sensoramplituden und von Nicht-Orthogonalitäten. Bei Beispielen können derartige Verfahren zum Kompensieren von Abweichungen verwendet werden.
Aufgrund des gleichen Luftspalts und des gleichen radialen Abstands der vier Magnetfeld-Sensorelemente von der Wellenachse, werden die Z-Amplituden der vier Magnetfeld-Sensorelemente im Wesentlichen die gleiche Größe aufweisen.
Die Sensorsignale von jeweils zwei gegenüberliegenden Sensorelementen der Magnetfeld-Sensorelemente können subtrahiert werden, um Streufeld-robuste Differenzsignale zu erhalten: $Δ Z 1 (θ) = Z 1 (θ) - Z 3 (θ) = S z \cdot (2 * A z) \cdot cos (θ),$
$Δ Z 2 (θ) = Z 2 (θ) - Z 4 (θ) = S z \cdot (2 * A z) \cdot sin (θ)$
Diese Streufeld-robusten Differenzsignale besitzen die gleiche Amplitude und sind um 90° phasenverschoben. Die Berechnung des Arkustangens dieser Differenzsignale ergibt die Winkelposition θ der Welle: $θ = atan (\frac{Δ Z 2 (θ)}{Δ Z 1 (θ)})$

Somit kann die Winkelposition θ der Welle aus den vier Ausgangssignalen der Sensorelemente bestimmt werden. Um die magnetischen Signalamplituden Az zu erhöhen, wird das ferromagnetische Element bzw. Polstück zu dem Sensorsystem hinzugefügt. Dabei wird die Sensoranordnung zwischen dem Magneten und dem Polstück angeordnet. Bei Beispielen wird ein zylinderförmiges Polstück in Form einer Scheibe verwendet. Bei anderen Beispielen kann das Polstück auch quaderförmig sein oder eine sogenannte Ashlar-Form aufweisen. Bei anderen Beispielen kann das Polstück eine elliptische Form, eine Kugelform oder eine Halbkugelform aufweisen. Wie beschrieben wurde, sind bei Beispielen eine Magnetpille, ein Mittelpunkt des Sensorlesekreises und das Polstück konzentrisch mit der Wellenachse, d. h. dem Rotationszentrum, ausgerichtet.

Beispiele der vorliegenden Offenbarung können insbesondere zur exakten Winkelmessung, beispielsweise einer Rotorpositionserfassung für bürstenlose Elektromotoren, verwendet werden. Eine Erhöhung der Elektrifizierung, beispielsweise bei Kraftfahrzeuganwendungen mit einem Bordnetz von 48 V und einer Elektrifizierung des Triebstrangs, können zusätzliche magnetische Streufelder erzeugen. Beispiele der vorliegenden Offenbarung ermöglichen auch bei solchen Anwendungen eine zuverlässige Erfassung des Drehwinkels.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen daher ein Streufeld-robustes EOS-Sensorsystem, das einen Permanentmagneten, einen Magnetfeldsensor und ein ferromagnetisches Element, das hierin auch als Polstück bezeichnet wird, aufweist. Der Magnetfeldsensor kann als Magnetfeldsensorchip ausgebildet sein, der vier in z-Richtung empfindliche Sensorelemente aufweist, die bei äquidistanten Winkeln auf einem Kreis mit dem Sensorleseradius r angeordnet sind. Zwei Streufeld-robuste Differenzsignale werden erhalten, Z1 - Z3 (Sinussignal) und Z2 - Z4 (Kosinussignal). Unter Verwendung der trigonometrischen Arkustangens-Funktion kann der Wellenwinkel bestimmt werden. Das ferromagnetische Polstück erhöht die magnetischen Signale an den Sensorelementen. Das Polstück ist auf der von dem Magneten abgewandten Seite der Sensoranordnung angeordnet. Somit ist in einer Seitenansicht die Sensoranordnung zwischen dem Magneten und dem Polstück angeordnet. Der Magnet, die Sensoranordnung, d.h. die Mitte des Sensorlesekreises, und das Polstück sind konzentrisch mit der Wellenachse ausgerichtet. Es wurde herausgefunden, dass die magnetischen Signalamplituden effektive verstärkt bzw. maximiert werden können, wenn Abmessungen des Polstücks in Draufsicht in einem Bereich vom 0,9- bis 2-fachen des Sensorlesekreisdurchmessers (2 x Leseradius r) liegen. Bei Beispielen liegt bei einem zylinderförmigen, kugelförmigen oder halbkugelförmigen Polstück der Durchmesser in einem Bereich vom 0,9- bis 2-fachen des Sensorlesekreisdurchmessers.
Bei Beispielen kann ein Abstand des Polstücks von dem empfindlichen Bereich, d.h. der Sensoranordnung, in der Richtung der Wellenachse in einem Bereich unter 550 µm, beispielsweise in einem Bereich von 300 bis 400 µm, wie z.B. bei 350 µm liegen. Es hat sich gezeigt, dass in einem solchen Fall ein Polstückdurchmesser in einem Bereich vom 1,2-bis 1,33-fachen des Sensorlesekreisdurchmessers hinsichtlich der Flusskonzentration zu den Sensorelementen optimal ist. Es hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung eines Polstücks mit Abmessungen senkrecht zu der Wellenachse, die in dem beschriebenen Bereich liegen, eine Signalverstärkung in einem Bereich eines Faktors zwischen 2,5 und 4 erreicht werden kann. Beispiele der vorliegenden Offenbarung ermöglichen somit die Verwendung von schwachen kostengünstigen Magneten, wie zum Beispiel Ferriten, eine Erhöhung des Signal/Rauschverhältnisses, einen erhöhten Luftspaltbereich, der verwendet werden kann, und/oder eine erhöhte Streufeld-Robustheit.
Simulationen, die die beschriebenen Effekte bestätigen, wurden durchgeführt. 5 zeigt ein Simulationsmodel mit einem zylindrischen, diametral magnetisierten Neodym-Magneten mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Höhe von 3 mm. Genauer gesagt wurde für die Simulation als Material des Magneten Kunststoff-gebondetes isotropes NdFeB mit einer Remanenz Br = 0,51T, und einer Koerzitivfeldstärke HcB = -355kA/m verwendet. Bei 52 ist schematisch ein Sensorauslesekreis gezeigt, der vier Sensorelemente aufweist, wobei unterschiedliche Sensorlesekreisdurchmesser von 1,5 mm, 2,0 mm und 2,5 mm verwendet wurden. Die Simulationen wurden bei einem typischen Luftspalt AG von 2,0 mm durchgeführt, wobei der Luftspalt AG dem Abstand zwischen dem Magneten und der empfindlichen Ebene, also der Ebene, in der die Sensorelemente angeordnet sind, entspricht. Auf der von dem Magneten abgewandten Seite des Sensorlesekreises war ein zylinderförmiges Polstück mit einer Höhe von 0,3 mm angeordnet. Wie dem Simulationsmodell in 4 zu entnehmen ist, sind der Magnet 50, der Sensor Lesekreis 52 und das Polstück 54 koaxial mit der Rotationsachse, die in 5 mit der z-Achse zusammenfällt, ausgerichtet. Der Durchmesser des Polstücks und der Abstand des Polstück von der empfindlichen Ebene wurden in dem Modell, d. h. bei der Simulation, variiert.
Bei einer ersten Simulation wurde ein Sensor mit einem Sensorlesekreisdurchmesser von 2,5 mm verwendet. Die Polstückabmessung wurde auf einen Durchmesser von 6 mm und eine Höhe von 0,3 mm eingestellt, wobei ein Abstand zu der empfindlichen Ebene 700 µm betrug. 6 zeigt das Ergebnis dieser Simulation zum einen ohne Polstück, Kurve OP, und zum anderen mit einem Polstück aus Eisen mit einer magnetischen Permeabilität µr = 4000, Kurve MP. Wie in 6 zu sehen ist, sind Bz-Signale, die die magnetische Feldkomponente in z-Richtung wiedergeben, durch das Polstück um einen Faktor von 1,6 verstärkt. 6 zeigt dabei die jeweiligen Bz-Signale über eine vollständige Umdrehung von 360°.
Um diesen Verstärkungsfaktor zu verbessern und weiter zu optimieren, wurden zusätzliche Simulationen mit unterschiedlicher Geometrie durchgeführt. Insbesondere wurden die Dicke und der Durchmesser des Polstücks variiert, sowie der Abstand des Polstücks zu der empfindlichen Ebene, d. h. der Sensoranordnung. Als empfindliche Ebene kann dabei die Ebene betrachtet werden, die senkrecht zu der Wellenachse durch die Mitten der jeweiligen Sensorelemente verläuft.
7 zeigt die Bz-Signal-Amplitude für einen Sensor mit einem Sensorlesekreisradius von 1,25 mm als eine Funktion des Polstückdurchmessers und des Abstands SP des Polstücks von der Sensoranordnung in z-Richtung. Je geringer der Abstand des Polstücks von der Sensorebene ist, desto höher ist die Signalamplitude. Wie in 7 zu erkennen ist, erreicht die Amplitude ihr Maximum, wenn der Polstückdurchmesser im Bereich des Sensorlesekreisdurchmessers oder etwas darüber ist. Bei dem gezeigten Beispiel bei etwas oberhalb von 2,5 mm.
Ferner wurden Simulationen für unterschiedliche Sensorlesekreisradien durchgeführt und die Ergebnisse ausgewertet. Die entsprechenden Ergebnisse sind in den 8 bis 10 dargestellt. 8 zeigt die Ergebnisse für einen Sensorlesekreisdurchmesser von 1,5 mm, 9 zeigt die Ergebnisse für einen Sensorlesekreisdurchmesser von 2 mm und 10 zeigt die Ergebnisse für einen Sensorlesekreisdurchmesser von 2,5 mm. 10 zeigt dabei die gleichen Ergebnisse wie 7 in einer anderen Darstellungsart. Bei jeder der 8 bis 10 wurde jeweils der Abstand SP zwischen der Sensorebene und dem Polstück zwischen 150 µm und 750 µm variiert, wobei die jeweiligen Ergebnisse als Kurven k1 bis k7 dargestellt sind. In den 8 bis 10 stellt jede Kurve k1 bis k7 einen anderen z-Abstand dar, wobei das Signal bei einem niedrigen z-Abstand sein Maximum erreicht.
Ferner ist in den 8 bis 10 jeweils ein optimaler Bereich für den Polstückdurchmesser durch einen doppelköpfigen Pfeil angezeigt. Die Simulationsergebnisse zeigen somit, dass ein Polstückdurchmesser in einem Bereich des 0,9- bis 2,0-fachen des Sensorlesekreisdurchmessers am effektivsten ist. Für kleinere z-Abstände SP sollte der Faktor näher bei 0,9 sein, während er für größere z-Abstände SP näher bei dem Faktor 2 sein sollte.
Betrachtet man beispielsweise in 8 die Kurve k3, die zu einem Abstand SP von 350 µm gehört, so wäre der ideale Polstückdurchmesser in diesem Fall 2 mm, was dem Sensorlesekreisdurchmesser mal einem Faktor von 1,33 entspricht. Betrachtet man beispielsweise in 9 die Kurve k3, so wäre der ideale Polstückdurchmesser in diesem Fall 2,5 mm, was dem Sensorlesekreisdurchmesser mal einem Faktor von 1,25 entspricht. Betrachtet man beispielsweise in 10 die Kurve k3, so wäre der ideale Polstückdurchmesser in diesem Fall 3 mm, was dem Sensorleserkreisdurchmesser mal einem Faktor von 1,20 entspricht. Es zeigt sich somit, dass für größere Lesekreisdurchmesser der Faktor relativ gesehen kleiner sein sollte als für geringere Lesekreisdurchmesser.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung wird somit ein Polstückdurchmesser abhängig von dem Sensorlesekreisdurchmesser gewählt, wobei ein Faktor, mit dem der Sensorleserkreisdurchmesser multipliziert wird, um den Polstückdurchmesser zu erhalten, größer ist, wenn der Sensorlesekreisdurchmesser geringer ist, und geringer ist, wenn der Sensorlesekreisdurchmesser größer ist.
Die Simulationen zeigen beispielsweise, dass bei einem Lesekreisdurchmesser von 2,5 mm und einem Polstück eines Durchmessers von 3 mm, das beispielsweise in einem Abstand von 350 µm zu dem Sensor in einem Gehäuse angeordnet ist, eine Signalverstärkung von 250% erreicht werden kann. Wird ein entsprechend des Polstück in ein Sensorgehäuse integriert, mit einem geringeren Abstand zu der Sensoranordnung, so sind sogar noch höhere Verstärkungen von bis zu 400% möglich.
Es sei darauf hingewiesen, dass die oben angegebenen Abmessungen und Abstände bespielhaft sind und dass bei anderen Implementierungen andere Abmessungen und Abstände verwendet werden können.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen somit eine Sensoranordnung, bei der ein zylinderförmiges Polstück auf einer von einem Magneten abgewandten Seite einer Sensoranordnung vorgesehen ist, wobei die Stirnflächen des Zylinders senkrecht zur Mittelachse des Sensorlesekreises und somit senkrecht zur Rotationsachse der Welle angeordnet sind. Die Stirnflächen des Polstücks und die Kreisfläche des Sensorelementkreises können parallel zueinander angeordnet sein. Der Durchmesser des Zylinders wird abhängig von dem Durchmesser des Sensorlesekreises gewählt, wobei bei Beispielen der Polstückdurchmesser in einem Bereich des 1,2-fachen bis 1,33-fachen des Durchmessers des Sensorlesekreises gewählt wird.
Beispiele schaffen ein Verfahren, wie es in 11 gezeigt ist. Bei 100 wird ein Winkelsensor, wie ihr hierin beschrieben ist, relativ zu einem an einem radialen Ende einer Welle angebrachten Permanentmagneten derart angebracht, dass die Drehachse der Welle im Wesentlichen konzentrisch zu der Mittelachse des Sensorelementkreises ist und die Sensoranordnung zwischen dem Permanentmagneten und dem ferromagnetischen Element angeordnet ist. Bei 102 wird ein durch den Permanentmagneten erzeugtes Magnetfeld mittels der zumindest vier Sensorelemente erfasst. Bei Beispielen wird dabei jeweils die Magnetfeldkomponente in Richtung der Rotationsachse der Welle erfasst. Bei 104 wird dann der Drehwinkel der Welle unter Verwendung von Ausgangssignalen der zumindest vier Sensorelemente bestimmt.
Bei Beispielen kann die Verarbeitungsschaltung durch beliebige geeignete Schaltungsstrukturen implementiert werden, beispielsweise Mikroprozessorschaltungen, ASIC-Schaltungen, CMOS-Schaltungen und dergleichen. Bei Beispielen kann die Verarbeitungsschaltung als eine Kombination von Hardware-Strukturen und maschinenlesbaren Befehlen implementiert sein. Beispielsweise kann die Verarbeitungsschaltung einen Prozessor und Speichereinrichtungen aufweisen, die maschinenlesbare Befehle speichern, die zur Durchführung von hierin beschriebenen Verfahren führen, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden.
Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung als Merkmale im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass eine solche Beschreibung ebenfalls als eine Beschreibung entsprechender Verfahrensmerkmale betrachtet werden kann. Obwohl einige Aspekte als Merkmale im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben wurden, ist klar, dass eine solche Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale einer Vorrichtung bzw. der Funktionalität einer Vorrichtung betrachtet werden können.
In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn, es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.
Die oben beschriebenen Beispiele sind nur darstellend für die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung. Es ist zu verstehen, dass Modifikationen und Variationen der Anordnungen und der Einzelheiten, die beschrieben sind, für Fachleute offensichtlich sind. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nur durch die beigefügten Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die zum Zweck der Beschreibung und Erklärung der Beispiele dargelegt sind, begrenzt ist.
Bezugszeichenliste

10: Winkelsensor
12: Sensoranordnung
14: ferromagnetisches Element, Polstück
16: Sensorelemente
18: axiales Wellenende
20: Welle
22: Rotationsachse
24: Magnet
30: Winkelsensorsystem
32: Elektromotor
34: gemeinsamer Träger
36: Sensorelementkreis, Sensorlesekreis
Z1, Z2, Z3, Z4: Sensorelemente
KM: Kreismittelpunkt
50: Magnet
52: Sensorlesekreis
54: Polstück

Claims

Winkelsensor zum Erfassen eines Drehwinkels einer Welle, an deren axialem Ende ein Permanentmagnet mit zumindest einem Nordpol und zumindest einem Südpol, die sich über eine Drehachse der Welle gegenüberliegen, angebracht ist, mit folgenden Merkmalen: einer Sensoranordnung, die zumindest vier Sensorelemente aufweist, die mit äquidistanten Winkeln zwischen denselben auf einem Sensorelementkreis angeordnet sind, wobei die Sensorelemente ausgelegt sind, um Magnetfeldkomponenten senkrecht zur Fläche des Sensorelementkreises zu erfassen; einem ferromagnetischen Element, das konzentrisch zum Kreismittelpunkt des Sensorelementkreises angeordnet ist und bei Betrachtung in Richtung der Mittelachse des Sensorelementkreises punktsymmetrisch zum Kreismittelpunkt des Sensorelementkreises ist, wobei der Winkelsensor dazu bestimmt ist, relativ zu dem axialen Ende der Welle angeordnet zu werden, so dass die Drehachse der Welle im Wesentlichen konzentrisch zum Kreismittelpunkt des Sensorelementkreises ist und die Sensoranordnung zwischen dem Permanentmagneten und dem ferromagnetischen Element angeordnet ist.
Winkelsensor nach Anspruch 1, bei dem das ferromagnetische Element bei Betrachtung in Richtung der Mittelachse des Sensorelementkreises rotationssymmetrisch ist.
Winkelsensor nach Anspruch 2, bei dem das ferromagnetische Element bei Betrachtung in Richtung der Mittelachse des Sensorelementkreises kreisförmig ist.
Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das ferromagnetische Element zylinderförmig, kugelförmig, halbkugelförmig oder quaderförmig ist.
Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der ein Gehäuse aufweist, wobei das ferromagnetische Element in das Gehäuse integriert ist oder außen an dem Gehäuse angebracht ist.
Winkelsensor nach Anspruch 5, der einen Leitungsrahmen aufweist, wobei das ferromagnetische Element als Teil des Leitungsrahmens implementiert ist.
Winkelsensor nach Anspruch 5, bei dem das Gehäuse ein Vergussmaterial aufweist, wobei das ferromagnetische Element durch ferromagnetische Partikel in dem Vergussmaterial gebildet ist.
Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem Abmessungen des ferromagnetischen Elements, die durch die Mittelachse des Sensorelementkreises verlaufen und senkrecht zu der Mittelachse sind, in einem Bereich des 0,9-fachen bis 2-fachen des Durchmessers des Sensorelementkreises liegen.
Winkelsensor nach Anspruch 8, bei dem die Abmessungen des ferromagnetischen Elements, die durch die Mittelachse des Sensorelementkreises verlaufen und senkrecht zu der Mittelachse sind, in einem Bereich des 1,2-fachen bis 1,33-fachen des Durchmessers des Sensorelementkreises betragen.
Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Abstand zwischen der Sensoranordnung und dem ferromagnetischen Element in Richtung der Mittelachse des Sensorelementkreises kleiner als 550 µm ist.
Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das ferromagnetische Element Eisen, SiFe, NiFe oder eine Eisen/Nickel-Legierung aufweist.
Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, der ferner eine Verarbeitungsschaltung aufweist, die konfiguriert ist, um unter Verwendung von Ausgangssignalen der zumindest vier Sensorelemente den Drehwinkel der Welle zu bestimmen.
Winkelsensor nach Anspruch 12, bei dem die Verarbeitungsschaltung ausgelegt ist, um unter Verwendung von zwei diametral gegenüberliegenden Sensorelementen der zumindest vier Sensorelemente ein erstes Differenzsignal zu erzeugen, um unter Verwendung von zwei anderen diametral gegenüberliegenden Sensorelementen der zumindest vier Sensorelemente ein zweites Differenzsignal zu erzeugen, und um basierend auf dem Arkustangens des Quotienten des ersten und zweiten Differenzsignals den Drehwinkel zu bestimmen.
Winkelsensorsystem mit einem Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und dem Permanentmagneten, der an dem axialen Ende der Welle angebracht ist, wobei der Winkelsensor relativ zu der Welle derart angebracht ist, dass die Drehachse der Welle im Wesentlichen konzentrisch zum Mittelpunkt des Sensorelementkreises ist und die Sensoranordnung zwischen dem Permanentmagneten und dem ferromagnetischen Element angeordnet ist.
Winkelsensorsystem nach Anspruch 14, bei dem der Permanentmagnet ein diametral magnetisierter zylinderförmiger Permanentmagnet ist, der konzentrisch auf dem axialen Ende der Welle befestigt ist.
Winkelsensorsystem nach Anspruch 14 oder 15, bei dem der Permanentmagnet aus einem Ferrit-Material besteht.
Verfahren zum Erfassen des Drehwinkels einer Welle, mit folgenden Merkmalen: Anbringen eines Winkelsensors nach einem der Ansprüche 1 bis 13 relativ zu einem an einem radialen Ende einer Welle angebrachten Permanentmagneten derart, dass die Drehachse der Welle im Wesentlichen konzentrisch zum Mittelpunkt des Sensorelementkreises ist und die Sensoranordnung zwischen dem Permanentmagneten und dem ferromagnetischen Element angeordnet ist; Erfassen eines durch den Permanentmagneten erzeugten Magnetfelds mittels der zumindest vier Sensorelemente; Bestimmen des Drehwinkels der Welle unter Verwendung von Ausgangssignalen der zumindest vier Sensorelemente.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Bestimmen des Drehwinkels folgende Merkmale aufweist: Erzeugen eines ersten Differenzsignals unter Verwendung von zwei diametral gegenüberliegenden Sensorelementen der zumindest vier Sensorelemente; Erzeugen eines zweiten Differenzsignals unter Verwendung von zwei anderen diametral gegenüberliegenden Sensorelementen der zumindest vier Sensorelemente; und Bestimmen des Drehwinkels durch Berechnen des Arkustangens des Quotienten des ersten und zweiten Differenzsignals.