DE102020108860A1

DE102020108860A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Positionsbestimmung bei einem Elektromotor

Info

Publication number: DE102020108860A1
Application number: DE102020108860.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Schmid; Felix Blaser
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2021-09-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zahnrad zur Verwendung in einem Elektromotor, einen Elektromotor und ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines drehbar gelagerten Elements in einem Elektromotor. Das Zahnrad umfasst einen Magneten zur Positionsbestimmung. Der Magnet ist an einer ersten Stirnseite des Zahnrads drehfest befestigt ist und auf einer Drehachse des Zahnrads angeordnet, wobei die Drehachse sich durch den Magneten hindurch erstreckt.

Description

GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Zahnrad zur Verwendung in einem Elektromotor, einen Elektromotor und ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines drehbar gelagerten Elements in einem Elektromotor.
HINTERGRUND
Elektrische Kleinmotoren wie beispielsweise bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) kommen unter anderem im Automobilbereich und in der Automatisierungstechnik zur Anwendung, zum Beispiel als Servomotor, Lüftermotor oder Antrieb für Stellaktuatoren wie Klappensteller oder Ventile, beispielsweise Nadelventile. Zur Steuerung und Überwachung können solche Elektromotoren mit Sensoren ausgestattet sein, um Motorparameter wie die Rotorstellung, die Rotordrehzahl oder die Drehwinkelstellung eines mit dem Rotor gekoppelten Stellglieds zu bestimmen.
Ein Elektromotor kann beispielsweise einen Hall-Sensor aufweisen, der dazu eingerichtet ist, eine Stärke und/oder Richtung eines Magnetfelds zu messen. Auf einem beweglichen Element des Elektromotors, z.B. auf einem Abtriebsrad, kann ein Magnet angebracht sein. Der Hall-Sensor kann in der Nähe des Abtriebsrads angeordnet werden, um das von dem Magneten erzeugte Magnetfeld zu messen. Wird das Abtriebsrad bewegt, ändert sich das Magnetfeld am Ort des Sensors. Anhand des gemessenen Magnetfelds kann somit die Drehwinkelstellung des Abtriebsrads sowie gegebenenfalls die Stellung eines damit gekoppelten Stellglieds ermittelt werden.
Das Anbringen eines Magneten auf dem Abtriebsrad erfordert allerdings zusätzlichen Platz und kann die Laufeigenschaften des Abtriebsrads beeinträchtigen. Dies kann insbesondere bei Elektromotoren mit kompakter Bauweise und geringer Leistung nachteilhaft sein.
ÜBERBLICK
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Anordnung eines Magneten auf einem Abtriebsrad eines Elektromotors so zu verbessern, dass der Platzbedarf reduziert wird und die Laufeigenschaften des Abtriebsrads verbessert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Zahnrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines drehbar gelagerten Elements in einem Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 24 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird ein Zahnrad zur Verwendung in einem Elektromotor vorgesehen, welches einen Magneten zur Positionsbestimmung umfasst. Der Magnet ist an einer ersten Stirnseite des Zahnrads drehfest befestigt und auf einer Drehachse des Zahnrads angeordnet ist, wobei die Drehachse sich durch den Magneten hindurch erstreckt.
Der Magnet ist bevorzugt in einer Ebene senkrecht zur Drehachse des Zahnrads magnetisiert. Der Magnet kann beispielsweise ein zweipoliger Magnet mit einem Nordpol und einem Südpol sein oder ein mehrpoliger Magnet mit mehr als zwei Polen, z.B. ein Quadrupolmagnet. Bei einer Drehung des Zahnrads bewegt sich der Magnet mit dem Zahnrad mit, wodurch sich das von dem Magneten erzeugte Magnetfeld verändert. Diese Änderung kann mit Hilfe eines unbewegten Magnetfeldsensors, z.B. eines an einem Gehäuse des Elektromotors befestigten Hallsensors, detektiert werden und daraus die Drehwinkelstellung des Zahnrads ermittelt werden.
Der Magnet ist so auf der ersten Stirnseite des Zahnrads angeordnet, dass sich die Drehachse des Zahnrads durch einen Körper des Magneten hindurch erstreckt. Die Drehachse verläuft dabei durch den Magnetkörper selbst, d.h. nicht durch eine Öffnung im Magnetkörper wie beispielsweise bei ringförmigen Positionsmagneten. Durch eine Anordnung des Magneten auf der Drehachse können Magneten mit kleineren Abmessungen verwendet werden. Zudem kann das Trägheitsmoment des Magneten um die Drehachse des Zahnrads verringert werden und damit die Laufeigenschaften des Zahnrads verbessert werden.
In manchen Ausführungsformen erstreckt sich die Drehachse durch den Mittelpunkt des Magneten, wobei der Mittelpunkt des Magneten zum Beispiel der geometrische Mittelpunkt, der Schwerpunkt und/oder der magnetische Mittelpunkt des Magneten sein kann. Insbesondere weist der Magnet keine Öffnung auf. Der Magnet kann beispielsweise eine durchgehende Scheibe sein, die zwei gegenüberliegende durchgehende Endflächen aufweist. Bevorzugt ist der Magnet um die Drehachse rotationssymmetrisch. In einem Beispiel hat der Magnet eine zylindrische Form.
In einigen Ausgestaltungen kann der Magnet eine Aussparung oder eine Ausbuchtung aufweisen. Die Aussparung oder Ausbuchtung kann mit einem entsprechenden Gegenstück auf dem Zahnrad ineinander greifen, z.B. um eine drehschlüssige Verbindung zwischen dem Magneten und dem Zahnrad herzustellen. Der Magnet kann beispielsweise eine Aussparung oder Ausbuchtung an seinem Umfang aufweisen, die mit einer Ausbuchtung oder Aussparung auf einer den Magneten umgebenden seitlichen Kontaktfläche des Zahnrads ineinander greift. In einem anderen Beispiel kann der Magnet eine Aussparung oder Ausbuchtung an einer Stirnseite, z.B. seiner Unterseite, aufweisen, die mit einer Ausbuchtung oder Aussparung auf einer Auflagefläche für den Magneten auf der Stirnseite des Zahnrads ineinander greift.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Zahnrad einen Schaft, der sich von einer Stirnseite des Zahnrads entlang der Drehachse erstreckt, z.B. um das Zahnrad mit einem weiteren Element mechanisch zu koppeln. In einem Beispiel erstreckt sich der Schaft von einer zweiten Stirnseite des Zahnrads, die der ersten Stirnseite, auf der der Magnet angeordnet ist, gegenüber liegt. Der Schaft kann beispielsweise eine Welle, insbesondere eine Hohlwelle sein. Ein Durchmesser des Magneten senkrecht zur Drehachse des Zahnrads kann kleiner oder gleich dem Außendurchmesser des Schafts sein. In manchen Beispielen kann das Zahnrad alternativ oder zusätzlich einen Schaft umfassen, der sich von der ersten Stirnseite entlang der Drehachse erstreckt, wobei der Magnet innerhalb des Schafts angeordnet ist, so dass der Schaft den Magneten entlang seines Umfangs umgibt.
In manchen Ausgestaltungen weist die erste Stirnseite des Zahnrads eine Vertiefung auf, die dazu eingerichtet ist, den Magneten aufzunehmen. Der Magnet ist in der Vertiefung angeordnet, wobei der Magnet in Kontakt mit einer Bodenfläche und einer Seitenfläche der Vertiefung sein kann. Eine Tiefe der Vertiefung kann kleiner oder gleich der Dicke des Magneten sein, so dass ein Rand der Vertiefung nicht über den Magneten hervorsteht. Bevorzugt ist eine freiliegende Oberfläche des Magneten mit einer Oberfläche der ersten Stirnseite des Zahnrads bündig. Die freiliegende Oberfläche des Magneten kann insbesondere mit einer die Vertiefung entlang ihres Umfangs umgebenden Oberfläche bündig sein, d.h. die Tiefe der Vertiefung kann der Dicke des Magneten entsprechen. In manchen Ausführungsformen ragt keine Oberfläche der ersten Stirnseite über die freiliegende Oberfläche des Magneten in Richtung der Drehachse hinaus.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Zahnrad weiterhin einen Niederhalter, der den Magneten in axialer Richtung fixiert. Der Niederhalter kann beispielsweise ein umlaufender Ring sein, der sich in Umfangrichtung entlang eines Randes des Magneten erstreckt. Der Niederhalter kann in Kontakt mit dem Magneten und der ersten Stirnseite des Zahnrads sein, um den Magneten axial spielfrei zu fixieren. Der Niederhalter kann mit dem Zahnrad stoffschlüssig verbunden sein und kann insbesondere mit dem Zahnrad verschweißt sein, z.B. mittels Ultraschallschweißen. Der Niederhalter kann mit dem Magneten in Kontakt sein, ohne mit dem Magneten stoffschlüssig verbunden zu sein. In anderen Beispielen kann der Niederhalter auch mit dem Magneten stoffschlüssig verbunden sein. In einem Beispiel ist der Niederhalter einstückig mit dem Zahnrad ausgebildet. In manchen Ausführungsformen kann der Magnet alternativ oder zusätzlich mit anderen Mitteln an dem Zahnrad befestigt sein. Der Magnet kann zum Beispiel ganz oder teilweise von dem Zahnrad umspritzt sein, mit der ersten Stirnseite verklebt sein und/oder mit der ersten Stirnseite verschraubt sein.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Elektromotor mit einem Gehäuse, einem drehbar gelagerten Element, einem Magnetfeldsensor und einer Steuereinheit. Das drehbar gelagerte Element umfasst einen Magneten, der auf einer Drehachse des Elements angeordnet ist, wobei die Drehachse sich durch den Magneten hindurch erstreckt. Der Magnetfeldsensor ist dazu eingerichtet, ein von dem Magneten erzeugtes Magnetfeld zu messen. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, anhand des von dem Magnetfeldsensor gemessenen Magnetfelds eine Drehwinkelstellung des drehbar gelagerten Elements zu ermitteln.
Das drehbar gelagerte Element kann beispielsweise ein Zahnrad, eine Welle, ein Rotor oder ein mit einem Rotor des Elektromotors mechanisch gekoppeltes Stellglied sein. In manchen Ausführungsformen weist das drehbar gelagerte Element Merkmale des erfindungsgemäßen Zahnrads auf. In einem Beispiel ist das drehbar gelagerte Element das erfindungsgemäße Zahnrad.
Der Magnetfeldsensor kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine Stärke und/oder eine Richtung des von dem Magneten erzeugten Magnetfelds zu messen. Der Magnetfeldsensor kann zum Beispiel ein induktiver Magnetfeldsensor oder ein Hallsensor sein, z.B. ein eindimensionaler, zweidimensionaler oder dreidimensionaler Hallsensor, der dazu eingerichtet ist, eine Stärke des Magnetfelds entlang einer, zwei bzw. drei Raumrichtungen zu messen. Der Magnetfeldsensor kann mit dem Gehäuse des Elektromotors starr verbunden sein, um eine Bewegung des Magnetfeldsensors zu verhindern. Bevorzugt ist der Magnetfeldsensor in der Nähe des Magneten auf dem drehbar gelagerten Element angeordnet. Der Abstand zwischen dem Magneten und dem Magnetfeldsensor kann beispielsweise zwischen 1 mm und 5 mm betragen.
Die Steuereinheit kann als Hardware und/oder Software implementiert sein. Die Steuereinheit kann beispielsweise einen Mikrocontroller aufweisen, der einen Prozessor und ein Speichermedium umfasst, wobei das Speichermedium Programmbefehle enthält, die von dem Prozessor ausgeführt werden können, um die hier beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit analoge und/oder digitale elektronische Schaltungen umfassen. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, von dem Magnetfeldsensor ein analoges oder digitales Messsignal zu empfangen, welches das von dem Magnetfeldsensor gemessene Magnetfeld charakterisiert. Die Steuereinheit ist weiterhin dazu eingerichtet, anhand des empfangenen Messsignals die Drehwinkelstellung des drehbar gelagerten Elements zu ermitteln, beispielsweise mittels einer Kalibrierungskurve, welche die Drehwinkelstellung des drehbar gelagerten Elements mit einer Stärke und/oder Richtung des Magnetfelds verknüpft. Die Steuereinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionsbestimmung eines drehbar gelagerten Elements in einem Elektromotor ganz oder in Teilen auszuführen. In einigen Beispielen ist die Steuereinheit ferner dazu eingerichtet, den Elektromotor zu steuern, beispielsweise durch Bereitstellen geeigneter Antriebssignale für Antriebsspulen des Elektromotors.
In manchen Ausgestaltungen umfasst der Elektromotor eine Platine oder Leiterplatte, wobei der Magnetfeldsensor auf der Platine angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Platine einen Bereich auf, der sich in Richtung des drehbar gelagerten Elements erstreckt und der Magnetfeldsensor ist auf diesem Bereich der Platine angeordnet. Der Bereich der Platine kann sich bis über das drehbar gelagerte Element erstrecken, wobei die Drehachse des drehbar gelagerten Elements sich in einigen Beispielen durch die Platine hindurch erstreckt. Der Bereich kann an einer oder mehreren Stellen mit dem Gehäuse des Elektromotors in Kontakt sein und insbesondere an diesem befestigt sein. Bevorzugt ist ein freistehendes Ende des Bereich mit dem Gehäuse in Kontakt oder an diesem befestigt, beispielsweise an einer Seitenwand des Gehäuses. Der Bereich kann beispielsweise als Arm ausgebildet sein.
In einigen Ausführungsformen befindet sich die Steuereinheit ebenfalls auf der Platine. Die Platine kann beispielsweise einen Hauptkörper aufweisen, auf dem die Steuereinheit angeordnet ist, und einen Bereich, der sich von dem Hauptkörper in Richtung des drehbar gelagerten Elements erstreckt und auf dem der Magnetfeldsensor angeordnet ist. Die Platine kann Leiterbahnen aufweisen, die den Magnetfeldsensor mit der Steuereinheit elektrisch verbinden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Magnetfeldsensor so angeordnet ist, dass die Drehachse des drehbar gelagerten Elements sich durch den Magnetfeldsensor hindurch erstreckt. Der Magnetfeldsensor kann sich beispielsweise entlang der Drehachse direkt über dem Magneten befinden. In einem Beispiel kann der Magnetfeldsensor dazu eingerichtet sein, das von dem Magneten erzeugte Magnetfeld an einer Position auf der Drehachse zu messen.
Der Magnet kann auf einer ersten Stirnseite des drehbar gelagerten Elements angeordnet sein. Insbesondere ist die erste Stirnseite diejenige Stirnseite des drehbar gelagerten Elements, die zu dem Magnetfeldsensor hin zeigt. Das drehbar gelagerte Element kann weiterhin einen Schaft umfassen, der auf einer zweiten Stirnseite des drehbar gelagerten Elements angeordnet ist, wobei die zweite Stirnseite der ersten Stirnseite gegenüber liegt. Der Schaft kann sich von der zweiten Stirnseite aus entlang der Drehachse erstrecken. In manchen Beispielen umfasst das Gehäuse des Elektromotors eine zylindrische Führung, in der der Schaft drehbar gelagert ist. Die zylindrische Führung kann ein Lager und/oder eine Dichtung aufweisen.
In manchen Ausführungsformen weist das drehbar gelagerte Element eine ringförmige Vertiefung auf der ersten Stirnseite auf, die sich in Umfangsrichtung um den Magneten und die Drehachse herum erstreckt. Bevorzugt weist das Gehäuse Führungsrippen aufweist, die sich parallel zu der Drehachse in die ringförmige Vertiefung hinein erstrecken und entlang eines Randes der ringförmigen Vertiefung um die Drehachse herum angeordnet sind. Die Führungsrippen können mit einer Randfläche der ringförmigen Vertiefung in Kontakt sein, um das drehbar gelagerte Element zu führen. In einem Beispiel sind die Führungsrippen mit einer inneren Randfläche der ringförmigen Vertiefung in Kontakt. Die Führungsrippen können azimutale Segmente eines Zylinders sein, d.h. die Querschnittfläche einer Führungsrippe kann entlang eines Kreisbogens verlaufen. Ein Öffnungswinkel des Kreisbogens kann beispielsweise zwischen 5° und 180° betragen. In einem Beispiel weist das Gehäuse zwischen zwei und sechs Führungsrippen auf.
Der Magnet kann eine durchgehende Scheibe sein und insbesondere eine zylindrische Scheibenform aufweisen. Bevorzugt ist der scheibenförmige Magnet so auf dem drehbar gelagerten Element angeordnet, dass sich die Scheibe senkrecht zur Drehachse des drehbar gelagerten Elements erstreckt. Bevorzugt ist der Magnet zudem diametral magnetisiert, d.h. die Magnetpole befinden sich in einer Ebene parallel zu einer Endfläche der Scheibe, z.B. in einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse. Entsprechend kann der Magnet in einer Ebene senkrecht zur Drehachse des drehbar gelagerten Elements magnetisiert sein.
In einigen Ausgestaltungen weist das drehbar gelagerte Element eine zentrale Vertiefung auf der ersten Stirnseite auf, wobei sich die Drehachse durch die zentrale Vertiefung hindurch erstreckt und der Magnet in die zentrale Vertiefung eingelassen ist. Bevorzugt ist eine freiliegende Oberfläche des Magneten bündig mit einer Oberfläche der ersten Stirnseite, z.B. mit einer die zentrale Vertiefung entlang ihres Umfangs umgebenden Oberfläche. In manchen Ausführungsformen wird der Magnet von einem entlang eines Randes der zentralen Vertiefung umlaufenden Niederhalter in der zentralen Vertiefung gehalten, z.B. wie oben beschrieben.
In manchen Ausführungsformen ist das drehbar gelagerte Element ein Zahnrad, insbesondere ein Abtriebsrad. Das Zahnrad oder Abtriebsrad kann mit einem Rotor des Elektromotors mechanisch gekoppelt sein, in manchen Beispielen über ein Getriebe. In einem Beispiel umfasst der Elektromotor ein Untersetzungsgetriebe und das drehbar gelagerte Element ist ein Abtriebsrad des Untersetzungsgetriebes. In einigen Ausgestaltungen umfasst das Abtriebsrad einen Schaft, der sich entlang der Drehachse von einer Stirnseite des Abtriebsrads weg erstreckt, z.B. wie oben beschrieben. Der Schaft kann sich in Richtung einer Öffnung in dem Gehäuse des Elektromotors erstrecken und kann eine Kopplungsvorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, das Abtriebsrad mit einem weiteren Element mechanisch zu koppeln, beispielsweise mit einem Stellglied. Die Kopplungsvorrichtung kann beispielswiese eine Vertiefung in einer Endfläche des Schafts sein, die ein Mitnahmeprofil aufweist, z.B. ein polygonales Mitnahmeprofil wie ein Innensechskantprofil oder einen Innenachtkantprofil. In einem anderen Beispiel kann eine Außenfläche des Schafts ein Mitnahmeprofil aufweisen, z.B. ein polygonales Mitnahmeprofil wie ein Außensechskantprofil oder einen Außenachtkantprofil.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines drehbar gelagerten Elements in einem Elektromotor bereit. Dabei umfasst das drehbar gelagerte Element einen Magneten, der auf einer Drehachse des Elements angeordnet ist, wobei sich die Drehachse durch den Magneten hindurch erstreckt, z.B. wie oben in Bezug auf das erfindungsgemäße Zahnrad und/oder den erfindungsgemäßen Elektromotor beschrieben. Das Verfahren umfasst das Messen eines von dem Magneten erzeugten Magnetfelds sowie das Bestimmen einer Drehwinkelstellung des drehbar gelagerten Elements anhand des gemessenen Magnetfelds.
In manchen Ausführungsformen ist das drehbar gelagerte Element ähnlich dem oben beschriebenen drehbar gelagerten Element oder Zahnrad. Das erfindungsgemäße Verfahren kann von der Steuereinheit des erfindungsgemäßen Elektromotors ausgeführt werden.
Das Magnetfeld kann mittels eines Magnetfeldsensors gemessen werden, z.B. wie oben beschrieben. Das Messen des Magnetfelds kann das Bestimmen einer Stärke und/oder einer Richtung des Magnetfelds umfassen. Weiterhin kann ein digitales oder analoges Messsignal erzeugt werden, welches die Stärke und/oder Richtung des Magnetfelds charakterisiert.
Die Drehwinkelstellung des drehbar gelagerten Elements kann beispielsweise mittels einer im Voraus ermittelten Kalibrierungskurve bestimmt werden, wobei die Kalibrierungskurve eine Stärke und/oder Richtung des Magnetfelds mit einer bestimmten Drehwinkelstellung des drehbar gelagerten Elements verknüpft. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner das Bestimmen einer Stellung eines Stellglieds umfassen, wobei das Stellglied mit dem drehbar gelagerten Element gekoppelten ist und die Stellung des Stellglieds basierend auf der Stellung des drehbar gelagerten Elements bestimmt wird.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen in schematischer Darstellung:

1a: ein Zahnrad mit einem Magneten gemäß einem Beispiel im Querschnitt;
1b: das Zahnrad aus 1a in Draufsicht;
1c: das Zahnrad aus 1a vor dem Zusammenbau in Draufsicht;
2: ein Zahnrad mit einem Magneten gemäß einem weiteren Beispiel in einer Explosionsdarstellung;
3a: einen Elektromotor mit einem drehbar gelagerten Element mit einem Magneten gemäß einem Beispiel in einer Explosionsdarstellung;
3b: den Elektromotor aus 3a in einem teilweise zusammengebauten Zustand in einer perspektivischen Ansicht; und
4: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Positionsbestimmung eines drehbar gelagerten Elements in einem Elektromotor gemäß einem Beispiel.

BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1a, 1b und 1c zeigen ein Zahnrad 100 gemäß einem Beispiel. Das Zahnrad ist in 1a im Querschnitt abgebildet und in 1b in Draufsicht. 1c zeigt die Einzelbestandteile des Zahnrads 100 vor dem Zusammenbau in Draufsicht.
Das Zahnrad 100 ist dazu eingerichtet, in einem Elektromotor verwendet zu werden, z.B. in dem Elektromotor 300, der weiter unten in Bezug auf 3a und 3b beschrieben wird. Das Zahnrad 100 umfasst einen Zahnradkörper 102 mit einem Zahnkranz 104. Der Zahnradkörper 102 kann beispielsweise aus Metall bestehen, z.B. aus Stahl oder Aluminium, und/oder einem harten Kunststoff, insbesondere einem glasfaserverstärkten Kunststoff. Der Durchmesser des Zahnradkörpers kann zum Beispiel zwischen 10 mm und 100 mm betragen, in einem Beispiel zwischen 20 mm und 50 mm.
Das Zahnrad 100 ist dazu eingerichtet, sich um eine Drehachse 106 zu drehen. Bevorzugt ist das Zahnrad 100 rotationssymmetrisch um die Drehachse 106. Vom Zahnradkörper 102 erstreckt sich ein Schaft 108 entlang der Drehachse 106. In dem Beispiel der 1a ist der Schaft 108 eine Hohlwelle mit einer zylindrischen Wand. In einigen Ausführungsformen kann der Schaft 108 dazu eingerichtet sein, das Zahnrad 100 mit einem anderen Element mechanisch zu koppeln. In einem Beispiel kann ein weiteres Zahnrad (nicht gezeigt) auf dem Schaft 108 befestigt sein. In einem anderen Beispiel kann die Innen- oder Außenwand des Schafts 108 ein Mitnahmeprofil aufweisen, so dass ein anderes Element drehfest auf oder in den Schaft 108 gesteckt werden kann. Die Schaft 108 kann an seinem freien Ende beispielsweise ein Innensechskant oder Außensechskantprofil aufweisen.
Das Zahnrad 100 umfasst weiterhin einen Magneten 110 zur Positionsbestimmung. Der Magnet 110 ist auf einer ersten Stirnseite des Zahnrads 100 drehfest befestigt. Im Beispiel der 1a ist der Magnet 110 in eine zentrale Vertiefung 112 auf der ersten Stirnseite oder Oberseite des Zahnrads 100 eingelassen. Die zentrale Vertiefung 112 befindet sich auf der Drehachse 106 des Zahnrads 100 und wird durch einen ringförmigen Steg 114 begrenzt, der sich in Umfangrichtung um die Vertiefung 112 und die Drehachse 106 erstreckt. Entsprechend ist der Magnet 110 auf der Drehachse 106 des Zahnrads angeordnet, so dass die Drehachse 106 durch den Körper des Magneten 110 hindurch verläuft. Die freiliegende Oberfläche des Magneten 110 ist bündig mit einer Oberfläche der ersten Stirnseite des Zahnrads 100, im Beispiel der 1a mit einer Oberfläche des Stegs 114. Die Oberfläche des Stegs 114 kann zudem bündig mit einer Oberfläche des Zahnkranzes 104 sein. Der Durchmesser des Magneten 110 senkrecht zur Drehachse 106 ist kleiner als der Außendurchmesser des Schafts 108.
Der Magnet 110 ist eine durchgehende zylindrische Scheibe, die diametral in der Scheibenebene magnetisiert ist. Die Magnet 110 ist so auf der ersten Stirnseite angeordnet, dass ein Nordpol (N) und ein Südpol (S) des Magneten 110 in einer Ebene senkrecht zur Drehachse 106 liegen. In anderen Ausführungsformen kann der Magnet mehrere Nord- und Südpole aufweisen und z.B. ein Quadrupolmagnet mit je zwei Nord- und zwei Südpolen in der Scheibenebene sein. Der Magnet 110 ist aus einem permanentmagnetischen Material hergestellt und kann insbesondere ein Seltenerdmagnet sein, z.B. ein Neodym-Eisen-Bor-Magnet (NdFeB) oder ein auf Samarium-Cobalt (SmCo) basierender Magnet, beispielsweise mit Eisen, Kupfer und Zirkon als zusätzlichen Legierungselementen (Sm₂Co₁₇). Im in 1a gezeigten Beispiel verläuft die Drehachse 106 durch den magnetischen Mittelpunkt 108 des Magneten 110, d.h. durch den Mittelpunkt zwischen dem Nord- und Südpol des Magneten 110.
Um den Magneten 110 in der Vertiefung 112 drehfest zu halten, weist der Magnet 110 eine Aussparung 110A an seinem Umfang auf wie in 1c durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Zudem weist der Steg 114 an seiner Innenseite eine Ausbuchtung 114A auf wie ebenfalls in 1c durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Wenn der Magnet 110 in der Vertiefung 112 angeordnet ist, greifen die Aussparung 110A und die Ausbuchtung 114A ineinander und verhindern eine Drehung des Magneten 110 in der Vertiefung 112. Im Beispiel der 1c hat die Aussparung 110A die Form eines Kreissegments. In anderen Beispielen kann der Magnet 110 an seinem Umfang eine Ausbuchtung (nicht gezeigt) aufweisen, die dazu eingerichtet ist, mit einer Aussparung (nicht gezeigt) in dem Steg 114 ineinander zu greifen.
Das Zahnrad 100 umfasst weiterhin einen Niederhalter 116, der dazu eingerichtet ist, den Magneten 110 in axialer Richtung zu fixieren, d.h. eine Bewegung des Magneten 110 entlang der Drehachse 106 zu verhindern. Der Niederhalter 116 ist ringförmig und verläuft in Umfangsrichtung entlang des Randes der Vertiefung 112. Der Niederhalter 116 ist fest mit dem Steg 114 verbunden, z.B. über eine stoffschlüssige Verbindung. Der Niederhalter 116 ist ferner in Kontakt mit dem Magneten 110, z.B. mit der freiliegenden Oberfläche des Magneten wie in 1a gezeigt, um den Magneten 110 axial spielfrei in der Vertiefung 112 zu halten. In manchen Ausführungsformen ist der Niederhalter 116 mittels Ultraschallscheißen an dem Zahnrad 100 befestigt, z.B. wie unten in Bezug auf 2 beschrieben. Hierzu kann der Niederhalter 116 zwei Energierichtungsgeber aufweisen, die aus einer Unterseite des Niederhalters 116 hervorstehen, wobei einer der Energierichtungsgeber in Kontakt mit dem Magneten 110 ist und der andere Energierichtungsgeber in Kontakt mit dem Steg 114 ist.
In einigen Ausführungsformen weist der Zahnradkörper 102 ferner eine ringförmige Vertiefung 118 auf, die sich in Umfangsrichtung um den Steg 118 und die Drehachse 106 herum erstreckt. Die Vertiefung 118 kann beispielsweise wie im Folgenden in Bezug auf 3a, 3b beschrieben dazu eingerichtet sein, mit Führungsrippen 120 eines Gehäuses in Kontakt zu kommen, um das Zahnrad 100 axial zu führen. In anderen Ausführungsformen ist die ringförmige Vertiefung 118 nicht vorhanden und der Steg 114 kann direkt an den Zahnkranz 104 angrenzen oder einstückig mit dem Zahnkranz 104 ausgebildet sein.
2 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Zahnrads 200 gemäß einem weiteren Beispiel. Das Zahnrad 200 ist ähnlich dem Zahnrad 100 und weist ebenfalls einen Zahnradkörper 102 mit einer Drehachse 106, einen auf der Drehachse 106 angeordneten Magneten 110 sowie einen Niederhalter 116 auf. Der Niederhalter 116 ist dazu eingerichtet, mittels Ultraschallschweißen mit dem Zahnradkörper 102 verbunden zu werden, um den Magneten 110 an dem Zahnradkörper 102 zu befestigen.
Der Niederhalter 116 des Zahnrads 200 ist ebenfalls ringförmig und erstreckt sich über dem Magneten 110 und dem Steg 114 entlang des Randes der Vertiefung 112. Der Niederhalter 116 weist auf seiner Unterseite einen ersten Energierichtungsgeber 202 auf, der aus der Unterseite hervorsteht. Im Beispiel der 2 ist der erste Energierichtungsgeber 202 ein umlaufender Steg, der sich entlang des Rings erstreckt. Senkrecht zur Umfangsrichtung kann der Energierichtungsgeber 202 beispielsweise einen dreieckigen Querschnitt mit einer Spitze an dem von der Unterseite des Niederhalters 116 abgewandten Ende aufweisen. Die Spitze des Energierichtungsgebers 202 kann dazu eingerichtet sein, während eines Ultraschallschweißvorgangs eine gezielte und lokal begrenzte Energiezuführung an einer Kontaktfläche zwischen der Spitze des Energierichtungsgebers 202 und einer Auflagefläche zu erreichen und durch die entstehende Reibung den Energierichtungsgeber 202 und/oder die Auflagefläche aufzuschmelzen.
Der Niederhalter 116 umfasst weiterhin eine Vielzahl von Vorsprüngen 204, die sich von der Innenseite des Rings nach innen erstrecken. Auf jedem der Vorsprünge 204 ist eine nach unten hervorstehende Nase angeordnet, welche gemeinsam einen zweiten Energierichtungsgeber 206 bilden. Die Nasen können sich in Umfangsrichtung jeweils entlang eines Kreisbogens erstrecken und senkrecht zur Umfangrichtung ebenfalls einen dreieckigen Querschnitt aufweisen.
Um das Zahnrad 200 zusammenzubauen, wird der Magnet 110 in der Vertiefung 112 angeordnet und der Niederhalter 116 auf den Magneten 110 und den Zahnradkörper 102 aufgelegt, so dass der erste Energierichtungsgeber 202 in Kontakt mit dem Steg 114 kommt und der zweite Energierichtungsgeber 206 in Kontakt mit dem Magneten 110 kommt. Anschließend wird ein Ultraschallschweißvorgang durchgeführt, um den Niederhalter 116 über den ersten Energierichtungsgeber 202 mit dem Zahnradkörper 102 zu verschweißen. Der erste Energierichtungsgeber 202 besteht aus einem Material, dass mit dem Steg 114 durch Ultraschallschweißen verschweißt werden kann, z.B. aus einem geeigneten Metall oder thermoplastischen Kunststoff. In einem Beispiel besteht der erste Energierichtungsgeber 202 aus dem gleichen Material wie der Steg 114. In manchen Ausführungsformen besteht der Energierichtungsgeber 202 aus einem Material, dass nicht mit dem Magneten 110 durch Ultraschallschweißen verschweißt werden kann, aber während des Ultraschallschweißens aufschmilzt, um einen spielfreien Kontakt mit dem Magneten 110 herzustellen.
3a zeigt einen Elektromotor 300 gemäß einem Beispiel in einer Explosionsdarstellung. In 3b ist der Elektromotor 300 in einem teilweise zusammengebauten Zustand in einer perspektivischen Ansicht dargestellt.
Der Elektromotor 300 umfasst eine Motoreinheit 302 mit einem drehbar gelagerten Rotor 302A und einem Stator 302B. Die Motoreinheit 302 kann beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) sein, bei dem der Rotor 302A einen oder mehrere Permanentmagnete umfasst und der Stator 302B mehrere Phasenwicklungen aufweist, um den Rotor 302A mittels geeignet kommutierter Antriebssignal in Bewegung zu versetzen. In anderen Ausführungsformen kann die Motoreinheit 302 z.B. ein Wechselstrommotor sein.
Der Elektromotor 300 umfasst weiterhin ein Gehäuse 304, das dazu eingerichtet ist, die Motoreinheit 302 und weitere Komponenten des Elektromotors 300 aufzunehmen. Das Gehäuse 304 kann beispielsweise aus Plastik und/oder Metall bestehen und einen Stecker umfassen, der dazu eingerichtet ist, eine elektrische Verbindung zu Komponenten des Elektromotors 300 bereitzustellen.
Der Elektromotor 300 umfasst zudem ein Abtriebsrad, welches dem in 2 dargestellten Zahnrad 200 entspricht und daher im Folgenden als Abtriebsrad 200 bezeichnet wird. Das Abtriebsrad 200 umfasst einen Magneten 110, der auf einer Drehachse des Abtriebsrads 200 angeordnet ist, so dass sich die Drehachse durch den Magnetkörper hindurch erstreckt. Das Abtriebsrad 200 ist über ein Getriebe 306 mechanisch mit dem Rotor 302A gekoppelt, so dass eine Drehung des Rotors 302A das Abtriebsrad 200 in Bewegung versetzt. Der Schaft 108 des Abtriebsrads 200 umfasst eine Kopplungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, das Abtriebsrad 200 über den Schaft 108 mit einem Stellglied (nicht gezeigt) mechanisch zu koppeln. In einem Beispiel ist in einem freistehenden Ende des Schafts 108 eine Vertiefung ausgebildet, die ein Mitnahmeprofil wie ein Innensechskant- oder Innenachtkantprofil aufweist, so dass ein anderes Element drehfest in den Schaft 108 gesteckt werden kann.
Darüber hinaus umfasst der Elektromotor 300 eine Platine 308 mit einem Hauptkörper 308A und einem als Arm 308B ausgebildeten Bereich, der sich von dem Hauptkörper 308A in Richtung des Magneten 110 auf dem Abtriebsrad 200 erstreckt. Auf dem Arm 308B ist ein Magnetfeldsensor 310 angeordnet, zum Beispiel ein zweidimensionaler oder dreidimensionaler Hallsensor, der dazu eingerichtet ist, die Stärke eines Magnetfelds entlang zwei bzw. drei Raumrichtungen zu messen. In dem Beispiel der 3a, 3b erstreckt sich der Arm 308B bis über das Abtriebsrad 200 und der Magnetfeldsensor 310 ist so auf dem Arm 308B angeordnet, dass sich der Magnetfeldsensor 310 im zusammengebauten Zustand direkt oberhalb des Magneten 110 auf der Drehachse des Abtriebsrads 200 befindet.
Auf der Platine 308 ist ferner eine Steuereinheit 312 angeordnet, die dazu eingerichtet ist, geeignete Antriebssignale für die Motoreinheit 302 bereitzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Steuereinheit 312 einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Speichermedium, wobei das Speichermedium Programmbefehle enthält, die von dem Prozessor ausgeführt werden können, um die hier beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Die Steuereinheit 312 ist mit dem Magnetfeldsensor 310 elektrisch verbunden und dazu eingerichtet, das von dem Magnetfeldsensor 310 gemessene Magnetfeld auszulesen und daraus die Drehwinkelstellung des Abtriebsrads 200 zu bestimmen, z.B. mittels des Verfahrens 400, das unten in Bezug auf 4 beschrieben wird.
Der Arm 308B der Platine 308 weist zwei Kontaktpunkte 314A, 314B auf, an denen der Arm 308B mit Seitenwänden 304A, 304B des Gehäuses 304 in Kontakt ist. In dem Beispiel von 3a, 3b hat der Arm 308B eine „J“-Form mit einem geraden Stück, das sich von dem Hauptkörper 308A in Richtung des Abtriebsrads 200 erstreckt, und einem gekrümmten Endstück, das an das gerade Stück angrenzt und oberhalb des Abtriebsrads 200 angeordnet ist. Der erste Kontaktpunkt 314A befindet sich an einem freistehenden Ende des Arms 308A und der zweite Kontaktpunkt 314B befindet sich am Übergang zwischen dem geraden Stück und dem gekrümmten Endstück. Das Gehäuse 304 weist Stützrippen 316 auf, die auf den Innenseiten der Seitenwände 304A, 304B angeordnet sind und den Arm 308B an den Kontaktpunkten 314A, 314B abstützen. In einigen Ausgestaltungen können die Stützrippen 316 und/oder die Seitenwände 304A, 304B fest mit dem Arm 308B verbunden sein, z.B. mit dem Arm 308B verklebt sein oder über Haken oder Klemmen an dem Arm 308B befestigt sein.
Das Gehäuse 304 umfasst eine zylindrische Führung 318, die in einem Boden des Gehäuses 304 angeordnet ist. Die zylindrische Führung 318 ist dazu eingerichtet, den Schaft 108 drehbar aufzunehmen. Die zylindrische Führung 318 weist ferner eine äußere Öffnung 318A auf, durch die Schaft 108 von außen zugänglich ist und mit einem Stellglied (nicht dargestellt) gekoppelt werden kann. In einigen Beispielen kann die Führung 318 ein Lager (nicht dargestellt) umfassen, um den Drehwiderstand des Schafts 108 in der Führung 318 zu verringern. Die Führung 318 kann zudem eine Dichtung (nicht dargestellt) umfassen, um das Innere des Gehäuses 304 abzudichten.
Das Gehäuse 304 umfasst weiterhin einen Deckel 320, der auf die Seitenwände 304A, 304B des Gehäuses 304 gesetzt wird, um das Gehäuse 304 zu verschließen. Der Deckel 320 weist mehrere Führungsrippen 120 auf, die sich von einer Innenseite des Deckels 320 aus erstrecken. Die Führungsrippen 120 sind so ausgebildet, dass sich die Führungsrippen 120 parallel zu der Drehachse 106 des Abtriebsrads 120 in die ringförmige Vertiefung 118 auf der ersten Stirnseite des Abtriebsrads 120 hinein erstrecken ähnlich wie in 1a angedeutet, wenn der Deckel 320 auf dem Gehäuse 304 sitzt. Die Führungsrippen 120 sind um die Drehachse 106 herum angeordnet, um zusammen mit der zylindrischen Führung 318 ein stabile axiale Führung des Abtriebsrads 120 zu gewährleisten. Die Führungsrippen 120 können zum Beispiel so um die Drehachse 106 herum angeordnet sein, dass die Führungsrippen 120 mit einer inneren oder äußeren Randfläche der ringförmigen Vertiefung 118 in Kontakt sind.
Im Beispiel der 3b sind die Führungsrippen 120 azimutale Segmente eines Zylinders, deren Querschnittsfläche jeweils entlang eines Kreisbogens verläuft. Die Führungsrippen 120 umfassen eine große Führungsrippe 120A sowie mehrere kleine Führungsrippen 120B. Die große Führungsrippe 120A kann sich beispielsweise entlang eines Kreisbogens mit einem Öffnungswinkel zwischen 90° und 180°, in einem Beispiel 120°, erstrecken. Jede der kleinen Führungsrippen 120B kann sich beispielsweise entlang eines Kreisbogens mit einem Öffnungswinkel zwischen 5° und 25°, in einem Beispiel 15°, erstrecken. Die kleinen Führungsrippen 120B können in regelmäßigen Abständen entlang eines Kreisbogens zwischen den Rändern der großen Führungsrippen 120A angeordnet sein. Der Deckel 320 kann zum Beispiel zwischen zwei und sechs kleine Führungsrippen 120B aufweisen. In anderen Ausführungsformen können sämtliche Führungsrippen 120 die gleiche Form haben.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 400 zur Positionsbestimmung eines drehbar gelagerten Elements in einem Elektromotor gemäß einem Beispiel. Das Verfahren 400 kann zum Beispiel bei dem Elektromotor 300 ausgeführt werden, um die Drehwinkelstellung des Abtriebsrads 200 zu ermitteln. Im Folgenden wird das Verfahren 400 daher beispielhaft unter Bezugnahme auf 3a, 3b beschrieben. Das Verfahren 400 ist aber nicht auf diese Anwendung beschränkt und kann auch zur Positionsbestimmung eines anderen drehbar gelagerten Elements in einem Elektromotor verwendet werden, z.B. für den Rotor 302A, ein Zahnrad in dem Getriebe 306, ein mit dem Abtriebsrad 200 gekoppeltes Stellglied oder das Zahnrad 100 aus 1.
Das drehbar gelagerte Element, dessen Drehwinkelstellung bestimmt wird, umfasst einen Magneten 110, der auf einer Drehachse 106 des Elements angeordnet ist, wobei sich die Drehachse 106 durch den Magneten 110 hindurch erstreckt, z.B. wie bei dem Abtriebsrad 200 oder dem oben in Bezug auf 1a-1c beschriebenen Zahnrad 100.
In Schritt 402 wird das von dem Magneten 110 erzeugte Magnetfeld gemessen, beispielsweise mit Hilfe des Magnetfeldsensors 310. In einem Beispiel wird die Stärke des Magnetfelds entlang einer vorgegebenen Raumrichtung bestimmt, z.B. mittels eines eindimensionalen Hallsensors. In einem anderen Beispiel wird die Stärke des Magnetfelds entlang zwei oder drei zueinander senkrechten Raumrichtungen gemessen und daraus ein Betrag sowie eine Richtung des Magnetfelds berechnet.
Anschließend wird in Schritt 404 anhand des in Schritt 402 gemessenen Magnetfelds eine Drehwinkelstellung des drehbar gelagerten Elements bestimmt, z.B. durch die Steuereinheit 312. Die Richtung und/oder Stärke des Magnetfelds am Ort des Magnetfeldsensors 310 hängt von der Orientierung des Magneten 110 und damit von der Drehwinkelstellung des drehbar gelagerten Elements ab. Entsprechend kann auf Basis des gemessenen Magnetfelds die Drehwinkelstellung des drehbar gelagerten Elements ermittelt werden. Hierzu kann beispielsweise eine im Voraus empirisch bestimmte Kalibrierungskurve verwendet werden, welche die Richtung und/oder Stärke des von dem Magnetfeldsensor 310 gemessenen Magnetfelds mit einer Drehwinkelstellung des drehbar gelagerten Elements verknüpft. Alternativ oder zusätzlich kann die Abhängigkeit des Magnetfelds am Ort des Magnetfeldsensors 310 von der Drehwinkelstellung des drehbar gelagerten Elements mittels eines physikalischen Models berechnet werden, um einen entsprechenden funktionalen Zusammenhang zu ermitteln. Dieser kann zudem gegebenenfalls an eine empirisch bestimmte Kalibrierungskurve gefittet werden. Die Steuereinheit 312 kann dazu eingerichtet sein, mittels der inversen Funktion aus dem gemessenen Magnetfeld die zugehörige Drehwinkelstellung des drehbar gelagerten Elements zu berechnen.
Die beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen und die Figuren dienen nur zur rein beispielhaften Illustration. Die Erfindung kann in ihrer Gestalt variieren, ohne dass sich das zugrundeliegende Funktionsprinzip ändert. Der Schutzumfang des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich allein aus den folgenden Ansprüchen.
Bezugszeichenliste

100: Zahnrad
102: Zahnradkörper
104: Zahnkranz
106: Drehachse
108: Schaft
110: Magnet
110A: Aussparung
112: Zentrale Vertiefung
114: Steg
114A: Ausbuchtung
116: Niederhalter
118: Ringförmige Vertiefung
120: Führungsrippe
120A: große Führungsrippe
120B: kleine Führungsrippe
200: Zahnrad
202: erster Energierichtungsgeber
204: Vorsprung
206: zweiter Energierichtungsgeber
300: Elektromotor
302: Motoreinheit
302A: Rotor
302B: Stator
304: Gehäuse
304A: erste Seitenwand
304B: zweite Seitenwand
306: Getriebe
308: Platine
308A: Hauptkörper
308B: Arm
310: Magnetfeldsensor
312: Steuereinheit
314A: erster Kontaktpunkt
314B: zweiter Kontaktpunkt
316: Stützrippe
318: zylindrische Führung
318A: Öffnung
320: Deckel
400: Verfahren zur Positionsbestimmung
402: Messung des Magnetfelds
404: Bestimmen der Drehwinkelstellung

Claims

Zahnrad (100, 200) zur Verwendung in einem Elektromotor (300), wobei das Zahnrad (100, 200) einen Magneten (110) zur Positionsbestimmung umfasst und der Magnet (110): an einer ersten Stirnseite des Zahnrads (100, 200) drehfest befestigt ist; und auf einer Drehachse (106) des Zahnrads (100, 200) angeordnet ist, wobei die Drehachse (106) sich durch den Magneten (110) hindurch erstreckt.
Zahnrad (100, 200) nach Anspruch 1, wobei die Drehachse (106) sich durch den Mittelpunkt des Magneten (110) erstreckt.
Zahnrad (100, 200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Magnet (110) eine durchgehende Scheibe ist.
Zahnrad (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnet (110) eine zylindrische Form hat und eine Aussparung (110A) oder eine Ausbuchtung an seinem Umfang aufweist, die mit einem entsprechenden Gegenstück (114A) auf dem Zahnrad (100, 200) ineinander greift.
Zahnrad (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zahnrad (100, 200) einen Schaft (108) umfasst, der sich von einer zweiten Stirnseite des Zahnrads (100, 200) entlang der Drehachse (106) erstreckt, wobei die zweite Stirnseite der ersten Stirnseite gegenüber liegt.
Zahnrad nach Anspruch 5, wobei der Schaft (108) als Hohlwelle ausgebildet ist.
Zahnrad (100, 200) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Durchmesser des Magneten (110) senkrecht zur Drehachse (106) nicht größer als der Außendurchmesser des Schafts (108) ist.
Zahnrad (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Stirnseite des Zahnrads (100, 200) eine Vertiefung (112) aufweist und der Magnet (110) in der Vertiefung (112) angeordnet ist.
Zahnrad (100, 200) nach Anspruch 8, wobei eine freiliegende Oberfläche des Magneten (110) mit einer Oberfläche der ersten Stirnseite bündig ist.
Zahnrad (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zahnrad (100, 200) weiterhin einen Niederhalter (116) umfasst, der den Magneten (110) in axialer Richtung fixiert.
Zahnrad (100, 200) nach Anspruch 10, wobei der Niederhalter (116) mit dem Zahnrad (100, 200) stoffschlüssig verbunden ist und mit dem Magneten (110) in Kontakt ist.
Elektromotor (300) mit einem Gehäuse (304), einem drehbar gelagerten Element (100, 200), einem Magnetfeldsensor (310) und einer Steuereinheit (312), wobei: das drehbar gelagerte Element (100, 200) einen Magneten (110) umfasst, der auf einer Drehachse (106) des Elements (100, 200) angeordnet ist, wobei die Drehachse (106) sich durch den Magneten (110) hindurch erstreckt; der Magnetfeldsensor (310) dazu eingerichtet ist, ein von dem Magneten (110) erzeugtes Magnetfeld zu messen; und die Steuereinheit (312) dazu eingerichtet ist, anhand des von dem Magnetfeldsensor (310) gemessenen Magnetfelds eine Drehwinkelstellung des drehbar gelagerten Elements (100, 200) zu ermitteln.
Elektromotor (300) nach Anspruch 12, wobei: der Elektromotor (300) weiterhin eine Platine (308) umfasst; die Platine (308) einen Bereich aufweist, der sich in Richtung des drehbar gelagerten Elements (100, 200) erstreckt; und der Magnetfeldsensor (310) auf dem Bereich der Platine (308) angeordnet ist.
Elektromotor (300) nach Anspruch 13, wobei der Bereich an einer Seitenwand (304A) des Gehäuses (304) befestigt ist.
Elektromotor (300) nach Anspruch 13 oder 14, wobei sich die Steuereinheit (312) ebenfalls auf der Platine (308) befindet.
Elektromotor (300) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Magnetfeldsensor (310) so angeordnet ist, dass sich die Drehachse (106) des drehbar gelagerten Elements (100, 200) durch den Magnetfeldsensor (310) hindurch erstreckt.
Elektromotor (300) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei: der Magnet (110) auf einer ersten Stirnseite des drehbar gelagerten Elements (100, 200) angeordnet ist; das drehbar gelagerte Element (100, 200) einen Schaft (108) umfasst, der auf einer zweiten Stirnseite des drehbar gelagerten Elements (100, 200), die der ersten Stirnseite gegenüber liegt, angeordnet ist und sich entlang der Drehachse (106) erstreckt; und das Gehäuse (304.) eine zylindrische Führung (318) umfasst, in der der Schaft (108) drehbar gelagert ist.
Elektromotor (300) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei: das drehbar gelagerte Element (100, 200) eine stirnseitige ringförmige Vertiefung (118) aufweist, die sich in Umfangsrichtung um den Magneten (110) und die Drehachse (106) herum erstreckt; und das Gehäuse (304, 320) Führungsrippen (120) aufweist, die sich parallel zu der Drehachse (106) in die ringförmige Vertiefung (118) hinein erstrecken und entlang eines Randes der ringförmigen Vertiefung (118) um die Drehachse (106) herum angeordnet sind.
Elektromotor (300) nach Anspruch 18, wobei die Führungsrippen (120) mit einer inneren Randfläche der ringförmigen Vertiefung (118) in Kontakt sind.
Elektromotor (300) nach einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei der Magnet (110) eine zylindrische Scheibenform aufweist und diametral magnetisiert ist.
Elektromotor (300) nach einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei: das drehbar gelagerte Element (100, 200) eine stirnseitige zentrale Vertiefung (112) aufweist, wobei sich die Drehachse (106) durch die zentrale Vertiefung (112) hindurch erstreckt; der Magnet (110) in die zentrale Vertiefung (112) eingelassen ist; und der Magnet (110) von einem entlang eines Randes der zentralen Vertiefung (112) umlaufenden Niederhalter (116) in der zentralen Vertiefung (112) gehalten wird.
Elektromotor (300) nach einem der Ansprüche 12 bis 21, wobei das drehbar gelagerte Element (100, 200) ein Zahnrad ist, welches mit einem Rotor (302A) des Elektromotors (300) mechanisch gekoppelt ist.
Elektromotor (300) nach einem der Ansprüche 12 bis 22, wobei der Elektromotor (300) ein Untersetzungsgetriebe umfasst und wobei das drehbar gelagerte Element (100, 200) ein Abtriebsrad des Untersetzungsgetriebes ist.
Verfahren (400) zur Positionsbestimmung eines drehbar gelagerten Elements (100, 200) in einem Elektromotor (300), wobei das drehbar gelagerte Element (100, 200) einen Magneten (110) umfasst, der auf einer Drehachse (106) des Elements (100, 200) angeordnet ist, wobei die Drehachse (106) sich durch den Magneten (110) hindurch erstreckt, wobei das Verfahren umfasst: Messen eines von dem Magneten (110) erzeugten Magnetfelds; und Bestimmen einer Drehwinkelstellung des drehbar gelagerten Elements (100, 200) anhand des gemessenen Magnetfelds.