DE102020131644A1

DE102020131644A1 - Drehbares Bauteil zur Verwendung in einem Stellantrieb

Info

Publication number: DE102020131644A1
Application number: DE102020131644.5A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Popov; Nikolay Berbatov; Peter Borsai
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein drehbares Bauteil zur Verwendung in einem Stellantrieb, eine Anordnung zur Bestimmung der Drehwinkelstellung eines solchen drehbaren Bauteils in einem Stellantrieb sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelstellung eines solchen drehbaren Bauteils. Das drehbare Bauteil umfasst einen Bauteilkörper, der dazu eingerichtet ist, in dem Stellantrieb um eine Drehachse drehbar gelagert zu werden. Das Bauteil umfasst ferner einen Magneten zur Bestimmung der Drehwinkelstellung des Bauteilkörpers relativ zu der Drehachse. Der Magnet ist an dem Bauteilkörper befestigt und erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Drehachse herum. Der Magnet weist einen hervorstehenden Abschnitt auf, der auf einer Stirnseite des Magneten, die sich senkrecht zu der Drehachse erstreckt, hervorsteht und sich in Umfangsrichtung um die Drehachse herum erstreckt.

Description

GEBIET
Die Erfindung betrifft ein drehbares Bauteil zur Verwendung in einem Stellantrieb, eine Anordnung zur Bestimmung der Drehwinkelstellung eines solchen drehbaren Bauteils in einem Stellantrieb sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelstellung eines solchen drehbaren Bauteils.
HINTERGRUND
Elektrische Kleinmotoren wie beispielsweise bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) kommen unter anderem im Automobilbereich und in der Automatisierungstechnik zur Anwendung, zum Beispiel als Antrieb für Stellaktuatoren wie Klappensteller oder Ventile, beispielsweise Nadelventile. Zur Steuerung und Überwachung können solche Stellantriebe mit Sensoren ausgestattet sein, um Parameter wie die Rotorstellung, die Rotordrehzahl oder die Stellung eines mit dem Rotor gekoppelten Stellglieds zu bestimmen.
Ein Stellantrieb kann beispielsweise einen Hall-Sensor aufweisen, der dazu eingerichtet ist, eine Stärke und/oder Richtung eines Magnetfelds zu messen. Auf einem drehbaren Bauteil des Stellantriebs, z.B. auf einem Abtriebsrad, kann ein Magnet angebracht sein. Der Hall-Sensor kann in der Nähe des Abtriebsrads angeordnet sein, 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 mit dem Abtriebsrad gekoppelten Stellglieds ermittelt werden.
Insbesondere bei Stellantrieben mit kompakter Bauweise ist der für die Anordnung des Sensors und des Magneten zur Verfügung stehende Platz allerdings häufig begrenzt. Darüber hinaus kann durch andere Komponenten des Stellantriebs eine bestimmte Anordnung für den Sensor und den Magneten vorgegeben sein, die im Hinblick auf die Amplitude und die Linearität des Sensorsignals nachteilhaft sein kann. Dies kann die erreichbare Genauigkeit bei der Bestimmung der Drehwinkelstellung des Abtriebsrads begrenzen.
ÜBERBLICK
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein drehbares Bauteil für einen Stellantrieb anzugeben, mit dem insbesondere bei Stellantrieben mit kompakter Bauweise die Genauigkeit der Bestimmung der Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein drehbares Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 23 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird ein drehbares Bauteil zur Verwendung in einem Stellantrieb vorgesehen, welches einen Bauteilkörper umfasst, der dazu eingerichtet ist, in dem Stellantrieb um eine Drehachse drehbar gelagert zu werden. Das drehbare Bauteil umfasst ferner einen Magneten zur Bestimmung der Drehwinkelstellung des Bauteilkörpers relativ zu der Drehachse. Der Magnet ist an dem Bauteilkörper befestigt und erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Drehachse herum. Das drehbare Bauteil ist dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet einen hervorstehenden Abschnitt aufweist, der auf einer Stirnseite des Magneten, die sich senkrecht zu der Drehachse erstreckt, hervorsteht und sich in Umfangsrichtung um die Drehachse herum erstreckt.
Der Bauteilkörper kann beispielsweise ein Zahnrad, insbesondere ein Abtriebsrad, und/oder eine Welle sein oder umfassen, zum Beispiel wie unten beschrieben. Der Bauteilkörper kann dazu eingerichtet sein, an einer oder mehreren Stellen drehbar in dem Stellantrieb gelagert zu werden, zum Beispiel in einer entsprechenden Führung oder Lagerung. Der Stellantrieb kann dazu eingerichtet sein, ein Stellglied anzutreiben, und kann hierzu einen Motor, insbesondere einen Elektromotor, zum Beispiel einen bürstenlosen Gleichstrommotor, aufweisen. Der Elektromotor kann dazu eingerichtet sein, mit den Bauteilkörper mechanisch gekoppelt zu werden, um das Bauteil um die Drehachse zu drehen.
Der Magnet kann den hervorstehenden Abschnitt sowie einen mit dem hervorstehenden Abschnitt verbundenen Hauptkörper aufweisen, wobei sowohl der Hauptkörper als auch der hervorstehenden Abschnitt ein magnetisches Material umfassen oder aus einem solchen bestehen können. Bevorzugt sind der Hauptkörper und der hervorstehenden Abschnitt einstückig ausgebildet. Der Magnet kann beispielsweise ein Dipolmagnet oder ein Quadrupolmagnet sein und zum Beispiel ein gepresster oder gespritzter Seltenerdmagnet sein. Der Magnet kann an dem Bauteilkörper mittels eines Halteelements befestigt sein, zum Beispiel mittels eines Niederhalters, insbesondere eines ultraschallverschweißten Niederhalters. Alternativ oder zusätzlich kann der Magnet auch mit dem Bauteilkörper verklebt sein oder mittels eines Spritzgussverfahrens umspritzt sein.
Der Magnet, insbesondere Hauptkörper des Magneten, kann sich in Umfangsrichtung, d.h. in azimutaler Richtung um die Drehachse, vollständig oder teilweise um die Drehachse herum erstrecken und beispielsweise einen Winkel zwischen 270° und 360° um die Drehachse einschließen. Der Magnet kann beispielsweise ringförmig sein, z.B. eine Ringscheibe, und eine Öffnung aufweisen, durch die die Drehachse sich hindurch erstreckt. In einem anderen Beispiel kann der Magnet scheibenförmig, z.B. eine kreisförmige Scheibe, sein, wobei die Drehachse sich durch den Magneten selbst hindurch erstreckt. Der Hauptkörper des Magneten kann zwei gegenüberliegende Stirnseiten aufweisen, die sich jeweils senkrecht zu der Drehachse erstrecken können. Die Stirnseiten können exakt senkrecht zu der Drehachse verlaufen oder in einem kleinen Winkel zur Normalenrichtung, beispielsweise in einem Winkel zwischen 70° und 110° zur Drehachse.
Auf einer Stirnseite des Magneten, zum Beispiel auf einer Stirnseite des Hauptkörpers, ist der hervorstehenden Abschnitt angeordnet, der sich von der entsprechenden Stirnseite in axialer Richtung parallel zu der Drehachse erstreckt. Der hervorstehende Abschnitt kann sich ebenfalls vollständig oder teilweise um die Drehachse herum erstrecken und beispielsweise eine Ring- oder Scheibenform aufweisen. Der hervorstehende Abschnitt kann eine durchgehende Struktur sein oder mehrere voneinander getrennte, entlang der Umfangsrichtung angeordnete Abschnitte aufweisen, die sich beispielsweise jeweils entlang eines Kreisbogens um die Drehachse herum erstrecken können.
Durch den hervorstehenden Abschnitt kann das von dem Magneten erzeugte Magnetfeld verändert werden und insbesondere eine asymmetrische Verteilung der Feldstärke erreicht werden. Der hervorstehenden Abschnitt kann zu einer Verschiebung der magnetischen Feldlinien in axialer Richtung führen und somit beispielsweise die Feldstärke in der Umgebung der Stirnseite, auf der der hervorstehenden Abschnitt angeordnet ist, erhöhen. Dadurch kann das Signal, das von einem in diesem Bereich angeordneten Magnetfeldsensor gemessen wird, vergrößert werden und somit die Genauigkeit einer anhand dieses Signals bestimmten Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils verbessert werden. Ferner kann die Form des hervorstehenden Abschnitts angepasst werden, um die Linearität des Sensorsignals als Funktion der Drehwinkelstellung zu verbessern. Beispielsweise können Abweichungen der Feldstärke an der Position des Sensors von einer gewünschten funktionellen Abhängigkeit wie etwa einem sinusförmigen Verlauf durch den hervorstehenden Abschnitt zumindest näherungsweise kompensiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der hervorstehende Abschnitt entlang eines Innenumfangs oder eines Außenumfangs des Magneten. Der hervorstehende Abschnitt kann beispielsweise ein umlaufender Kragen entlang des entsprechenden Randes des Hauptkörpers des Magneten sein. In einem Beispiel ist der Hauptkörper des Magneten ringförmig und der hervorstehende Abschnitt erstreckt sich entlang des Außenumfangs oder bevorzugt entlang des Innenumfangs des Ringes, so dass der Magnet einen L-förmigen Querschnitt in einer Ebene parallel zu der Drehachse aufweist.
In manchen Ausgestaltungen ist der hervorstehende Abschnitt auf einer wenigstens teilweise freiliegenden Stirnseite des Magneten angeordnet, d. h. auf einer Stirnseite des Magneten, die nicht in Kontakt mit dem Bauteilkörper ist oder von diesem bedeckt wird. Der Magnet kann beispielsweise eine erste Stirnseite und eine der ersten Stirnseite gegenüberliegende zweite Stirnseite aufweisen. Der Magnet kann auf einer Aufnahmefläche des Bauteilkörpers angeordnet sein, so dass die zweite Stirnseite in Kontakt mit der Aufnahmefläche ist, während die erste Stirnseite von der Aufnahmefläche abgewandt ist. Der hervorstehende Abschnitt kann auf der ersten Stirnseite angeordnet sein und sich in axialer Richtung von der Aufnahmefläche weg erstrecken.
Eine Höhe des hervorstehenden Abschnitts kann zwischen 30% und 150%, in einem Beispiel zwischen 75% und 125% einer Dicke des Magneten parallel zu der Drehachse betragen, wobei die Höhe des hervorstehenden Abschnitts in einer Richtung parallel zu der Drehachse und von der Stirnseite des Magneten ab gemessen wird, zum Beispiel von der Stirnseite des Magneten bis zu einem distalen Ende des hervorstehenden Abschnitts. Die Dicke des Magneten kann die Dicke des Hauptkörpers des Magneten sein, die beispielsweise zwischen den beiden gegenüberliegenden Stirnseiten des Magneten gemessen wird. In einem Beispiel entspricht die Höhe des hervorstehenden Abschnitts der Dicke des Magneten, d. h. die Gesamtdicke des Magneten im Bereich des hervorstehenden Abschnitt kann doppelt so groß sein wie die Dicke des Hauptkörpers des Magneten.
In manchen Ausgestaltungen kann der Bauteilkörper eine Stirnseite aufweisen und der Magnet auf der Stirnseite des Bauteilkörpers angeordnet sein, wobei die Stirnseite des Bauteilkörpers sich beispielsweise senkrecht zu der Drehachse erstrecken kann. Die Stirnseite kann eine Vertiefung aufweisen, in der der Magnet angeordnet ist, beispielsweise so dass die zweite Stirnseite des Magneten in Kontakt mit einer Bodenfläche der Vertiefung ist, während die der zweiten Stirnseite gegenüberliegende erste Stirnseite des Magneten freiliegt. Eine oder mehrere Seitenflächen der Vertiefung können dabei ebenfalls mit dem Magneten in Kontakt sein oder durch einen Spalt von dem Magneten beabstandet sein.
Die Tiefe der Vertiefung kann größer oder gleich der Dicke des Hauptkörpers des Magneten sein, so dass der Hauptkörper des Magneten nicht über eine Oberkante der Vertiefung herausragt. Der Hauptkörper des Magneten kann vollständig in der Vertiefung versenkt sein, so dass die Stirnseite des Hauptkörpers tiefer als eine an die Vertiefung angrenzende Randfläche des Bauteilkörpers liegt. Dagegen ragt der hervorstehende Abschnitt bevorzugt in axialer Richtung über die Oberkante der Vertiefung heraus, so dass zumindest ein Teil des hervorstehenden Abschnitts oberhalb der Randfläche liegt.
Der Bauteilkörper weist in manchen Ausgestaltungen eine Welle auf, die sich beispielsweise von einer oder beiden Stirnseiten des Bauteilkörpers aus entlang der Drehachse erstrecken kann. Die Welle kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, den Bauteilkörper drehbar in einer entsprechenden Führung oder Lagerung des Stellantriebs zu lagern und/oder den Bauteilkörper mit einem anderen Element mechanisch zu koppeln. Der Magnet kann eine Öffnung aufweisen, durch die hindurch die Welle sich entlang der Drehachse erstreckt. Bevorzugt erstreckt sich der hervorstehende Abschnitt des Magneten dabei entlang einer Außenseite der Welle um die Drehachse herum, d.h. der hervorstehende Abschnitt kann entlang des Innenumfangs des Magneten und damit entlang des Randes der Öffnung in dem Magneten angeordnet sein. Der hervorstehende Abschnitt kann mit der Außenseite der Welle in Kontakt sein oder durch einen Spalt von dieser beabstandet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Magnet eine Verdrehsicherung auf, die dazu eingerichtet ist, ein Verdrehen des Magneten gegen den Bauteilkörper zu verhindern. Der Magnet kann beispielsweise ringförmig oder kreisförmig sein und an seinem Innenumfang und/oder an seinem Außenumfang eine Verdrehsicherung mit einem Vorsprung und/oder einer Aussparung aufweisen. Der Vorsprung und/oder die Aussparung können jeweils mit einem entsprechenden Gegenstück an dem Bauteilkörper ineinander greifen, wobei das Gegenstück z.B. an einer Seitenfläche der Vertiefung in dem Bauteilkörper oder an der Außenseite der Welle angeordnet sein kann.
In einem Beispiel kann der Magnet ringförmig sein und einen kreisförmigen Innenumfang aufweisen, an dem eine Ausbuchtung oder hervorstehende Fase angeordnet ist. Die Ausbuchtung kann beispielsweise einen kreissegmentförmigen Querschnitt in einer Ebene senkrecht zur Drehachse haben, so dass eine Innenfläche der Ausbuchtung eine ebene Fläche ist, die bevorzugt parallel zu der Drehachse verläuft. In anderen Worten kann der Magnet eine D-förmige Öffnung aufweisen. In einem anderen Beispiel kann der Magnet einen kreisförmigen Außenumfang mit einer Aussparung oder aussparenden Fase aufweisen. Die Aussparung kann beispielsweise einen kreissegmentförmigen Querschnitt in einer Ebene senkrecht zur Drehachse haben, so dass ein Abschnitt des Außenumfangs des Magneten eine ebene Oberfläche aufweist, die bevorzugt parallel zu der Drehachse verläuft.
Bevorzugt umfasst die Verdrehsicherung zwei Vorsprünge oder Aussparungen auf gegenüberliegenden Seiten der Drehachse, die jeweils mit einem entsprechenden Gegenstück in dem Bauteilkörper ineinandergreifen. Beispielsweise kann der Magnet eine Ringscheibe sein und die Verdrehsicherung zwei Aussparungen auf gegenüberliegenden Seiten des Außenumfangs des Magneten oder zwei Vorsprünge auf gegenüberliegenden Seiten des Innenumfangs des Magneten umfassen. Die Aussparungen bzw. Vorsprünge können beispielsweise wie voranstehend beschrieben ausgestaltet sein und insbesondere jeweils eine zur Drehachse parallele ebene Oberfläche aufweisen, wobei die Oberflächen der beiden Aussparungen bzw. Vorsprünge bevorzugt parallel zueinander sind.
In manchen Ausführungsformen ist der Magnet diametral magnetisiert, wobei die Magnetisierungsachse, d.h. die Verbindungslinie zwischen dem Nordpol und dem Südpol des Magneten, parallel zu der Stirnseite des Magneten und damit senkrecht zu der Drehachse verläuft. Bevorzugt verläuft die Magnetisierungsachse parallel zu der Oberfläche einer Aussparung bzw. eines Vorsprungs der Verdrehsicherung. In einem Beispiel umfasst die Verdrehsicherung zwei Vorsprünge oder Aussparungen auf gegenüberliegenden Seiten der Drehachse, zum Beispiel wie oben beschrieben, und die Magnetisierungsachse des Magneten ist senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen den zwei Vorsprüngen bzw. Aussparungen der Verdrehsicherung. Die Magnetisierungsachse kann dabei zum Beispiel parallel zu den ebenen Oberflächen der Vorsprünge bzw. Aussparungen verlaufen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind ein oder mehrere Vorsprünge und/oder eine oder mehrere Aussparungen der Verdrehsicherung zumindest teilweise auf einer Seitenwand des hervorstehenden Abschnitts des Magneten angeordnet. In anderen Worten kann auch der hervorstehende Abschnitt des Magneten an seinem Innenumfang und/oder seinem Außenumfang einen Vorsprung und/oder eine Aussparung aufweisen, der/die mit einem entsprechenden Gegenstück an dem Bauteilkörper ineinander greift. Der Vorsprung bzw. die Aussparung kann sich dabei durchgehend von dem Hauptkörper des Magneten bis auf die Seitenwand des hervorstehenden Abschnitts erstrecken. Der Innen- bzw. Außenumfang des hervorstehenden Abschnitts kann beispielsweise die gleiche Form aufweisen wie der entsprechende Umfang des Hauptkörpers des Magneten.
In manchen Ausführungsformen ist der Bauteilkörper ein Zahnrad, welches beispielsweise dazu eingerichtet sein kann, mit einem Rotor eines Elektromotors in dem Stellantrieb mechanisch gekoppelt zu werden, z.B. mittels oder als Teil eines Getriebes. Der Bauteilkörper kann insbesondere ein Abtriebsrad für den Stellantrieb sein, welches dazu eingerichtet ist, mit einem Stellglied mechanisch gekoppelt zu werden, zum Beispiel um eine Drehbewegung des Abtriebsrads um die Drehachse in eine Bewegung des Stellglieds zu übersetzen. Hierzu kann das Abtriebsrad beispielsweise eine Abtriebswelle aufweisen oder mit einer Abtriebswelle gekoppelt sein, wobei die Abtriebswelle ein Mitnahmeprofil aufweisen kann, auf oder in das ein anderes Element drehfest aufgesteckt werden kann.
Es wird weiterhin eine Anordnung zur Bestimmung der Drehwinkelstellung eines drehbaren Bauteils in einem Stellantrieb vorgesehen. Die Anordnung umfasst ein drehbares Bauteil gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen sowie einen Magnetfeldsensor, der dazu eingerichtet ist, eine Stärke eines von dem Magneten erzeugten Magnetfelds zu messen. Die Anordnung umfasst ferner eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, anhand der von dem Magnetfeldsensor gemessenen Stärke des Magnetfelds die Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils relativ zu der Drehachse zu bestimmen.
Die Anordnung kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, in einen Stellantrieb eingebaut zu werden, kann Teil eines Stellantriebs sein oder einen Stellantrieb umfassen, zum Beispiel wie unten beschrieben. Insbesondere kann das drehbare Bauteil dazu eingerichtet sein, mit einem Motor des Stellantriebs mechanisch gekoppelt zu werden, so dass der Motor das drehbare Bauteil um die Drehachse drehen kann.
Der Magnetfeldsensor kann dazu eingerichtet sein, die Stärke des Magnetfelds entlang einer oder mehreren Raumrichtungen zu messen. Der Magnetfeldsensor kann dazu eingerichtet sein, eine absolute Magnetfeldstärke zu messen, z.B. entlang einer Raumrichtung, oder eine relative Magnetfeldstärke, zum Beispiel ein Verhältnis der Magnetfeldstärken entlang zweier Raumrichtungen. Der Magnetfeldsensor kann beispielsweise ein induktiver oder resistiver Magnetfeldsensor sein. Bevorzugt ist der Magnetfeldsensor ein Hall-Sensor, zum Beispiel ein zweidimensionaler oder dreidimensionaler Hall-Sensor, der dazu eingerichtet ist, die Stärke des Magnetfelds entlang zwei bzw. drei Raumrichtungen zu messen. In manchen Ausgestaltungen kann der Magnetfeldsensor ein differentieller Magnetfeldsensor sein, zum Beispiel wie unten beschrieben.
Die Steuereinheit kann als Hardware und/oder Software implementiert sein. Die Steuereinheit kann zum Beispiel einen Prozessor sowie ein Speichermedium umfassen, 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 kann dazu eingerichtet sein, ein Sensorsignal des Magnetfeldsensors auszulesen, welches die gemessene Magnetfeldstärke charakterisiert. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, anhand des Sensorsignals die Drehwinkelstellung zu ermitteln, zum Beispiel mittels einer Kalibrierungskurve, die einen Wert des Sensorsignals mit einer Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils verknüpft. In einem Beispiel ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelstellung nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen ganz oder teilweise auszuführen. In manchen Ausgestaltungen kann die Steuereinheit ganz oder teilweise in eine Steuereinheit des Stellantriebs integriert sein, die beispielsweise dazu eingerichtet sein kann, Steuersignale für den Motor des Stellantriebs zu erzeugen.
In manchen Ausgestaltungen ist der Magnetfeldsensor gegenüber dem Magneten entlang der Drehachse in Richtung des hervorstehenden Abschnitts des Magneten versetzt. Ein Mittelpunkt des Magneten, zum Beispiel ein geometrischer Mittelpunkt, ein Schwerpunkt oder vorzugsweise ein magnetischer Mittelpunkt des Magneten, kann sich beispielsweise in einer ersten Ebene oder Magnetebene senkrecht zur Drehachse befinden, während ein Mittelpunkt des Magnetfeldsensors, zum Beispiel ein geometrischer Mittelpunkt, ein Schwerpunkt oder vorzugsweise ein Messpunkt des Magnetfeldsensors, sich in einer zweiten Ebene oder Sensorebene senkrecht zur Drehachse befindet, welche gegenüber der ersten Ebene in axialer Richtung versetzt ist. Die Sensorebene kann sich zum Beispiel in axialer Richtung zwischen der Magnetebene und der Stirnseite des Magneten, auf der der hervorstehende Abschnitt angeordnet ist, befinden.
In einigen Ausführungsformen ist der Magnetfeldsensor gegenüber dem Magneten soweit in Richtung des hervorstehenden Abschnitts des Magneten versetzt, dass der Magnetfeldsensor sich in axialer Richtung vollständig jenseits der Stirnseite des Magneten, auf der der hervorstehenden Abschnitt angeordnet ist, befindet. In anderen Worten können der Magnetfeldsensor und der Hauptkörper des Magneten in axialer Richtung nicht überlappen, so dass der Magnetfeldsensor zum Beispiel über dem Hauptkörper des Magneten angeordnet sein kann. Entsprechend kann die Stirnseite des Magneten in axialer Richtung zwischen der Magnetebene und der Sensorebene liegen. Vorzugsweise ist der Magnetfeldsensor in axialer Richtung relativ zu dem Magneten auf derselben Seite wie der hervorstehende Abschnitt des Magneten angeordnet.
Bevorzugt erstreckt sich der hervorstehende Abschnitt des Magneten in axialer Richtung bis über eine dem Magneten zugewandte Oberfläche des Magnetfeldsensors hinaus, so dass der hervorstehende Abschnitt und der Magnetfeldsensor in axialer Richtung zumindest teilweise überlappen. Der hervorstehende Abschnitt und der Magnetfeldsensor überlappen somit bei Projektion in radialer Richtung zumindest teilweise. Die Sensorebene kann sich zum Beispiel in axialer Richtung zwischen der Stirnseite des Magneten und einem distalen Ende des hervorstehenden Abschnitts des Magneten befinden, wobei das distale Ende des hervorstehenden Abschnitts der in axialer Richtung am weitesten von der zugehörigen Stirnseite des Magneten entfernte Teil des hervorstehenden Abschnitts ist. In anderen Beispielen kann die Sensorebene sich in einer Ebene mit dem distalen Ende des hervorstehenden Abschnitts befinden, d.h. bündig mit dem distalen Ende sein, oder sich in axialer Richtung jenseits des distalen Endes des hervorstehenden Abschnitts befinden, so dass das distale Ende des hervorstehenden Abschnitt in axialer Richtung zwischen der Magnetebene und der Sensorebene liegt. Entsprechend können in manchen Ausführungsformen der Magnet und der Magnetfeldsensor in axialer Richtung auch nicht überlappen.
In manchen Ausgestaltungen ist der Magnetfeldsensor in radialer Richtung von der Drehachse entfernt angeordnet, beispielsweise so dass die Drehachse sich nicht durch den Magnetfeldsensor hindurch erstreckt. Der Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor und der Drehachse kann so gewählt werden, dass andere Elemente des Stellantriebs auf Höhe des Magnetfeldsensors auf der Drehachse angeordnet werden können, beispielsweise eine mit dem drehbaren Element verbundene oder gekoppelte Welle. Der hervorstehenden Abschnitt des Magneten ist bevorzugt in radialer Richtung zwischen dem Magnetfeldsensor und der Drehachse angeordnet. Der hervorstehende Abschnitt kann beispielsweise einen Außenradius aufweisen, der kleiner ist als der Abstand zwischen der Drehachse und dem Magnetfeldsensor. Der Magnetfeldsensor kann in radialer Richtung mit dem Hauptkörper des Magneten zumindest teilweise überlappen. Anders ausgedrückt ist es in manchen bevorzugten Ausgestaltungen vorgesehen, dass der Magnet und der Magnetfeldsensor bei Projektion in axialer Richtung zumindest teilweise überlappen. In einem Beispiel entspricht ein Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Magnetfeldsensors und der Drehachse dem Außenradius des Hauptkörpers des Magneten, d.h. der Magnetfeldsensor kann sich in radialer Richtung über den Außenumfang des Magneten hinaus erstrecken.
Bevorzugt ist die Anordnung des Magnetfeldsensors sowie die Ausgestaltung des hervorstehenden Abschnitts des Magneten so gewählt, dass die magnetischen Feldlinien entlang eines Kreises um die Drehachse, welcher durch den Magnetfeldsensor, vorzugsweise durch den Messpunkt des Magnetfeldsensors verläuft, näherungsweise auf einem Paraboloid verlaufen. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Wahl des radialen Abstands des Magnetfeldsensors von der Drehachse, des axialen Abstands zwischen dem Magneten und dem Magnetfeldsensor sowie der Höhe des hervorstehenden Abschnitts, des Außenradius des hervorstehenden Abschnitts und des Außenradius des Hauptkörpers des Magneten erreicht werden. Vorzugsweise haben die axiale und azimutale Komponente des Magnetfelds am Messpunkt des Sensors als Funktion der Drehwinkelstellung jeweils einen sinusförmigen Verlauf, wobei die beiden Komponenten gegeneinander um 90° phasenverschoben sind.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Magnetfeldsensor zwei Sensorelemente, die jeweils dazu eingerichtet sind, eine Stärke des von dem Magneten erzeugten Magnetfelds zu messen. Die zwei Sensorelemente können beispielsweise zwei Hall-Elemente sein und können jeweils dazu eingerichtet sein, die Stärke des Magnetfelds entlang derselben Raumrichtung oder entlang derselben Raumrichtungen zu messen. Die Sensorelemente können an verschiedenen Positionen angeordnet sein und entsprechend die Stärke des Magnetfelds an verschiedenen Positionen messen. Bevorzugt sind die Sensorelemente in Umfangsrichtung um die Drehachse versetzt angeordnet, beispielsweise so dass die beiden Sensorelemente mit der Drehachse einen Winkel zwischen 0.50 und 100 einschließen. Die beiden Sensorelemente können dabei in unterschiedlichen Abständen von der Drehachse angeordnet sein oder bevorzugt in dem gleichen Abstand von der Drehachse angeordnet sein, d.h. sich auf einem Kreis um die Drehachse befinden. Bevorzugt sind die beiden Sensorelemente, insbesondere die Mittelpunkte der beiden Sensorelemente, in der gleichen Ebene senkrecht zu der Drehachse angeordnet.
Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, die Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils anhand einer Differenz der von den beiden Sensorelementen gemessenen Stärken des Magnetfelds zu bestimmen, d.h. eine differentielle Messung vorzunehmen, beispielsweise um eine Beeinflussung durch homogene externe Störfelder zu verhindern. Die Steuereinheit kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, jeweils ein Sensorsignal der beiden Sensorelemente auszulesen, die Differenz der Sensorsignale zu bilden und mittels einer Kalibrierungskurve die Sensorsignaldifferenz in die Drehwinkelstellung umzurechnen.
Vorzugsweise sind die beiden Sensorelemente jeweils dazu eingerichtet sind, eine Stärke des von dem Magneten erzeugten Magnetfelds in wenigstens zwei zueinander senkrecht stehenden Raumkomponenten zu messen, vorzugsweise um eine Stärke des von dem Magneten erzeugten Magnetfelds in axialer Richtung und eine Stärke des von dem Magneten erzeugten Magnetfelds in Umfangsrichtung zu messen. Wie oben ausgeführt können diese beiden Magnetfeldkomponenten jeweils einen näherungsweise sinusförmigen Verlauf als Funktion der Drehwinkelstellung aufweisen und um 90° gegeneinander phasenverschoben sein, was eine Bestimmung der Drehwinkelstellung über eine volle Umdrehung von 360° anhand der beiden differentiellen Magnetfeldkomponenten ermöglichen kann.
In manchen Ausführungsformen umfasst die Anordnung ferner einen Stellantrieb mit einem Elektromotor, beispielsweise einem bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor) oder einen Schrittmotor. Der Elektromotor ist dazu eingerichtet, das drehbare Bauteil um die Drehachse zu drehen. Hierzu kann ein Rotor des Elektromotors mechanisch mit dem drehbaren Bauteil gekoppelt sein, beispielsweise über ein Getriebe, insbesondere ein Untersetzungsgetriebe. Das drehbare Bauteil kann zum Beispiel ein Zahnrad, vorzugsweise ein Abtriebsrad des Stellantriebs sein. Das Abtriebsrad kann dazu eingerichtet sein, mit einem Stellglied mechanisch gekoppelt zu werden, und kann hierzu beispielsweise eine Abtriebswelle mit einem geeigneten Mitnahmeprofil aufweisen.
Es wird weiterhin ein Verfahren vorgesehen, um eine Drehwinkelstellung eines drehbaren Bauteils gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen zu bestimmen, wobei der Bauteilkörper des drehbaren Bauteils um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Das Verfahren umfasst das Messen einer Stärke eines von dem Magneten erzeugten Magnetfelds und das Bestimmen der Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils relativ zu der Drehachse anhand der Stärke des gemessenen Magnetfelds.
Das Verfahren kann beispielsweise mit einer Anordnung zur Bestimmung der Drehwinkelstellung nach einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen ausgeführt werden, wobei die Stärke des Magnetfelds mit Hilfe des Magnetfeldsensors der Anordnung gemessen wird und die Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils mit Hilfe der Steuereinheit der Anordnung bestimmt wird.
Die Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils kann beispielsweise mittels einer im Voraus bestimmten Kalibrierungskurve anhand der Stärke des Magnetfelds bestimmt werden. Bevorzugt wird die Stärke des Magnetfelds differentiell an zwei verschiedenen Positionen und/oder in zwei verschiedenen Raumrichtungen gemessen, zum Beispiel wie oben in Bezug auf die erfindungsgemäße Anordnung beschrieben. In manchen Ausgestaltungen kann das Verfahren weiterhin das Bestimmen einer Stellung eines mit dem drehbaren Bauteil gekoppelten Stellglieds anhand der Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils umfassen.
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 drehbares Bauteil mit einem kreisförmigen Magneten zur Verwendung in einem Stellantrieb gemäß einem Beispiel in Draufsicht;
1b: das drehbare Bauteil aus 1a im Querschnitt;
2a: ein drehbares Bauteil mit einem ringförmigen Magneten zur Verwendung in einem Stellantrieb gemäß einem Beispiel im Querschnitt;
2b: das drehbare Bauteil aus 2a in einer Explosionsdarstellung;
3: eine Anordnung zur Bestimmung der Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils aus 2a gemäß einem Beispiel im Querschnitt;
4: ein Stellantrieb mit der Anordnung zur Bestimmung der Drehwinkelstellung eines drehbaren Bauteils aus 3 gemäß einem Beispiel im Querschnitt;
5: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung der Drehwinkelstellung eines drehbaren Bauteils gemäß einem Beispiel;
6a: die Magnetfeldstärke in axialer und azimutaler Richtung als Funktion der Drehwinkelstellung eines drehbaren Bauteils mit einem Magneten ohne hervorstehenden Abschnitt gemäß einem Beispiel; und
6b: die Magnetfeldstärke in axialer und azimutaler Richtung als Funktion der Drehwinkelstellung eines drehbaren Bauteils mit einem Magneten mit hervorstehenden Abschnitt gemäß einem Beispiel.

BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1a und 1b zeigen eine schematische Darstellung eines drehbaren Bauteils 100 zur Verwendung in einem Stellantrieb (nicht gezeigt) gemäß einem Beispiel. Das drehbare Bauteil 100 ist in 1a in Draufsicht entlang einer Drehachse 104 dargestellt und in 1b im Querschnitt entlang einer Ebene parallel zu der Drehachse 104. Das drehbare Bauteil 100 kann beispielsweise in der unten beschriebenen Anordnung 300 aus 3 oder in dem unten beschriebenen Stellantrieb 400 aus 4 verwendet werden.
Das drehbare Bauteil 100 umfasst einen Bauteilkörper 102, der im Beispiel der 1a, 1b ein Zahnrad ist und im Folgenden auch als Zahnrad 102 bezeichnet wird. Das Zahnrad kann beispielsweise aus Metall und/oder Kunststoff hergestellt sein, zum Beispiel aus einem glasfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, etwa aus Polyamid mit einem Glasfaseranteil zwischen 20% und 40%. Das Zahnrad 102 weist eine erste Stirnseite 102A und eine der ersten Stirnseite 102A gegenüberliegende zweite Stirnseite 102B auf. An seinem Außenumfang weist das Zahnrad 102 einen Zahnkranz auf, wobei ein Durchmesser des Zahnrads 102 beispielsweise zwischen 10 mm und 50 mm betragen kann. Das Zahnrad 102 ist dazu eingerichtet, in dem Stellantrieb um eine Drehachse 104 drehbar gelagert zu werden. Hierzu weist das Zahnrad 102 eine Welle 106 auf, die sich von der zweiten Stirnseite 102B entlang der Drehachse 104 erstreckt und dazu eingerichtet ist, in einer entsprechenden Führung oder Lagerung in dem Stellantrieb drehbar gelagert zu werden.
Das drehbare Bauteil 100 umfasst ferner einen Magneten 108, der in einer Vertiefung 110 auf der ersten Stirnseite 102A des Zahnrads 102 angeordnet ist. Der Magnet 108 umfasst einen Hauptkörper 108A, der im Beispiel der 1a, 1b in Form einer kreisförmigen Scheibe ausgebildet ist, sowie einen hervorstehenden Abschnitt 108B, der auf einer zur Drehachse 104 senkrechten Stirnseite 108C des Hauptkörpers 108A in axialer Richtung hervorsteht. Der hervorstehenden Abschnitt 108B ist im Beispiel der 1a, 1b ebenfalls in Form einer kreisförmigen Scheibe ausbildet, wobei die Drehachse 104 sich sowohl durch den Hauptkörper 108A als auch durch den hervorstehenden Abschnitt 108B hindurch erstreckt. Außenumfänge des hervorstehenden Abschnitts 108B und des Hauptkörpers 108A erstrecken sich entsprechend in Umfangsrichtung vollständig um die Drehachse 104 herum. Eine von der Stirnseite 108C aus in axialer Richtung gemessene Höhe h des hervorstehenden Abschnitts 108B kann beispielsweise zwischen 30% und 150% einer Dicke d des Hauptkörpers 108A in axialer Richtung betragen. Die Dicke d des Hauptkörpers 108A ist so gewählt, dass der Hauptkörper 108A nicht über eine Oberkante der Vertiefung 110 herausragt, sondern beispielsweise so, dass wie in 1b gezeigt die freiliegende Stirnseite 108C des Magneten 108 bündig mit der Stirnseite 102A des Zahnrads ist. Der hervorstehende Abschnitt 108B dagegen kann über die Oberkante der Vertiefung 110 herausragen, beispielsweise so dass der hervorstehende Abschnitt 108B ganz oder teilweise außerhalb der Vertiefung 110 angeordnet ist.
Der Magnet 108 ist bevorzugt einstückig ausgebildet und kann beispielsweise ein gepresster oder gespritzter Seltenerdmagnet, zum Beispiel ein kunststoffgebundener Neodym-Eisen-Bor-Magnet (NdFeB) sein. Vorzugsweise ist sowohl der Hauptkörper 108A als auch der hervorstehende Abschnitt 108B magnetisiert, beispielsweise indem der gesamte Magnet 108 einem externen Magnetfeld zur Aufmagnetisierung ausgesetzt wird. Im Beispiel der 1a,1b ist der Magnet 108 diametral magnetisiert, wobei die Magnetisierungsachse senkrecht zu der Drehachse 104 verläuft.
Durch den hervorstehenden Abschnitt 108B kann der Verlauf der Feldlinien des von dem Magneten 108 erzeugten Magnetfelds verändert werden. Insbesondere kann eine Symmetrie des Magnetfelds bezüglich der Magnetisierungsachse gebrochen werden, indem die Feldlinien von der Stirnseite 108C weg in axialer Richtung verschoben werden. Dadurch kann sowohl die Stärke des Magnetfelds an einer Position oberhalb des Magneten 108, z.B. an der Messposition eines Sensors (nicht gezeigt), erhöht werden als auch der Verlauf der Magnetfeldstärke und/oder -richtung als Funktion der Drehwinkelstellung des Zahnrads 102 um die Drehachse 104 verändert werden. Vorzugsweise werden die Abmessungen des hervorstehenden Abschnitts 108B so gewählt, dass die Feldlinien des von dem Magneten 108 erzeugten Magnetfelds oberhalb des Magneten 108 zumindest abschnittsweise auf einem Paraboloid verlaufen. Dies kann beispielsweise vorteilhaft für die Bestimmung der Drehwinkelstellung des Zahnrads 102 anhand des von dem Magneten 108 erzeugten Magnetfelds sein.
Der Magnet 108 ist an dem Zahnrad 102 drehfest befestigt, so dass der Magnet 108 sich mit dem Zahnrad 102 um die Drehachse 104 dreht. Im Beispiel der 1a,1b ist hierzu ein Niederhalter 112 auf der ersten Stirnseite 102A des Zahnrads 102 und der Stirnseite 108C des Magneten 108 angeordnet. Der Niederhalter 112 kann beispielsweise aus einem Thermoplastik bestehen und mittels Ultraschallweißen mit der Stirnseite 102A des Zahnrads 102 stoffschlüssig verbunden sein. Der Niederhalter 112 kann zudem stoffschlüssig oder formschlüssig mit der Stirnseite 108C des Magneten 108 verbunden sein, beispielsweise indem die entsprechenden Materialien so gewählt werden, dass sie durch Ultraschallschweißen verschweißbar oder nicht verschweißbar sind.
2a und 2b zeigen eine schematische Darstellung eines drehbaren Bauteils 200 zur Verwendung in einem Stellantrieb (nicht gezeigt) gemäß einem weiteren Beispiel. Das drehbare Bauteil 200 ist in 2a im Querschnitt entlang einer Ebene parallel zu der Drehachse 104 dargestellt und in 2b in einer perspektivischen Explosionsdarstellung. Das drehbare Bauteil 200 kann beispielsweise in der unten beschriebenen Anordnung 300 aus 3 oder in dem unten beschriebenen Stellantrieb 400 aus 4 verwendet werden.
Das drehbare Bauteil 200 ist ähnlich dem in 1a, 1b gezeigten drehbaren Bauteil 100, wobei entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Das drehbare Bauteil 200 umfasst ebenfalls einen Bauteilkörper 102, in diesem Beispiel ein Abtriebsrad 102 für einen Stellantrieb, sowie einen Magneten 108 zur Bestimmung der Drehwinkelstellung des Abtriebsrads 102 um eine Drehachse 104. Das Abtriebsrad 102 weist eine Hohlwelle oder Abtriebswelle 106 auf, die sich von einer Stirnseite des Abtriebsrads 102 entlang der Drehachse 104 erstreckt. Die Abtriebswelle 106 weist an ihrem Innenumfang ein Mitnahmeprofil 106A auf, in das ein entsprechendes Gegenstück (nicht gezeigt) formschlüssig aufgesteckt werden kann, zum Beispiel um ein Stellglied (nicht gezeigt) mechanisch mit dem Abtriebsrad 102 zu koppeln.
Im Beispiel der 2a, 2b ist der Magnet 108 ringförmig und weist in seiner Mitte eine Öffnung 202 auf, die dazu eingerichtet ist, auf die Abtriebswelle 106 aufgesteckt zu werden. Der Magnet 108 weist einen ringscheibenförmigen Hauptkörper 108A und einen hervorstehenden Abschnitt 108B auf, der sich entlang eines Innenumfangs des Magneten 108 vollständig um die Öffnung 202 und damit um die Außenseite der Abtriebswelle 106 herum erstreckt. Der hervorstehende Abschnitt 108B ist auf einer Stirnseite 108C des Hauptkörpers 108A entlang des Randes der Öffnung 202 angeordnet und erstreckt sich in axialer Richtung von der Stirnseite 108C weg, so dass der Magnet wie in 2a gezeigt einen L-förmigen Querschnitt aufweist.
Ein Außendurchmesser des Magneten 108 ist geringfügig kleiner als ein Durchmesser der Vertiefung, so dass der Magnet 108 durch einen schmalen Spalt 110B, z.B. mit einer Breite zwischen 0,1 mm und 2 mm, von einer Seitenwand 110A der Vertiefung 110 beabstandet ist. Auf einer Stirnseite des Abtriebsrads 102 und der Stirnseite 108C des Magneten 108 ist ein ringförmiger Niederhalter 112 angeordnet, der auf seiner Unterseite einen umlaufenden Energierichtungsgeber 112A aufweist, der sich in den Spalt 110B hinein erstreckt und mit einer Oberkante der Seitenwand 110A der Vertiefung 110 verschweißt ist, um den Magneten 108 in der Vertiefung 110 zu befestigen.
Ein Innendurchmesser des Magneten 108 ist geringfügig größer als ein Außendurchmesser der Abtriebswelle 106, so dass der Magnet 108 durch einen schmalen Spalt, z.B. mit einer Breite zwischen 0,1 mm und 2 mm, von der Außenseite der Abtriebswelle 106 beabstandet ist. Auf der Außenseite der Abtriebswelle 106 sind rippenförmige Zentrierelemente 204 angeordnet, die dazu eingerichtet sind, mit dem Innenumfang des Magneten 108 in Kontakt kommen, wenn der Magnet 108 auf die Abtriebswelle 106 aufgesteckt wird, und den Magneten 108 relativ zu der Drehachse 104 zu zentrieren.
Der Magnet 108 weist an seinem Innenumfang eine Verdrehsicherung auf, die zwei auf gegenüberliegenden Seiten der Öffnung 202 angeordnete Vorsprünge oder Ausbuchtungen 206A an dem Innenumfang des Magneten 108 umfasst. Jede der Ausbuchtungen 206A weist senkrecht zu der Drehachse 104 einen kreissegmentförmigen Querschnitt auf und erstreckt sich in axialer Richtung über die gesamte Höhe des Magneten von dem Hauptkörper 108A entlang einer Seitenwand des hervorstehenden Abschnitts 108B bis zu dem distalen Ende des hervorstehenden Abschnitts 108B. Die Öffnung 202 weist entsprechend über ihre gesamte Länge einen gleichbleibenden Querschnitt auf. Die Ausbuchtungen 206A weisen zwei zueinander parallele, ebene Flächen auf, die sich parallel zu der Drehachse erstrecken. Die Ausbuchtungen 206A sind dazu eingerichtet, jeweils mit einer entsprechenden geformten Verdrehsicherungsrippe 206B an der Außenseite der Abtriebswelle 106 ineinander zu greifen, um den Magneten 108 drehfest und mit einer vorgegebenen Orientierung in der Vertiefung 110 zu halten.
Im Beispiel der 2b ist der Magnet 108 so diametral magnetisiert, dass eine Magnetisierungsachse 208 des Magneten 108 senkrecht zu der Drehachse 104 sowie senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen den Ausbuchtungen 206A verläuft. Die Magnetisierungsachse 208 kann insbesondere parallel zu den ebenen Flächen der Ausbuchtungen 206A verlaufen.
3 zeigt eine Anordnung 300 zur Bestimmung der Drehwinkelstellung eines drehbaren Bauteils in einem Stellantrieb gemäß einem Beispiel im Querschnitt. Die Anordnung 300 umfasst das drehbare Bauteil 200 aus 2a, 2b sowie eine Leiterplatte 302, die sich senkrecht zu der Drehachse 104 zu dem drehbaren Bauteil 200 hin bis über eine Stirnseite des Abtriebsrads 102 erstreckt.
Auf der Leiterplatte 302 ist ein Magnetfeldsensor 304 sowie eine Steuereinheit 306 angeordnet. Der Magnetfeldsensor 304 kann zum Beispiel ein Hall-Sensor sein und ist dazu eingerichtet, eine Stärke des von dem Magneten 108 auf dem drehbaren Bauteil 200 erzeugten Magnetfelds zu messen, und ein entsprechendes Sensorsignal an die Steuereinheit 306 zu übermitteln. Die Steuereinheit 306 ist dazu eingerichtet, anhand der von dem Magnetfeldsensor 304 gemessenen Stärke des Magnetfelds die Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils 200 relativ zu der Drehachse 104 zu bestimmen. Die Steuereinheit 306 kann als Hardware und/oder Software implementiert sein und beispielsweise einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Speichermedium umfassen, wobei das Speichermedium Programmbefehle enthält, die von dem Prozessor ausgeführt werden können, um die hier beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Die Steuereinheit 306 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, das in 5 gezeigte Verfahren 500 ganz oder teilweise auszuführen.
Der Magnetfeldsensor 304 ist gegenüber dem Magneten 108 entlang der Drehachse 104 in Richtung des hervorstehenden Abschnitts 108B des Magneten 108 versetzt und zudem in radialer Richtung von der Drehachse 104 versetzt. Der Magnetfeldsensor 304 befindet sich in axialer Richtung vollständig oberhalb der Stirnseite 108C des Magneten 108, auf dem der hervorstehende Abschnitt 108B angeordnet ist, so dass der Magnetfeldsensor 304 und der Hauptkörper 108A des Magneten 108 in axialer Richtung nicht überlappen. Der Abstand des Magnetfeldsensors 304 von der Drehachse 104 ist so gewählt, dass eine Oberfläche oder Unterseite des Magnetfeldsensors 304 einer Stirnseite des Abtriebsrads 102 und der Stirnseite 108C des Magneten 108 zugewandt ist und der Magnetfeldsensor 304 sich in radialer Richtung von einer Position über der Stirnseite 108C des Magneten 108 über den Außenumfang des Magneten 108 hinaus zu einer Position über einer Randfläche der Vertiefung 110 in der Stirnseite des Abtriebsrads 102 erstreckt. Der Mittelpunkt oder Messpunkt des Magnetfeldsensors 304 kann sich beispielsweise wie in 3 gezeigt in dem gleichen Abstand von der Drehachse 104 befinden wie der Außenumfang des Magneten 108.
Der hervorstehenden Abschnitt 108B erstreckt sich von der Stirnseite 108C des Magneten parallel zu der Drehachse bis über die dem Magneten 108 zugewandte Unterseite des Magnetfeldsensors 304 hinaus in den Zwischenraum zwischen dem Magnetfeldsensor 304 und der Drehachse 104, so dass der hervorstehende Abschnitt 108B und der Magnetfeldsensor 304 in axialer Richtung teilweise überlappen und das distale Ende des hervorstehenden Abschnitts 108B in radialer Richtung zwischen dem Magnetfeldsensor 304 und der Drehachse 104 angeordnet ist. Beispielsweise kann das distale Ende des hervorstehenden Abschnitts 108B wie in 3 gezeigt in der gleichen Ebene senkrecht zu der Drehachse 104 liegen wie der Mittelpunkt des Magnetfeldsensors 304.
Der Magnetfeldsensor 304 umfasst vorzugsweise zwei Sensorelemente (nicht gezeigt), zum Beispiel zwei Hall-Elemente, für eine differentielle Messung des Magnetfelds. Die Sensorelemente können voneinander beabstandet auf einem Kreis um die Drehachse 104 angeordnet sein, so dass die beiden Sensorelemente jeweils die Stärke des Magnetfelds an zwei in Umfangsrichtung versetzten Punkten mit gleichem Abstand zur Drehachse messen. Die beiden Sensorelemente können zum Beispiel in Umfangsrichtung um einen Winkel zwischen 1° und 5° relativ zur Drehachse versetzt sein und in einem Abstand zwischen 1 mm und 5 mm voneinander auf einem Kreis um die Drehachse 104 angeordnet sein. Bevorzugt sind beide Sensorelemente zweidimensionale oder dreidimensionale Hall-Elemente, die jeweils dazu eingerichtet sind, die Stärke des Magnetfelds zumindest sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung unabhängig voneinander zu messen.
Die Steuereinheit 306 kann entsprechend dazu eingerichtet sein, die Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils 200 anhand einer Differenz der von den beiden Sensorelementen gemessenen Stärken des Magnetfelds in axialer Richtung, ΔB_z = B_z(1) - B_z(2), sowie einer Differenz der von den beiden Sensorelementen gemessenen Stärken des Magnetfelds in Umfangsrichtung, ΔB_φ = B_φ(1) - Bφ(2), zu bestimmen, zum Beispiel mittels einer Kalibrierungskurve, die ein Wertepaar (ΔB_z, ΔB_φ) mit einer zugehörigen Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils 200 verknüpft. In einem Beispiel können die Stärken des Magnetfelds in axialer und azimutaler Richtung jeweils einen näherungsweise sinusförmigen Verlauf als Funktion der Drehwinkelstellung aufweisen, wobei die Stärken des Magnetfelds in axialer und azimutaler Richtung um 90° phasenverschoben sind, so dass der Drehwinkel berechnet werden kann als $φ = atan (Δ B_{φ} / Δ B_{z}) .$
4 zeigt einen Stellantrieb 400 gemäß einem Beispiel im Querschnitt. Der Stellantrieb 400 umfasst die Anordnung 300 aus 3 zur Bestimmung der Drehwinkelstellung des drehbaren Elements 200 aus 2. Das drehbare Element 200 umfasst das Abtriebsrad 102, welches in einem Gehäuse des Stellantriebs 400 drehbar gelagert ist. Hierzu kann die Abtriebswelle 106 beispielsweise an einer oder bevorzugt zwei Stellen, beispielsweise in zwei gegenüberliegenden Endabschnitten der Abtriebswelle wie in 4 dargestellt, in einer entsprechenden Lagerung oder Führung in dem Gehäuse angeordnet sein. Das Gehäuse des Stellantriebs 400 weist zudem eine Öffnung auf, in der das distale Ende der Abtriebswelle 106 mit dem Mitnahmeprofil 106A angeordnet ist, so dass das Mitnahmeprofil 106A von außen zugänglich ist, beispielsweise um ein Stellglied in das Mitnahmeprofil 106A aufzustecken und somit mit dem Abtriebsrad 102 mechanisch zu koppeln.
Der Stellantrieb 400 umfasst ferner einen Elektromotor 402 mit einem drehbar gelagerten Rotor 402A und einem Stator 402B. Der Elektromotor 402 kann beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) sein, bei dem der Rotor 402A einen oder mehrere Magnete aufweist und der Stator 402B eine Vielzahl von Phasenwicklungen, die dazu eingerichtet sind, ein zeitabhängiges Magnetfeld zu erzeugen, um den Rotor 402A in Bewegung zu versetzen. Hierzu kann beispielsweise die Steuereinheit 306 auf der Leiterplatte 302 dazu eingerichtet sein, geeignet kommutierte Antriebssignale für den Elektromotor 402 bereitzustellen. Der Rotor 402A ist über ein Getriebe 404 mechanisch mit dem Abtriebsrad 102 gekoppelt, so dass das Abtriebsrad 102 mittels des Elektromotors 402 um die Drehachse 104 gedreht werden kann. Das Getriebe 404 ist vorzugsweise ein Untersetzungsgetriebe und kann beispielsweise eine Vielzahl von Zahnrädern aufweisen, um eine Drehbewegung des Rotors 402A mit einer gewünschten Übersetzung in eine Drehbewegung des Abtriebsrads 102 und damit in eine Bewegung des Stellglieds zu übersetzen.
Wie in 4 zu sehen, ist der Platz in dem Gehäuse des Elektromotors 402 begrenzt. So ist beispielsweise weder eine Anordnung des Magnetfeldsensors 304 auf der Drehachse 104 des Abtriebsrads 102 noch in einer zur Drehachse 104 senkrechten Ebene mit dem Magneten 108 möglich. Mittels des hervorstehenden Abschnitts 108A des Magneten 108 auf dem Abtriebsrad 108 kann jedoch auch an der radial und axial versetzten Position, an der der Magnetfeldsensor 304 in dem Beispiel der 4 angeordnet ist, ein ausreichend großes Magnetfeld mit einem näherungsweise sinusförmigen Verlauf als Funktion der Drehwinkelstellung des Abtriebsrads 102 erzeugt werden wie unten in Bezug auf 6a, 6b beschrieben.
5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 500 zur Bestimmung der Drehwinkelstellung eines drehbaren Bauteils gemäß einem Beispiel. Das Verfahren 500 wird mit einem drehbaren Bauteil gemäß einer der hier beschrieben Ausführungsformen durchgeführt, beispielsweise dem drehbaren Bauteil 100 oder 200, wobei der Bauteilkörper um eine Drehachse drehbar gelagert ist, zum Beispiel in einem Stellantrieb. Das Verfahren 500 kann beispielsweise mit der Anordnung 300 aus 3 oder dem Stellantrieb 400 aus 4 durchgeführt werden.
Das Verfahren 500 umfasst in Schritt 502 das Messen einer Stärke eines Magnetfelds, das von dem Magneten 108 des drehbaren Bauteils erzeugt wird, zum Beispiel mittels des Magnetfeldsensors 304 wie oben beschrieben. Die Stärke des Magnetfelds kann insbesondere differentiell an zwei verschiedenen Positionen und/oder in zwei verschiedenen Raumrichtungen gemessen werden, vorzugsweise an zwei in Umfangsrichtung um die Drehachse 104 versetzten Positionen jeweils sowohl in axialer als auch in azimutaler Richtung.
In Schritt 504 wird dann anhand der Stärke des gemessenen Magnetfelds die Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils relativ zu der Drehachse sowie gegebenenfalls die Stellung eines mit dem drehbaren Bauteil gekoppelten Stellglieds bestimmt, zum Beispiel mittels der Steuereinheit 306 wie oben beschrieben. Hierzu kann beispielsweise eine im Voraus bestimmte Kalibrierungskurve und/oder eine bekannte funktionelle Abhängigkeit der Stärke des Magnetfelds von der Drehwinkelstellung verwendet werden, z.B. wie oben beschrieben.
6a und 6b zeigen die Stärke eines Magnetfelds, das von einem Magneten auf einem drehbaren Bauteil erzeugt wird, in axialer (B_z) und azimutaler Richtung (B_φ) als Funktion der Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils um eine Drehachse. Die Stärke des Magnetfelds wurde mit einer Anordnung ähnlich der in 3 gezeigten Anordnung 300 gemessen. 6a zeigt die gemessenen Magnetfeldstärken für ein drehbares Bauteil mit einem ringscheibenförmigen Magneten ohne hervorstehenden Abschnitt, während 6b die gemessenen Magnetfeldstärken für ein drehbares Bauteil mit einem ringscheibenförmigen Magneten mit hervorstehendem Abschnitt ähnlich dem in 2a, 2b dargestellten Bauteil 200 zeigt.
In beiden Fällen zeigen die axialen und azimutalen Magnetfeldstärken einen näherungsweise sinusförmigen Verlauf, wobei die beiden Komponenten um 90° phasenverschoben sind. In den in 6a gezeigten Verläufen für einen Magneten ohne hervorstehenden Abschnitt sind allerdings Abweichungen von einer idealen Sinuskurve zu erkennen und insbesondere die azimutale Magnetfeldstärke weist deutliche kurzwellige Oszillationen auf. Im Vergleich dazu sind die Verläufe in 6b für einen Magneten mit hervorstehenden Abschnitt glatter und damit näher an einer idealen Sinuskurve und weisen zudem eine signifikant höhere Amplitude auf. Dadurch ermöglicht das erfindungsgemäße drehbare Bauteil eine genauere und robustere Bestimmung der Drehwinkelstellung mit Hilfe einer Magnetfeldmessung, insbesondere in Stellantrieben mit kompakter Bauform.
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: Drehbares Bauteil
102: Bauteilkörper/Zahnrad/Abtriebsrad
102A: Stirnseite des Bauteilkörpers 102
104: Drehachse
106: Welle/Abtriebswelle
108: Magnet
108A: Hauptkörper des Magneten 108
108B: Hervorstehenden Abschnitt des Magneten 108
108C: Stirnseite des Magneten 108
110: Vertiefung
112: Niederhalter
d: Dicke des Magneten 108
h: Höhe des hervorstehenden Abschnitts 108B
200: Drehbares Bauteil
106A: Mitnahmeprofil
110A: Seitenwand der Vertiefung 110
110B: Spalt
112A: Energierichtungsgeber
202: Öffnung
204: Zentrierrippen
206A: Vorsprung
206B: Verdrehsicherungsrippen
208: Magnetisierungsachse
300: Anordnung
302: Leiterplatte
304: Magnetfeldsensor
306: Steuereinheit
400: Stellantrieb
402: Elektromotor
402A: Rotor
402B: Stator
404: Getriebe
500: Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkelstellung eines drehbaren Bauteils
502: Messen der Magnetfelds
504: Bestimmen der Drehwinkelstellung

Claims

Drehbares Bauteil (100, 200) zur Verwendung in einem Stellantrieb (400), umfassend: einen Bauteilkörper (102), der dazu eingerichtet ist, in dem Stellantrieb (400) um eine Drehachse (104) drehbar gelagert zu werden; und einen Magneten (108) zur Bestimmung der Drehwinkelstellung des Bauteilkörpers (102) relativ zu der Drehachse (104), wobei der Magnet (108) an dem Bauteilkörper (102) befestigt ist und sich in Umfangsrichtung um die Drehachse (104) herum erstreckt, gekennzeichnet dadurch, dass der Magnet (108) einen hervorstehenden Abschnitt (108B) aufweist, der auf einer Stirnseite (108C) des Magneten (108), die sich senkrecht zu der Drehachse (104) erstreckt, hervorsteht und sich in Umfangsrichtung um die Drehachse (104) herum erstreckt.
Bauteil (200) nach Anspruch 1, wobei der hervorstehende Abschnitt (108B) sich entlang eines Innenumfangs oder eines Außenumfangs des Magneten (108) erstreckt.
Bauteil (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der hervorstehende Abschnitt (108B) auf einer wenigstens teilweise freiliegenden Stirnseite (108C) des Magneten (108) angeordnet ist.
Bauteil (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Höhe (h) des hervorstehenden Abschnitts (108B), die in einer Richtung parallel zu der Drehachse (104) und von der Stirnseite (108C) des Magneten (108) ab gemessen wird, zwischen 30% und 150% einer Dicke (d) des Magneten (108) parallel zu der Drehachse (104) beträgt.
Bauteil (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnet (108) in einer Vertiefung (110) auf einer Stirnseite (102A) des Bauteilkörpers (102) angeordnet ist.
Bauteil (100, 200) nach Anspruch 5, wobei der hervorstehende Abschnitt (108B) in axialer Richtung über eine Oberkante der Vertiefung (110) herausragt.
Bauteil (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bauteilkörper (102) eine Welle (106) aufweist, die sich entlang der Drehachse (104) durch eine Öffnung (202) in dem Magneten (108) erstreckt, und der hervorstehende Abschnitt (108B) des Magneten (108) sich entlang einer Außenseite der Welle (106) um die Drehachse (104) herum erstreckt.
Bauteil (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnet (108) ringförmig oder kreisförmig ist und an seinem Innenumfang und/oder an seinem Außenumfang eine Verdrehsicherung mit einem Vorsprung (206A) und/oder einer Aussparung aufweist, wobei der Vorsprung (206A) und/oder die Aussparung mit einem entsprechenden Gegenstück (206B) an dem Bauteilkörper (102) ineinander greift.
Bauteil (200) nach Anspruch 8, wobei der Magnet (108) ringförmig ist und die Verdrehsicherung zwei Vorsprünge (206A) auf gegenüberliegende Seiten des Innenumfangs des Magneten (108) umfasst.
Bauteil (200) nach Anspruch 9, wobei der Magnet (108) diametral magnetisiert ist und eine Magnetisierungsachse (208) des Magneten (108) senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen den zwei Vorsprüngen (206A) der Verdrehsicherung ist.
Bauteil (200) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Vorsprung (206A) und/oder die Aussparung der Verdrehsicherung zumindest teilweise auf einer Seitenwand des hervorstehenden Abschnitts (108B) des Magneten (108) angeordnet ist.
Bauteil (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bauteilkörper (102) ein Zahnrad ist.
Bauteil (100, 200) nach Anspruch 12, wobei der Bauteilkörper (102) ein Abtriebsrad für den Stellantrieb (400) ist.
Anordnung (300) zur Bestimmung der Drehwinkelstellung eines drehbaren Bauteils in einem Stellantrieb (400), umfassend: ein drehbares Bauteil (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; einen Magnetfeldsensor (304), der dazu eingerichtet ist, eine Stärke eines von dem Magneten (108) erzeugten Magnetfelds zu messen; und eine Steuereinheit (306), die dazu eingerichtet ist, anhand der von dem Magnetfeldsensor (304) gemessenen Stärke des Magnetfelds die Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils (100, 200) relativ zu der Drehachse (104) zu bestimmen.
Anordnung (300) nach Anspruch 14, wobei der Magnetfeldsensor (304) in axialer Richtung relativ zu dem Magneten (108) auf derselben Seite wie der hervorstehende Abschnitt des Magneten (108) angeordnet ist.
Anordnung (300) nach Anspruch 15, wobei der hervorstehende Abschnitt (108B) und der Magnetfeldsensor (304) bei Projektion in radialer Richtung zumindest teilweise überlappen.
Anordnung (300) nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Magnet (108) und der Magnetfeldsensor (304) bei Projektion in axialer Richtung zumindest teilweise überlappen.
Anordnung (300) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei der Magnetfeldsensor (304) in radialer Richtung von der Drehachse (104) entfernt angeordnet ist und der hervorstehenden Abschnitt (108B) des Magneten (108) in radialer Richtung zwischen dem Magnetfeldsensor (304) und der Drehachse (104) angeordnet ist.
Anordnung (300) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei der Magnetfeldsensor (304) zwei Sensorelemente umfasst, die in Umfangsrichtung um die Drehachse (104) versetzt angeordnet sind und jeweils dazu eingerichtet sind, eine Stärke des von dem Magneten (108) erzeugten Magnetfelds zu messen, wobei die Steuereinheit (306) dazu eingerichtet ist, die Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils (100, 200) anhand einer Differenz der von den beiden Sensorelementen gemessenen Stärken des Magnetfelds zu bestimmen.
Anordnung (300) nach Anspruch 19, wobei die beiden Sensorelemente jeweils dazu eingerichtet sind, eine Stärke des von dem Magneten (108) erzeugten Magnetfelds in wenigstens zwei zueinander senkrecht stehenden Raumkomponenten zu messen.
Anordnung (300) nach Anspruch 20, wobei die beiden Sensorelemente jeweils dazu eingerichtet sind, eine Stärke des von dem Magneten (108) erzeugten Magnetfelds in axialer Richtung und eine Stärke des von dem Magneten (108) erzeugten Magnetfelds in Umfangsrichtung zu messen.
Anordnung (300) nach einem der Ansprüche 14 bis 21, ferner umfassend einen Stellantrieb (400) mit einem Elektromotor (302), wobei der Elektromotor (302) dazu eingerichtet ist, das drehbare Bauteil (100, 200) um die Drehachse (104) zu drehen, und das drehbare Bauteil (100, 200) ein Abtriebsrad des Stellantriebs (400) ist, welches dazu eingerichtet ist, mit einem Stellglied mechanisch gekoppelt zu werden.
Verfahren (500) zur Bestimmung einer Drehwinkelstellung eines drehbaren Bauteils (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Bauteilkörper (102) um eine Drehachse (104) drehbar gelagert ist, das Verfahren umfassend: Messen einer Stärke eines von dem Magneten (108) erzeugten Magnetfelds; und Bestimmen der Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils (100, 200) relativ zu der Drehachse (104) anhand der Stärke des gemessenen Magnetfelds.