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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Erfassen der Drehlage einer rotierenden Welle, wie beispielsweise einer Lenkwelle einer Servolenkung oder einer Rotorwelle eines Elektromotors. In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine elektromechanische Servolenkung für ein Kraftfahrzeug, umfassend die erfindungsgemäße Sensoranordnung.
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Zur Erfassung der Drehlage werden sogenannte Rotorlagensensoren verwendet, die auf einem magnetischen Messprinzip basieren. Derartige magnetbasierte Sensoren sind jedoch empfindlich gegen äußere magnetische Störfelder, die sich signifikant auf die Messqualität auswirken.
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So offenbart beispielsweise die
DE 10 2016 009 006 A1 eine Sensoranordnung mit einem innerhalb einer drehbaren Antriebswelle positioniertem Sensorelement und einem das Sensorelement umgebenden Magnetmodul. Die Antriebswelle ist dazu konfiguriert, das Magnetmodul und das Sensorelement abzuschirmen, wohingegen das Magnetmodul dazu konfiguriert, ein Magnetfeld zu erzeugen, der von dem Sensorelement abgetastet werden kann.
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Obwohl die aus dem Stand der Technik bekannte, innerhalb der Antriebswelle angeordnete Sensoranordnung einige Vorteile aufweist, wie beispielsweise eine kompakte Bauweise, besteht weiterhin Bedarf nach einfachen und kostengünstigen Alternativen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde eine einfachere und kostengünstige Sensoranordnung zum Erfassen der Drehlage einer rotierenden Welle bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer elektromechanischen Servolenkung mit den Merkmalen der Ansprüche 12 und 13 erzielt.
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Die Unteransprüche betreffen jeweils bevorzugte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung, deren jeweilige Merkmale im Rahmen des technisch Sinnvollen ggf. auch über die Kategoriegrenzen der verschiedenen Ansprüche hinweg frei miteinander kombinierbar sind.
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist zum Erfassen der Drehlage einer rotierenden Welle geeignet, wie beispielsweise einer Lenkwelle einer Servolenkung oder einer Rotorwelle eines Elektromotors, und umfasst eine mit der rotierenden Welle drehfest angeordnete Hülse aus einem ferromagnetischem Material, wobei die Hülse einen Magneten und einen Rotorlagensensor (RPS) umfasst, der von der Hülse umschlossen und gegen äußere magnetische Störfelder abgeschirmt ist.
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Durch die ferromagnetische Hülse wird besonders wirkungsvoll die externe magnetische Induktion absorbiert, so dass der innerhalb der Hülse angeordnete Rotorlagensensor gegen äußere magnetische Störfelder abgeschirmt ist und die Signalqualität des Rotorlagensensors somit verbessert wird.
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Die Hülse besteht im Wesentlichen aus einem zylindrischen Körper, der einen Raum umschließt und an einem zur Welle fernen Ende offen ist. Dabei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Rotorlagensensor (RPS) zentrisch in dem von der Hülse umschlossenen Raum positioniert ist.
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Das ferromagnetische Material ist vorzugsweise eines ausgewählt aus der Reihe umfassend Eisen, insbesondere Stahl, Nickel, Cobalt oder eine ferromagnetische Legierung, wie beispielsweise AlNiCo.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist die Hülse an einem Endabschnitt der rotierenden Welle angeordnet. Dabei kann die Hülse direkt mit der rotierenden Welle drehfest verbunden sein.
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Besonders bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die Hülse an einem mit dem Endabschnitt der rotierenden Welle drehfest verbundenen Trägerstift angeordnet ist. Hierzu weist die rotierende Welle an ihrer Stirnfläche eine Ausnehmung auf, in die der Trägerstift eingesetzt und mit der rotierenden Welle drehfest befestigt ist.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist der Magnet entlang einer inneren Umfangsfläche, ganz besonders bevorzugt entlang der gesamten inneren Umfangsfläche der Hülse in Form eines Ringmagneten positioniert, wobei der Ringmagnet dabei diametral magnetisiert ist. Als besonders vorteilhaftes Magnetmaterial hat sich ein Kunststoff-gebundener, anisotropischer Sr-Ba-Ferritmagnet erwiesen. Aternativ kann als Magnetmaterial NdFeB oder Ferrit oder ein anderes magnetisches Komposit eingesetzt werden.
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Weiterhin hat sich als besonders vorteilhaft eine Dimensionierung gezeigt, bei der der Ringmagnet eine axiale Erstreckung aufweist, die gegenüber seinem inneren Durchmesser kleiner ist und beispielsweise ein Verhältnis von 1: 1,25 aufweist.
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Eine derart ausgebildete Sensoranordnung mit einem externen Magnetfeld von 4 mT weist die folgende magnetische Immunität auf: 1 Grad Spitze zu Spitze Winkelfehler bei einer axialen Distanz von 2 mm zwischen dem Messpunkt von der Magnetoberfläche, und 8 Grad Spitze zu Spitze Winkelfehler bei einer axialen Distanz von 8 mm zwischen der Messpunkt von der Magnetoberfläche.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsvariante ist der Magnet an einer inneren Stirnfläche der Hülse in Form eines Scheibenmagneten positioniert, wobei der Scheibenmagnet vorzugsweise aus einem Kunststoff-gebundenem Neodym-Eisen-Bor-Magneten besteht.
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Eine derart ausgebildete Sensoranordnung mit einem externen Magnetfeld von 4 mT weist die folgende magnetische Immunität auf: 2 Grad Spitze zu Spitze Winkelfehler bei einer axialen Distanz von 4 mm zwischen der Messpunkt von der Magnetoberfläche, und 13 Grad Spitze zu Spitze Winkelfehler bei einer axialen Distanz von 8 mm zwischen der Messpunkt von der Magnetoberfläche.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft zudem eine elektromechanische Servolenkung für ein Kraftfahrzeug, umfassend die erfindungsgemäße Sensoranordnung, wobei die rotierende Welle eine Lenkwelle der Servolenkung ist sowie eine elektromechanische Servolenkung für ein Kraftfahrzeug, umfassend die erfindungsgemäße Sensoranordnung, wobei die rotierende Welle eine Rotorwelle eines Elektromotors ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, die anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. In dieser zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektromechanischen Servolenkung,
- 2 eine erste Ausführungsvariante der Hülse in einer Querschnittsdarstellung,
- 3 eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer Querschnittsdarstellung,
- 4 eine zweite Ausführungsvariante der Hülse in einer perspektivischen Darstellung,
- 5 die in 4 gezeigte Hülse in einer Querschnittsdarstellung,
- 6 Diagramm mit Messwerten der magnetischen Immunität des Ringmagneten in unterschiedlichen externen magnetischen Feldern, und
- 7 Diagramm mit Messwerten der magnetischen Immunität des Scheibenmagneten in unterschiedlichen externen magnetischen Feldern..
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In der 1 ist eine schematische Darstellung einer elektromechanischen Servolenkung 1 eines Kraftfahrzeugs dargestellt, umfassend ein Lenkrad 2, das mit einer Lenkwelle 3 drehfest gekoppelt ist. Über das Lenkrad 2 bringt der Fahrer ein entsprechendes Drehmoment als Lenkbefehl in die Lenkwelle 3 ein. Das Drehmoment wird dann über die Lenkwelle 3 auf ein Lenkritzel 4 übertragen. Das Lenkritzel 4 kämmt in bekannter Weise mit einem Zahnsegment 5 einer Zahnstange 6. Das Lenkritzel 4 bildet zusammen mit der Zahnstange 6 ein Lenkgetriebe 11. Die Zahnstange 6 ist in einem Lenkungsgehäuse in Richtung ihrer Längsachse verschieblich gelagert. An ihrem freien Ende ist die Zahnstange 6 mit Spurstangen 7 über nicht dargestellte Kugelgelenke verbunden. Die Spurstangen 7 selbst sind in bekannter Weise über Achsschenkel mit je einem gelenkten Rad 8 des Kraftfahrzeugs verbunden. Eine Drehung des Lenkrades 2 führt über die Verbindung der Lenkwelle 3 und des Lenkritzels 4 zu einer Längsverschiebung der Zahnstange 6 und damit zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder 8. Die gelenkten Räder 8 erfahren über eine Fahrbahn eine Rückwirkung, die der Lenkbewegung entgegenwirkt. Zum Verschwenken der Räder 8 ist folglich eine Kraft erforderlich, die ein entsprechendes Drehmoment am Lenkrad 2 erforderlich macht. Ein Elektromotor 9 mit einem Rotorlagensensor (130 in 3) und einer Hilfskraftunterstützung 10 in Form einer Servoeinheit ist vorgesehen, um dem Fahrer bei dieser Lenkbewegung zu unterstützen. Die Hilfskraftunterstützung 10 kann dabei entweder mit einer Lenkwelle 3, dem Lenkritzel 4 oder der Zahnstange 6 gekoppelt sein. Die jeweilige Hilfskraftunterstützung 10 trägt ein Hilfskraftmoment in die Lenkwelle 3, das Lenkritzel 4 und/oder in die Zahnstange 6 ein, wodurch der Fahrer bei der Lenkarbeit unterstützt wird. Die alternativen Positionierungen der jeweiligen Hilfskraftunterstützung 10 werden in 1 durch gestrichelte Linien dargestellt.
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2 zeigt eine erste Ausführungsvariante einer Hülse 110 in einer Querschnittsdarstellung, wie sie in der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 100 zum Einsatz kommt. In der dargestellten Ausführungsvariante weist die Hülse 110 einen aus einem ferromagnetischen Material, wie beispielsweise Stahl, gebildeten zylindrischen Hauptkörper 111 auf, der einen Raum 112 umschließt und an dem zur Welle 90 fernen Ende (vgl. 3) offen ist. Entlang einer inneren Umfangsfläche 113 des zylindrischen Hauptkörpers 111 weist die Hülse 110 einen Magneten 120 auf, der in Form eines Ringmagneten 121 ausgebildet ist. Wie anhand der 2 dargestellt, erstreckt sich der Ringmagnet 121 nahezu über die gesamte innere Umfangsfläche 113 der Hülse 110. Der Ringmagnet 121 ist dabei bezüglich seiner Dimensionen derart ausgebildet, dass die axiale Erstreckung A des Ringmagneten 121 gegenüber seinem innerem Durchmesser B kleiner ist. Aber nicht unbedingt kleiner. Weiterhin ist erkennbar, dass der Abstand C zwischen Außendurchmesser und Innendurchmesser des zylindrischen Hauptkörpers 111 kleiner ist, als der Abstand D zwischen Außendurchmesser und Innendurchmesser des Ringmagneten 121. Als besonders vorteilhaftes Magnetmaterial hat sich für die dargestellte Ausführungsvariante ein Kunststoff-gebundener, anisotropischer Sr-Ba-Ferritmagnet erwiesen.
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An dem zur Welle 90 hin orientiertem Ende (vgl. 3) weist die Hülse 110 ein Befestigungselement 114 auf, das stulpenförmig ausgebildet ist, so dass die Hülse 110 beispielsweise an einer Welle 90, beispielsweise über einen Trägerstift 91 (siehe 3), angeordnet werden kann.
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3 zeigt die erfindungsgemäße Sensoranordnung 100 zum Erfassen der Drehlage der rotierenden Welle 90 gemäß einer möglichen Ausführungsvariante in einer Querschnittsdarstellung. Die Hülse 110 ist hierbei an einem Endabschnitt der rotierenden Welle 90 über den Trägerstift 91 drehfest verbunden. Hierzu weist die rotierende Welle 90 eine Ausnehmung 92 auf, in die der Trägerstift 91 eingesetzt und mit der rotierenden Welle 90 drehfest befestigt ist. Bei der rotierenden Welle 90 kann es sich beispielsweise um eine Rotorwelle des Elektromotors 9 handeln. Der Elektromotor 9 weist in einem Gehäuse (nicht dargestellt) einen gehäusefesten Stator sowie die rotierend gelagerte Rotorwelle 90 auf, deren, über ein Lager 93 gelagerter, Endabschnitt in 3 dargestellt und deren Drehlage mithilfe der Sensoranordnung 100 detektierbar ist. Hierzu weist die Sensoranordnung 100 zunächst den Ringmagneten 121 auf, der über die Hülse 110 drehfest mit der Rotorwelle 90 verbunden ist. Weiterhin weist die Sensoranordnung 100 den Rotorlagensensor 130 auf, der zentrisch in dem von der Hülse 110 umschlossenen Raum 112 gehäusefest positioniert ist. Der Rotorlagensensor 130 ist in der Lage Magnetfeldänderungen zu detektieren, welche beim Umlaufen der Rotorwelle 90 sowie des Ringmagneten 121 entstehen. Die entsprechenden Sensorsignale des Rotorlagensensors 130 werden in einer Regel- oder Steuereinheit (nicht dargestellt) ausgewertet und können zur Einstellung des Elektromotors 9 herangezogen werden. Hierzu weist der Rotorlagensensor 130 elektrische Kabel 131 auf. Dadurch, dass der Rotorlagensensor 130 von der Hülse 110 umschlossen ist, wird er wirkungsvoll gegen äußere magnetische Störfelder abgeschirmt.
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In 4 und 5 ist eine zweite Ausführungsvariante der Hülse 130 in unterschiedlichen Darstellungen gezeigt, wie sie ebenfalls in der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 100 zum Einsatz kommen kann. Die in der dargestellten Ausführungsvariante gezeigte Hülse 110 besteht ebenfalls aus einem ferromagnetischen Material, wie beispielsweise Stahl, und weist einen zylindrischen Hauptkörper 111 auf, der einen Raum 112 umschließt. Im Gegensatz zu der in 3 gezeigten Ausführungsvariante ist der Magnet 120 an einer inneren Stirnfläche 115 der Hülse 110 in Form eines Scheibenmagneten 122 positioniert. Als besonders vorteilhaftes Magnetmaterial hat sich für die dargestellte Ausführungsvariante ein Kunststoff-gebundener Neodym-Eisen-Bor-Magnet oder Ferrit erwiesen. Der Scheibenmagnet 122 ist über einen Stift 116 mit der Hülse 110 drehfest verbunden. Der Stift 116 erstreckt sich hierbei aus dem Raum 112 durch eine in der Stirnfläche 115 zentrisch angeordnete Bohrung (nicht dargestellt) entlang einer Längsachse X nach außen, wie anhand 5 gezeigt. Über den Stift 116 kann die Hülse 110 drehfest mit der Welle 90 drehfest verbunden werden.
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6 zeigt ein Diagramm, in dem der Winkelfehler des Rotorlagensensors in Abhängigkeit vom axialen Abstand zwischen Messpunkt und Magnetoberfläche angezeigt wird. Diese Messungen wurden unter Verwendung des Ringmagneten als Abschirmung für den Sensor durchgeführt. 7 zeigt andererseits die gleiche Messung, jedoch unter Verwendung der Ausführungsform mit dem Scheibenmagneten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektromechanische Servolenkung
- 2
- Lenkrad
- 3
- Lenkwelle
- 4
- Lenkritzel
- 5
- Zahnsegment
- 6
- Zahnstange
- 7
- Spurstange
- 8
- Räder
- 9
- Elektromotor
- 10
- Hilfskraftunterstützung
- 11
- Lenkgetriebe
- 90
- Welle
- 91
- Trägerstift
- 92
- Ausnehmung
- 93
- Lager
- 100
- Sensoranordnung
- 110
- Hülse
- 111
- zylindrischer Hauptkörper
- 112
- Raum
- 113
- innere Umfangsfläche
- 114
- Befestigungselement
- 115
- innere Stirnfläche
- 116
- Stift
- 120
- Magnet
- 121
- Ringmagnet
- 122
- Scheibenmagnet
- 130
- Rotorlagensensor (RPS)
- 131
- elektrische Kabel
- A
- axiale Erstreckung des Ringmagneten
- B
- innerer Durchmesser des Ringmagneten
- C
- Abstand zwischen Außendurchmesser und Innendurchmesser des zylindrischen Hauptkörpers bzw. der Hülse
- D
- Abstand zwischen Außendurchmesser und Innendurchmesser des Ringmagneten
- X
- Drehachse/Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016009006 A1 [0003]
