DE102020207225A1

DE102020207225A1 - Induktiver winkelsensor mit gestreckten spulen

Info

Publication number: DE102020207225A1
Application number: DE102020207225.6A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2021-12-09
Also published as: CN113776425A; US11747130B2; US20210381817A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen induktiven Winkelsensor mit einer Statorkomponente und einer relativ dazu, um eine gemeinsame Rotationsachse R herum, drehbaren Rotorkomponente, wobei die Rotorkomponente ein induktives Target (100) mit k-facher Symmetrie aufweist, und wobei die Statorkomponente mindestens eine erste Pickup-Einzelspule (201) mit k-facher Symmetrie und eine zweite Pickup-Einzelspule (202) mit gleicher k-facher Symmetrie aufweist, wobei die erste Pickup-Einzelspule (201) gegenüber der zweiten Pickup-Einzelspule (202) um die Rotationsachse R herum verdreht ist. Das induktive Target (100) ist entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden ersten Achse (101) gestreckt, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss des induktiven Targets (100) eine elliptische Form aufweist, und mindestens die erste Pickup-Einzelspule (201) ist entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden zweiten Achse (102) gestreckt, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der ersten Pickup-Einzelspule (201) eine elliptische Form aufweist.

Description

Das hierin beschriebene innovative Konzept betrifft einen induktiven Winkelsensor, und insbesondere einen induktiven Winkelsensor mit einem elliptischen induktiven Target und mindestens einer elliptischen Pickup-Einzelspule oder mindestens einer elliptischen Pickup-Spulenanordnung.
Induktive Winkelsensoren weisen in der Regel einen Stator sowie einen relativ dazu drehbaren Rotor auf. Der Stator kann beispielsweise als eine Leiterplatte, kurz PCB (engl.: Printed Circuit Board), ausgeführt sein. Auf dem PCB kann eine Erregerspule angeordnet sein. Die Erregerspule wird mit einem Eingangssignal, zum Beispiel mit einem Wechselstromsignal, gespeist. In Reaktion hierauf erzeugt die Erregerspule ein Magnetfeld, das aus der Erregerspule auskoppelt. Der gegenüberliegende Rotor weist ein induktives Target auf, in welches das Magnetfeld einkoppelt. In Reaktion hierauf erzeugt das induktive Target Wirbelströme, die wiederum ein sekundäres Magnetfeld erzeugen, das aus dem induktiven Target auskoppelt. Das sekundäre Magnetfeld koppelt dann in eine auf dem Stator angeordnete Pickup-Spulenanordnung ein. In Reaktion hierauf erzeugt die Pickup-Spulenanordnung ein Ausgangssignal, das den Winkel zwischen dem Stator und dem Rotor repräsentiert.
Bei diesen herkömmlichen Winkelsensoren weist das Target eine k-fache Symmetrie auf, und die Pickup-Einzelspulen einer Pickup-Spulenanordnung weisen eine dazu passende k-fache Symmetrie auf. Unter einer k-fachen Symmetrie wird eine Form der Rotationssymmetrie verstanden. Ein Körper weist eine k-fache Symmetrie auf, wenn man ihn um 360°* n / k um eine Achse drehen kann, sodass er nach der Drehung wieder gleich aussieht wie vor der Drehung (wobei n eine beliebige ganze Zahl (Integer) ist). Dies führt dazu, dass der induktive Winkelsensor eine k-fache Periode aufweist, d.h. während der Stator relativ zum Rotor eine volle Umdrehung um 360° ausführt (sogenannte mechanische Winkeldomäne) überstreicht das Target am Rotor k-mal die Windungen der k-fachen Pickup-Spule und erzeugt somit k-mal ein Winkelsignal in der sogenannten elektrischen Winkeldomäne. Dabei handelt es sich um k-mal dasselbe Winkelsignal in der elektrischen Winkeldomäne.
Dadurch kommt es bei herkömmlichen induktiven Winkelsensoren zu der Problematik, dass für eine volle Umdrehung von 360° in der mechanischen Winkeldomäne keine eindeutigen Winkelwerte in der elektrischen Winkeldomäne ausgegeben werden. Stattdessen kommen eindeutige Werte nur im Bereich von 360° / k vor. Zum Beispiel gibt ein induktiver Winkelsensor, der Spulen mit einer 3-fachen Symmetrie (k = 3) aufweist, immer dieselben Werte alle 360° / 3 = 120° aus, d.h. dieselben Winkelwerte (in der elektrischen Winkeldomäne) werden für mechanische Winkelwerte im Intervall [0°; 120°[ sowie im Intervall [120°; 240°[ und im Intervall [240°; 360°] ausgegeben.
Um diesem Umstand zu begegnen sind induktive Winkelsensoren bekannt, die nach dem Vernier-Prinzip arbeiten. Dabei werden zwei Spulen mit unterschiedlicher k-facher Symmetrie (z.B. k = 5 und k = 6) verwendet. Derartige Winkelsensoren benötigen ebenfalls zwei induktive Targets mit ebenfalls unterschiedlicher k-facher Symmetrie. Diese induktiven Targets müssen jedoch als Spulen ausgestaltet sein. Denn wenn die Targets als massive Metallformteile ausgestaltet wären, dann würden sie sich gegenseitig stören und das induktive Sensorprinzip würde in diesem Fall nicht mehr ordnungsgemäß funktionieren. Bei der Ausgestaltung der Targets in Form von Spulen tritt jedoch das Problem auf, dass diese bei hohen Drehzahlen des Rotors zu vibrieren beginnen, was auch wiederum zu Winkelfehlern führt. So kann bei induktiven Winkelsensoren der Rotor teilweise mit einer Geschwindigkeit von 360°/ 600 µs rotieren, was einer sehr hohen Rotationsgeschwindigkeit von 100.000 Umdrehungen pro Minute entspricht.
Es wäre demnach wünschenswert, einen induktiven Winkelsensoren bereitzustellen, der die vorgenannten Nachteile herkömmlicher Winkelsensoren umgeht.
Daher wird ein induktiver Winkelsensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Ausführungsformen und weitere vorteilhafte Aspekte dieses induktiven Winkelsensors sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
Demgemäß wird ein induktiver Winkelsensor vorgeschlagen, der unter anderem eine Statorkomponente und eine relativ dazu, um eine gemeinsame Rotationsachse R herum, drehbare Rotorkomponente aufweist, wobei die Rotorkomponente ein induktives Target mit k-facher Symmetrie aufweist, und wobei die Statorkomponente mindestens eine erste Pickup-Einzelspule mit k-facher Symmetrie und eine zweite Pickup-Einzelspule mit k-facher Symmetrie aufweist. Die erste Pickup-Einzelspule ist gegenüber der zweiten Pickup-Einzelspule um die Rotationsachse R herum verdreht. Das induktive Target ist entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden ersten Achse gestreckt, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss des induktiven Targets eine elliptische Form aufweist. Außerdem ist mindestens die erste Pickup-Einzelspule entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden zweiten Achse gestreckt, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der ersten Pickup-Einzelspule eine elliptische Form aufweist.
Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:

1A eine schematische Draufsicht auf ein elliptisch gestrecktes induktives Target und eine elliptisch gestreckte Spulenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
1 B-1 E eine schematische Draufsicht auf ein elliptisch gestrecktes induktives Target beziehungsweise auf eine elliptisch gestreckte Pickup-Einzelspule gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Blockdarstellung einer Auswerteschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3 einen beispielhaften Plot zweier fluktuierender Signale von zwei elliptisch gestreckten und zueinander versetzten Spulen,
4 einen beispielhaften Plot zweier fluktuierender Signale sowie eines elektrischen Winkelsignals von zwei elliptisch gestreckten und um 60° zueinander versetzten Spulen mit ungeradzahliger k-facher Symmetrie,
5 einen beispielhaften Plot zweier fluktuierender Signale und einem weiteren Signal, das das Verhältnis der beiden fluktuierenden Signale abbildet, sowie eines elektrischen Winkelsignals von zwei elliptisch gestreckten und um 60° zueinander versetzten Spulen mit ungeradzahliger k-facher Symmetrie,
6 einen beispielhaften Plot zweier fluktuierender Signale sowie eines elektrischen Winkelsignals von zwei elliptisch gestreckten und um 60° zueinander versetzten Spulen mit geradzahliger k-facher Symmetrie,
7 einen beispielhaften Plot zweier fluktuierender Signale sowie eines elektrischen Winkelsignals von zwei elliptisch gestreckten und um 90° zueinander versetzten Spulen mit ungeradzahliger k-facher Symmetrie,
8 einen beispielhaften Plot mehrerer elektrischer Winkelsignale in vier unterschiedlichen Winkelintervallen,
9 eine aus den Winkelsignalen gemäß 8 ableitbare Interpolationskurve,
10 einen Plot zweier elektrischer Winkelsignale, die eine Winkelbestimmung nach dem Vernier-Prinzip erlauben,
11A eine schematische Ansicht eines induktiven Winkelsensors mit zwei Pickup-Einzelspulen und einem massiven metallischen induktiven Target,
11B zwei demodulierte LF-Signale die von den beiden Pickup-Einzelspulen aus 11A stammen,
11C einen aus den beiden LF-Signalen aus 11B mittels einer Arcustangens-Funktion berechneten elektrischen Winkel, und
12 eine schematische Draufsicht auf eine Pickup-Spulenanordnung mit drei Pickup-Einzelspulen.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Sofern hierin von einer k-fachen Symmetrie die Rede ist, wird hierunter eine Form der Rotations- oder Drehsymmetrie verstanden. Ein Körper weist eine k-fache Symmetrie auf, wenn man ihn um 360°* n / k um eine Achse drehen kann, sodass er nach der Drehung wieder gleich aussieht wie vor der Drehung (wobei n eine beliebige ganze Zahl (Integer) ist). Außerdem zeichnet sich in der vorliegenden Offenbarung eine k-fache Symmetrie von Target und Spule in einer Winkelsensoranordnung dadurch aus, dass bei einer k-fachen Symmetrie das in einer Spule (bzw. Target) induzierte Signal identisch bleibt, wenn man die Spule (bzw. das Target) um 360° / k dreht.
Eine k-fache Symmetrie gilt, im Sinne der vorliegenden Offenbarung, auch dann als k-fache Symmetrie, wenn diese gebrochen ist, zum Beispiel durch Merkmale, die auf die (in einer Pickup-Spulenanordnung) induzierten Signale keinen Einfluss haben. Zum Beispiel könnte das Target Teile bzw. Abschnitte aufweisen, die so weit radial außen am Target angeordnet sind, dass in ihnen durch die Erregerspule keine nennenswerte Wirbelstromstärke angeregt wird (weil die Erregerspule dann eben radial kleiner wäre), und/oder dass Wirbelströme in diesen radial äußersten Teilen bzw. Abschnitten des Targets keinen nennenswerten Beitrag zum Signal in den Pickup-Spulen liefern (weil die Pickup-Spulen dann eben radial kleiner wären). Analoges gilt auch für die k-fache Symmetrie der Pickup-Einzelspulen bzw. der Pickup-Spulenanordnungen. Das heißt, die k-fache Symmetrie kann sich im Wesentlichen durch diejenige geometrische Formgebung der Abschnitte des Targets und/oder der Pickup-Spulenanordnung (bzw. der Pickup-Einzelspule) bestimmen, welche einen Beitrag zur Signalerzeugung des induktiven Winkelsensors mittels Induktion leistet. Beispielsweise wiese also ein Target und/oder eine Pickup-Spulenanordnung (bzw. eine Pickup-Einzelspule) auch dann eine k-fache Symmetrie auf, selbst wenn am äußeren Rand dieses Targets und/oder dieser Pickup-Spulenanordnung (bzw. dieser Pickup-Einzelspule) ein kleiner Fortsatz vorhanden wäre, der zwar das äußere Erscheinungsbild sowie die Formgebung dieses Targets und/oder dieser Pickup-Spulenanordnung (bzw. dieser Pickup-Einzelspule) beeinflusst, der jedoch keinen wesentlichen Einfluss auf die Signalerzeugung mittels Induktion hat.
Sofern hierin Beträge für Winkel genannt sind, so gelten diese Beträge auch in einem Toleranzbereich von ± 10% oder von ± 1°. Das heißt, auch bei Abweichungen von hierin genannten Winkeln in einem Bereich von ± 10% oder von ± 1° kann das hierin beschriebene innovative Konzept immer noch zufriedenstellende Ergebnisse liefern.
Zunächst soll zur Einführung in die hier zugrundeliegende Problematik ein induktiver Winkelsensor mit einer Pickup-Spulenanordnung mit zwei Pickup-Einzelspulen diskutiert werden. 11A zeigt eine schematische Ansicht eines solchen induktiven Winkelsensors 700.
Der Winkelsensor 700 weist eine Erregerspule 701 und eine einzelne Pickup-Spulenanordnung 702 mit zwei zueinander versetzten Pickup-Einzelspulen 703, 704 auf. Die Erregerspule 701 und die Pickup-Spulenanordnung 702 sind für gewöhnlich auf einem (hier nicht explizit dargestellten) Stator angeordnet. Der Winkelsensor 700 weist ferner ein induktives Target 705 auf. Das Target 705 ist für gewöhnlich auf einem (hier nicht explizit dargestellten) Rotor angeordnet.
Das Target 705 kann aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt und beispielsweise als ein ausgestanztes Metall-Formteil einer Dicke d ausgestaltet sein. Anstelle eines massiven Metall-Formteils kann das Target auch in Form von Rotorspulen ausgestaltet sein. In diesem Falle könnten die Rotorspulen im Wesentlichen die geometrische Form des Metall-Formteils aufweisen und wie kurzgeschlossene Spulen betrieben werden.
Das Target 705 kann eine k-fache Symmetrie aufweisen. In diesem Beispiel weist das Target 705 eine 3-fache Symmetrie mit jeweils drei Zähnen 705A und drei Lücken 705B auf. Die Lücken 705B zwischen den Zähnen 705A müssen nicht zwangsläufig dieselbe Form aufweisen wie die Zähne 705A selbst. Die Zähne 705A weisen am Außenradius eine Spannweite s auf.
Die Pickup-Einzelspulen 703, 704 am Stator können an das induktive Target 705 am Rotor angepasst sein. Das heißt, die Pickup-Einzelspulen 703, 704 können eine zur k-fachen Symmetrie des Targets 705 passende k-fache Symmetrie aufweisen. In diesem Beispiel weisen die beiden Pickup-Einzelspulen 703, 704 jeweils eine 3-fache Symmetrie auf. Es sind zwar pro Pickup-Einzelspule 703 sechs Windungen vorhanden. Allerdings sind jeweils zwei nebeneinanderliegende Windungen 703A, 703B in zueinander entgegengesetzte Richtungen gewickelt. Das heißt, die Pickup-Spulenanordnung 703 muss um 360° / 3 = 120° (mit k = 3) gedreht werden, damit Windungen mit gleicher Wicklungsrichtung wieder einander gegenüberliegen.
In der in 11A gezeigten Anordnung weisen demnach also beide abgebildeten Pickup-Einzelspulen 703, 704 jeweils eine 3-fache Symmetrie auf. Würde man also eine der hier abgebildeten Pickup-Einzelspulen 703, 704 um 360° / 6 = 60° drehen, so wären zwar deren jeweilige Leiterschleifen bzw. Windungen wieder deckungsgleich, aber der Orientierungssinn (Wicklungsrichtung) jeder Einzelschleife bzw. Einzelwindung wäre in diesem Fall entgegengesetzt. Die Pickup-Einzelspule 703 muss also um 360°/3 = 120° gedreht werden, damit die Einzelwindungen wieder deckungsgleich wären und auch denselben Orientierungssinn aufwiesen, sodass die Pickup-Einzelspule 703 dementsprechend auch wieder das gleiche Signal liefert. Daher weisen die beiden abgebildeten Pickup-Einzelspulen 703, 704 also eine 3-fache Symmetrie auf (d.h. k = 3), obwohl sie auf den ersten Blick so aussehen, als würden sie eine 6-fache Symmetrie (d.h. k = 6) aufweisen.
Diese Anordnung mit zwei nebeneinander liegenden Windungen 703A, 703B mit entgegengesetzter Wicklungsrichtung dient dazu, um homogene äußere Magnetfelder (Störfelder) sowie symmetrische Störfelder der Erregerspule 701 zu kompensieren. Derartige Pickup-Einzelspulen 703, 704 werden daher auch als astatisch bezeichnet.
Astatische Pickup-Spulen kennzeichnen sich u.a. dadurch, dass sie eine gerade Anzahl an Windungen aufweisen, wobei die geradzahligen Windungen in eine erste Wicklungsrichtung (z.B. im Uhrzeigersinn) und die jeweils dazwischenliegenden ungeradzahligen Windungen in eine entgegengesetzte zweite Wicklungsrichtung (z.B. entgegen dem Uhrzeigersinn) gewickelt sind. Dies führt nun dazu, dass bei homogenen Störmagnetfeldern die erste Hälfte einer astatischen Pickup-Einzelspule 703 ein erstes Signal und die zweite Hälfte dieser astatischen Pickup-Einzelspule 703 ein zweites Signal liefert, wobei das zweite Signal aufgrund der gegensinnigen Wicklungsrichtung gegenüber dem ersten Signal invertiert ist. Selbiges gilt in diesem Beispiel für die hier abgebildete zweite astatische Pickup-Einzelspule 704, deren erste Hälfte in diesem Beispiel ein drittes Signal und deren zweite Hälfte aufgrund der gegensinnigen Wicklungsrichtung ein dazu invertiertes viertes Signal liefert. Aufgrund dieser invertierten Anordnung heben sich induzierte Signale, die auf räumlich konstante Störfelder zurückzuführen sind, auf.
Jede der Pickup-Einzelspulen 703, 704 erzeugt in Reaktion auf das von dem Target 705 ausgehende sekundäre Magnetfeld ein entsprechendes Ausgangssignal. Dabei kann es sich um Ausgangsspannungssignale handeln. Diese hochfrequenten Ausgangssignale sind amplitudenmoduliert und variieren mit der aktuellen Drehposition des Rotors relativ zum Stator. Diese amplitudenmodulierten HF-Signale können demoduliert werden. Die demodulierten LF-Signale der beiden astatischen Pickup-Einzelspulen 703, 704 sind zumindest näherungsweise Sinus- bzw. Cosinus-förmig, ebenfalls wieder in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel des Rotors relativ zum Stator. Die astatischen Pickup-Einzelspulen 703, 704 werden somit gelegentlich auch als Sinus-Pickup-Spule bzw. Cosinus-Pickup-Spule bezeichnet. Sinus und Cosinus sind in diesem Beispiel natürlich beliebig vertauschbar.
Die erste und die zweite Pickup-Einzelspule 703, 704 sind außerdem um einen geometrischen Versatzwinkel α zueinander versetzt angeordnet. Dieser Versatzwinkel hängt unter anderem von der Variablen k der k-fachen Symmetrie der Pickup-Einzelspulen 703, 704 ab.
Die Windungen 703A, 703B einer jeweiligen Pickup-Einzelspule 703 können außerdem einen Windungswinkel β aufweisen.
Die Erregerspule 701 sowie die Pickup-Einzelspulen 703, 704 sind rotationssymmetrisch um eine gemeinsame Rotationsachse R herum angeordnet. Die Erregerspule 701 ist hierbei ringförmig um die Pickup-Einzelspulen 703, 704 herum angeordnet.
Es gilt hier nochmals festzuhalten, dass der hier abgebildete induktive Winkelsensor 700 also eine Pickup-Spulenanordnung 701 mit mehreren (hier zwei) Pickup-Einzelspulen 703, 704 aufweist, die gegeneinander um einen geometrischen Versatzwinkel α um die Rotationsachse R herum verdreht sind. Jede Pickup-Einzelspule 703, 704 weist mehrere Windungen 703A, 703B auf.
Zum Betrieb des induktiven Winkelsensors 700 kann die Erregerspule 701 nun beispielsweise mit einer sinusförmigen Spannung von zirka 1 V bei einer Frequenz von 4 MHz beaufschlagt werden. Dies erzeugt ein magnetisches Wechselfeld (primäres Magnetfeld) im Target 705, das wiederum Wirbelströme im Target erzeugt. Diese Wirbelströme erzeugen ihrerseits wiederum ein magnetisches Feld (sekundäres Magnetfeld), das in die Pickup-Einzelspulen 703, 704 einkoppelt-und dort entsprechende elektrische Spannungen erzeugt. Die Spannungen der jeweiligen Pickup-Einzelspulen 703, 704 werden gemessen. Da die Spannungswerte abhängig von der Position des Rotors relativ zum Stator sind, können diese als Maß für den Rotationswinkel zwischen dem Rotor und dem Stator dienen. Dabei handelt es sich um amplitudenmodulierte Signale, d.h. sie weisen in diesem Fall eine Trägerfrequenz von 4 MHz auf, aber deren Amplitude variiert mit der Position des Rotors relativ zum Stator.
Die Einhüllende dieser amplitudenmodulierten HF-Signale kann ermittelt werden, beispielsweise mittels einer Demodulation der HF-Signale, zum Beispiel unter Verwendung eines phasensynchronen oder auch eines phasenasynchronen Demodulators. Diese Einhüllenden, d.h. die demodulierten LF-Signale 711, 712, sind in 11B gezeigt. Die Einhüllenden 710, 711 weisen einen Phasenversatz relativ zueinander auf, der aus der versetzten bzw. verdrehten Anordnung der beiden Pickup-Einzelspulen 703, 704 zueinander resultiert. Die Einhüllenden 710, 711 repräsentieren den Drehwinkel des Rotors relativ zum Stator in der elektrischen Winkeldomäne. Die Position des Rotors relativ zum Stator kann unter Anwendung einer Arcustanges-Funktion aus den beiden Einhüllenden 710, 711 berechnet werden, was zu dem in 11C abgebildeten Ergebnis führt.
In den 11B und 11C ist der eingangs erwähnte Nachteil bei der Bestimmung der Drehposition des Rotors relativ zum Stator zu erkennen. Bei der hier beispielhaft gezeigten 3-fachen Symmetrie weist das Winkelsignal in der elektrischen Winkeldomäne eine Periode von 360° / 3 = 120° auf. Somit kommt es alle 120° zu Doppeldeutigkeiten bei der Bestimmung der Rotorposition, d.h. der Drehposition des Rotors relativ zum Stator.
Neben den bis hierhin beschriebenen astatischen Pickup-Einzelspulen sind auch sogenannte nicht-astatische Pickup-Einzelspulen in dieser Offenbarung abgedeckt. 12 zeigt ein Beispiel einer nicht-astatischen Pickup-Spulenanordnung 800 mit drei zueinander verdreht angeordneten nicht-astatischen Pickup-Einzelspulen 801, 802, 803.
Die Pickup-Einzelspulen 801, 802, 803 können eine im Wesentlichen identische geometrische Form aufweisen. Die Pickup-Einzelspulen 801, 802, 803 sind außerdem um einem Verdrehwinkel α gegeneinander verdreht angeordnet. Wie eingangs erwähnt wurde, hängt der Verdrehwinkel α unter anderem von der k-fachen Symmetrie der Pickup-Einzelspulen 801, 802, 803 ab. Die hier gezeigten nicht-astatischen Pickup-Einzelspulen 801, 802, 803 weisen eine 6-fache Symmetrie (k = 6) auf. Bei einer ungeraden Anzahl an Pickup-Einzelspulen berechnet sich der Versatzwinkel α zu: α = 360°/k/3. Bei dem hier gezeigten Beispiel sind also je zwei benachbarte Pickup-Einzelspulen um α = 360° / 6 / 3 = 20° zueinander versetzt. Das heißt, die zweite Pickup-Einzelspule 802 ist gegenüber der ersten Pickup-Einzelspule 801 um 20° verdreht, und die dritte Pickup-Einzelspule 803 ist gegenüber der zweiten Pickup-Einzelspule 802 um 20° verdreht. Somit ist die dritte Pickup-Einzelspule 803 gegenüber der ersten Pickup-Einzelspule 801 um insgesamt 40° verdreht.
Rein der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass sich die Bestimmung des Verdrehwinkels α unterscheidet, je nachdem wie viele Pickup-Einzelspulen eine Pickup-Spulenanordnung aufweist, bzw. je nachdem wie viele zueinander phasenverschobene Signale die jeweilige Pickup-Spulenanordnung erzeugt. Beispielsweise bestimmt sich der Verdrehwinkel α bei einer Pickup-Spulenanordnung mit einer geraden Anzahl an Pickup-Einzelspulen (z.B. 11A) zu: $α = 360^{\circ} / k / M / 2 .$
Bei einer Pickup-Spulenanordnung mit einer ungeraden Anzahl an Pickup-Einzelspulen (z.B. 12) berechnet sich der Verdrehwinkel α zu: $α = 360^{\circ} / k / M .$
In den obigen Formeln gibt M die Anzahl der pro Pickup-Spulenanordnung vorhandenen Pickup-Einzelspulen an.
Im Falle von drei Pickup-Einzelspulen 801, 802, 803 können diese auch als U-Spule, V-Spule und W-Spule bezeichnet werden. Wie hier zu erkennen ist, weisen die Pickup-Einzelspulen 801, 802, 803 einfach geführte Windungen auf. Das heißt, im Gegensatz zu einer astatischen Pickup-Einzelspule weisen die hier gezeigten nicht-astatischen Pickup-Einzelspulen 801, 802, 803 keine abwechselnden Windungen mit gegensinniger Wicklungsrichtung auf. Die nicht-astatischen Pickup-Einzelspulen 801, 802, 803 sind somit nicht per se streufeldrobust.
Die Pickup-Einzelspulen 801, 802, 803 können jedoch mit einer Auswerteschaltung zur Signalverarbeitung verbunden sein. Die Auswerteschaltung kann die Differenzen von Spulenpaaren, zum Beispiel U-V, V-W, W-U berechnen, um homogene Streufelder, die auf alle Pickup-Einzelspulen 801, 802, 803 einwirken, zu kompensieren.
Da die nicht-astatischen Pickup-Einzelspulen 801, 802, 803 keine gegensinnig gewickelten Windungen aufweisen, liefert jede der Pickup-Einzelspulen 801, 802, 803 jeweils ein einzelnes Signal, d.h. es werden von den drei Pickup-Einzelspulen 801, 802, 803 insgesamt drei Signale erzeugt, wobei diese Signale zueinander phasenversetzt sind.
Wenn sich nun der Rotor mit konstanter Umlaufgeschwindigkeit dreht, dann wird in jeder der drei Pickup-Einzelspulen 801, 802, 803 ein HF-Signal erzeugt, dessen Einhüllende nahezu sinusförmig mit dem Verdrehwinkel variiert, wobei die Signale untereinander in dem hier beschriebenen Beispiel einen Phasenversatz von 360° / 6 = 60° aufweisen. Wenn sich der Rotor um 360° dreht (mechanische Winkeldomäne), dann weisen die Einhüllenden, d.h. die demodulierten LF-Signale, k Perioden auf. Das heißt, wenn der Arcustangens aus dem Verhältnis der Signale berechnet wird, dann variiert das Ergebnis um k*360°, was in diesem Fall (k = 6) dazu führt, dass in der elektrischen Winkeldomäne alle 60° Doppeldeutigkeiten bei der Bestimmung der Drehposition des Rotors relativ zum Stator auftreten.
Um diese Doppeldeutigkeiten zu vermeiden wird ein induktiver Winkelsensor gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept vorgeschlagen. 1A zeigt eine Draufsicht auf ein induktives Target 100, das in einem solchen induktiven Winkelsensor eingesetzt werden kann. Das Target 100 kann auf einer Rotorkomponente des Winkelsensors angeordnet sein. Die Rotorkomponente bzw. das induktive Target 100 ist drehbar um eine Rotationsachse R (hier: z-Achse) herum angeordnet.
Das induktive Target 100 weist in diesem nicht-limitierenden Beispiel eine 6-fache Symmetrie (k = 6) auf, wobei sechs identische Rotorblätter mit jeweils einem Öffnungswinkel von γ = 30° symmetrisch um das Zentrum des Rotors bzw. um die Rotationsachse R herum angeordnet sind. Wie hier gut zu erkennen ist, ist das induktive Target 100 entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden ersten Streckachse 101 gestreckt, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss des induktiven Targets 100 eine elliptische Form aufweist. In dem hier abgebildeten Beispiel ist das induktive Target 100 entlang der y-Achse gestreckt.
In 1A ist die Streckung des induktiven Targets 100 der Anschaulichkeit wegen übertrieben dargestellt. Gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept kann der Streckungsfaktor etwa ψ_Target ≥ 1,10 betragen. Das heißt, die elliptische Form des gestreckten Targets 100 weicht entlang der Streckachse 101 um mindestens 10 % gegenüber einer Kreisform ab.
An dieser Stelle sei der Vollständigkeit halber auf die 1B bis 1E verwiesen. So ist beispielsweise in 1B zu erkennen, dass das hier rein beispielhaft und schematisch dargestellte Target 100 eine im Wesentlichen kreisrunde Form aufweist. Es wäre aber auch möglich, dass der Aussen- und/oder Innenrand des Targets 100 ein Polygonzug mit k-facher Symmetrie ist. Weiters könnten die geraden Strecken des Polygonzugs auch Bogenform haben, solange die gesamte Form die k-fache Symmetrie aufweist. Das Target 100 weist generell einen Außenumfang 121 und einen Innenumfang 122 auf. Die hier abgebildeten vier, im Wesentlichen identischen, Rotorblätter 123₁ , ..., 123₄ erstrecken sich zwischen dem Innenumfang 122 und dem Außenumfang 121. Sofern hierin von einer Streckung entlang einer Streckachse gesprochen wird, kann darunter verstanden werden, dass der Innenumfang 122 und/oder der Außenumfang 121 entlang dieser Streckachse gestreckt ist.
Zum Beispiel wäre in 1C lediglich der Außenumfang 121 entlang der eingezeichneten Streckachse 101 gestreckt. Der Innenumfang 122 kann ungestreckt bleiben. Bei dem in 1D abgebildeten Beispiel hingegen ist lediglich der Innenumfang 122 entlang der Streckachse 101 gestreckt, während der Außenumfang 121 ungestreckt bleiben kann. In 1E sind sowohl der Innenumfang 122 als auch der Außenumfang entlang der Streckachse 101 gestreckt. In allen Fällen führt die Streckung des Innen- und/oder Außenumfangs 121, 122 dazu, dass der Konturenumriss des Targets 100 eine im Wesentlichen elliptische Form aufweist.
Sofern also hierin die Rede davon ist, dass das Target 100 entlang einer Streckachse 101 gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss des Targets 100 eine elliptische Form aufweist, dann kann darunter verstanden werden, dass entweder mindestens der Außenumfang 121 oder mindestens der Innenumfang 122, oder alternativ sowohl der Außen- als auch der Innenumfang 121, 122 des Targets 100 entlang dieser Streckachse 101 gestreckt ist/sind.
Eine noch etwas präzisere Definition kann unter Verwendung der Umhüllenden des jeweiligen Zahns bzw. Rotorblatts 123₁ , ..., 123₄ gegeben werden. Es können nämlich auch sehr ähnliche Geometrien durch geringe Abweichungen von der exakten Streckung erreicht werden, was ebenfalls hierin abgedeckt ist. Beispielsweise kann ein Zahn bzw. Rotorblatt 123₁ , ..., 123₄ des Targets 100 durch exakte Streckung einen elliptischen Umfang aufweisen. Der Umfang dieses Zahns 123₁ , ..., 123₄ kann aber auch gerade gestaltet werden. Das heißt, das Target 100 könnte vor der Streckung ein Polygon als Umhüllende haben - dann würden die Zähne 123₁ , ..., 123₄ nach der Streckung wiederum gerade Außenkanten längs des Umfangs aufweisen. Entscheidend ist nur, dass die Mittelpunkte dieser Zahnflanken auf einer Ellipse liegen. Darüber hinaus könnten die Zahnflanken auch nach der Streckung kreisförmig sein, wenn sie nämlich vor der Streckung jeweils auf EIlipsenbögen gelegen hätten, mit ihren Schwerpunkten aber auf einem Kreis.
Sofern also hierin die Rede davon ist, dass das Target 100 entlang einer Streckachse 101 gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss des Targets 100 eine elliptische Form aufweist, dann kann darunter verstanden werden, dass das Target 100 vor der Streckung eine k-fache Symmetrie aufwies (nicht notwendigerweise eine kreisförmige Umhüllende) und mindestens eine der inneren und äußeren Umhüllenden gestreckt wird. Die Streckung des Targets 100 entlang einer Streckachse, so dass eine elliptische Umhüllende entsteht, hat den Vorteil, dass es zu keiner Unwucht kommt, was besonders bei hohen Drehzahlen vorteilhaft sein kann.
Ferner sei angemerkt, dass das entlang der Streckachse 101 gestreckte Target 100 aus einem Target mit nahezu perfekter k-facher Symmetrie (z.B. kreisrund) erzeugt werden kann. Dies wird hierin auch als strenge k-fache Symmetrie bezeichnet. Nach dem Strecken des Targets mit strenger k-facher Symmetrie kann der in Draufsicht gesehene Konturenumriss des Targets 100 eine elliptische Form aufweisen. Dies wird hierin auch als schwache k-fache Symmetrie bezeichnet. Schwache k-fache Symmetrie bedeutet demnach also beispielsweise, dass bei einer Drehung um 360° / k die Form abgesehen von einem Streckungsfaktor in Radialrichtung in sich selbst übergeht. Das heißt, die Form geht in eine ähnliche Form über („ähnliche“ Formen sind hier als mathematischer Begriff zu verstehen, so wie ähnliche Dreiecke). Das bedeutet, dass die Winkel vom Rotationszentrum aus gesehen gleichbleiben, jedoch die Radialabstände um einen Faktor skalieren.
Ähnlich zu dem zuvor unter Bezugnahme auf 11A diskutierten Beispiel weist der induktive Winkelsensor außerdem eine (hier nicht explizit dargestellte) Statorkomponente auf. In 1A ist auf der linken Seite schematisch eine Pickup-Spulenanordnung 200 gezeigt, die auf der Statorkomponente angeordnet sein kann. Die Pickup-Spulenanordnung 200 bzw. die Statorkomponente ist ebenfalls um die gemeinsame Rotationsachse R herum angeordnet. Die Pickup-Spulenanordnung 200 bzw. die Statorkomponente weist mindestens eine erste Pickup-Einzelspule 201 mit k-facher Symmetrie und eine zweite Pickup-Einzelspule 202 mit k-facher Symmetrie auf, wobei die erste Pickup-Einzelspule 201 gegenüber der zweiten Pickup-Einzelspule 202 um den zuvor erwähnten Verdrehwinkel α um die Rotationsachse R herum verdreht ist.
Gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept ist zumindest die erste Pickup-Einzelspule 201 entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden zweiten Streckachse 102 gestreckt, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der ersten Pickup-Einzelspule 201 eine elliptische Form aufweist. In dem hier gezeigten nicht-limitierenden Beispiel kann auch die zweite Pickup-Einzelspule 202 entlang der lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden zweiten Streckachse 102 gestreckt sein, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der zweiten Pickup-Einzelspule 202 ebenfalls eine elliptische Form aufweist. In dem hier gezeigten nicht-limitierenden Beispiel kann außerdem auch die dritte Pickup-Einzelspule 203 entlang der lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden zweiten Streckachse 102 gestreckt sein, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der dritten Pickup-Einzelspule 203 ebenfalls eine elliptische Form aufweist. In dem in 1A (links) gezeigten Ausführungsbeispiel ist also die gesamte Pickup-Spulenanordnung 200 entlang der lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden zweiten Streckachse 102 gestreckt, sodass auch alle Pickup-Einzelspulen 201, 202, 203 entlang der lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden zweiten Streckachse 102 gestreckt sind.
Für das hierin beschriebene innovative Konzept kann es aber bereits ausreichend sein, wenn nur eine einzelne der Pickup-Einzelspulen 201, 202, 203 der Pickup-Spulenanordnung 200 entlang der lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden zweiten Streckachse 102 gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der jeweiligen gestreckten Pickup-Einzelspule 201, 202, 203 eine elliptische Form aufweist. Die übrigen Pickup-Einzelspulen können nicht gestreckt sein und ihre Konturenumrisse könnten daher eine Kreisform aufweisen.
In 1A ist die Streckung der Pickup-Einzelspulen 201, 202, 203 der Anschaulichkeit wegen ebenfalls übertrieben dargestellt. Gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept kann der Streckungsfaktor etwa ψ_Spule ≥ 1,10 betragen. Das heißt, die elliptische Form der gestreckten Pickup-Einzelspule 201, 202, 203 weicht entlang ihrer Streckachse 102 um mindestens 10 % gegenüber einer Kreisform ab.
An dieser Stelle sei der Vollständigkeit halber nochmals auf die 1B bis 1E verwiesen. Das zuvor am Beispiel eines induktiven Targets 100 Gesagt kann gleichsam auch für eine Pickup-Spulenanordnung 200 sowie für eine Pickup-Einzelspule 201, 202, 203 gelten. So kann eine Pickup-Spulenanordnung 200 bzw. eine Pickup-Einzelspule 201, 202, 203 eine im Wesentlichen kreisrunde Form aufweisen (1B). Es wäre aber auch denkbar, dass der Aussen- und/oder Innenrand der Pickup-Spulenanordnung 200 bzw. der Pickup-Einzelspule 201, 202, 203 ein Polygonzug mit k-facher Symmetrie ist. Weiters könnten die geraden Strecken des Polygonzugs auch Bogenform haben, solange die gesamte Form die k-fache Symmetrie aufweist. Die Pickup-Spulenanordnung 200 bzw. die Pickup-Einzelspule 201, 202, 203 weist generell einen Außenumfang 121 und einen Innenumfang 122 auf. Die hier abgebildeten vier, im Wesentlichen identischen, Windungen 123₁ , ..., 123₄ erstrecken sich zwischen dem Innenumfang 122 und dem Außenumfang 121. Sofern hierin von einer Streckung entlang einer Streckachse gesprochen wird, kann darunter verstanden werden, dass der Innenumfang 122 und/oder der Außenumfang 121 entlang dieser Streckachse gestreckt ist.
Zum Beispiel wäre in 1C lediglich der Außenumfang 121 entlang der eingezeichneten Streckachse 102 gestreckt. Der Innenumfang 122 kann ungestreckt bleiben. Bei dem in 1D abgebildeten Beispiel hingegen ist lediglich der Innenumfang 122 entlang der Streckachse 102 gestreckt, während der Außenumfang 121 ungestreckt bleiben kann. In 1E sind sowohl der Innenumfang 122 als auch der Außenumfang entlang der Streckachse 102 gestreckt. In allen Fällen, führt die Streckung des Innen- und/oder Außenumfangs 121, 122 dazu, dass der Konturenumriss der Pickup-Spulenanordnung 200 bzw. der Pickup-Einzelspule 201, 202, 203 eine im Wesentlichen elliptische Form aufweist.
Sofern also hierin die Rede davon ist, dass die Pickup-Spulenanordnung 200 bzw. die Pickup-Einzelspule 201, 202, 203 entlang einer Streckachse 102 gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der Pickup-Spulenanordnung 200 bzw. der Pickup-Einzelspule 201, 202, 203 eine elliptische Form aufweist, dann kann darunter verstanden werden, dass entweder mindestens der Außenumfang 121 oder mindestens der Innenumfang 122, oder alternativ sowohl der Außen- als auch der Innenumfang 121, 122 der Pickup-Spulenanordnung 200 bzw. der Pickup-Einzelspule 201, 202, 203 entlang dieser Streckachse 102 gestreckt ist/sind.
Eine noch etwas präzisere Definition kann unter Verwendung der Umhüllenden der jeweiligen Windung 123₁ , ..., 123₄ gegeben werden. Es können nämlich auch sehr ähnliche Geometrien durch geringe Abweichungen von der exakten Streckung erreicht werden, was ebenfalls hierin abgedeckt ist. Beispielsweise kann eine Windung 123₁ , ..., 123₄ der Pickup-Spulenanordnung 200 bzw. der Pickup-Einzelspule 201, 202, 203 durch exakte Streckung einen elliptischen Umfang aufweisen. Der Umfang dieser Windung 123₁ , ..., 123₄ kann aber auch gerade gestaltet werden. Das heißt, das Target 100 könnte vor der Streckung ein Polygon als Umhüllende haben - dann würden die Windungen 123₁ , ..., 123₄ nach der Streckung wiederum gerade Außenkanten längs des Umfangs aufweisen. Entscheidend ist nur, dass die Mittelpunkte der äußeren Flanken der Windungen auf einer Ellipse liegen. Darüber hinaus könnten die äußeren Flanken der Windungen auch nach der Streckung kreisförmig sein, wenn sie nämlich vor der Streckung jeweils auf Ellipsenbögen gelegen hätten, mit ihren Schwerpunkten aber auf einem Kreis.
Sofern also hierin die Rede davon ist, dass die Pickup-Spulenanordnung 200 bzw. die Pickup-Einzelspule 201, 202, 203 entlang einer Streckachse 102 gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der Pickup-Spulenanordnung 200 bzw. der Pickup-Einzelspule 201, 202, 203 eine elliptische Form aufweist, dann kann darunter verstanden werden, dass die Pickup-Spulenanordnung 200 bzw. die Pickup-Einzelspule 201, 202, 203 vor der Streckung eine k-fache Symmetrie aufwies (nicht notwendigerweise eine kreisförmige Umhüllende) und mindestens eine der inneren und äußeren Umhüllenden gestreckt wird.
Ferner sei angemerkt, dass die entlang der Streckachse 102 gestreckte Pickup-Spulenanordnung 200 bzw. die Pickup-Einzelspule 201, 202, 203 aus einer Pickup-Spulenanordnung bzw. einer Pickup-Einzelspule mit nahezu perfekter k-facher Symmetrie (z.B. kreisrund) erzeugt werden kann. Dies wird hierin auch als strenge k-fache Symmetrie bezeichnet. Nach dem Strecken der Pickup-Spulenanordnung 200 bzw. der Pickup-Einzelspule 201, 202, 203 mit strenger k-facher Symmetrie kann der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der Pickup-Spulenanordnung 200 bzw. der Pickup-Einzelspule 201, 202, 203 eine elliptische Form aufweisen. Dies wird hierin auch als schwache k-fache Symmetrie bezeichnet. Schwache k-fache Symmetrie bedeutet demnach also beispielsweise, dass bei einer Drehung um 360° / k die Form abgesehen von einem Streckungsfaktor in Radialrichtung in sich selbst übergeht. Das heißt, die Form geht in eine ähnliche Form über („ähnliche“ Formen sind hier als mathematischer Begriff zu verstehen, so wie ähnliche Dreiecke). Das bedeutet, dass die Winkel vom Rotationszentrum aus gesehen gleichbleiben, jedoch die Radialabstände um einen Faktor skalieren.
Außerdem sei hier noch erwähnt, dass 1 lediglich eine schematische Darstellung ist. Die Rotationsachse R ist natürlich sowohl bei der, links im Bild gezeigten, Pickup-Spulenanordnung 200 als auch bei dem, rechts im Bild gezeigten, induktiven Target 100 dieselbe, d.h. die Pickup-Spulenanordnung 200 und das induktive Target 100 sind entlang der gemeinsamen Rotationsachse R übereinander angeordnet. Zwischen der Pickup-Spulenanordnung 200 und dem induktiven Target 100 befindet sich ein Luftspalt, der auch als Airgap bezeichnet wird.
Der induktive Winkelsensor bzw. die Statorkomponente kann ferner eine zweite (hier der Übersichtlichkeit wegen nicht explizit dargestellte) Pickup-Spulenanordnung aufweisen. Diese zweite Pickup-Spulenanordnung kann im Wesentlichen identisch zu der hier abgebildeten Pickup-Spulenanordnung 200 sein und dieselbe Anzahl an Pickup-Einzelspulen aufweisen. Zur besseren Unterscheidbarkeit werden nachfolgend die zweite Pickup-Spulenanordnung mit dem Bezugszeichen 300, und deren jeweiligen Pickup-Einzelspulen mit den Bezugszeichen 301, 302, 303 versehen.
Die beiden Pickup-Spulenanordnungen 200, 300 können um die gemeinsame Rotationsachse R herum gegeneinander verdreht sein. Mindestens eine, und in manchen Ausführungsbeispielen genau eine, der beiden Pickup-Spulenanordnungen 200, 300 kann dabei, wie soeben beschrieben, entlang der zweiten Streckachse 102 gestreckt sein und eine elliptische Form aufweisen. Die jeweils andere Pickup-Spulenanordnung 200, 300 kann nicht gestreckt sein und eine Kreisform aufweisen.
Gemäß einem derartigen Ausführungsbeispiel kann also die Statorkomponente eine erste Pickup-Spulenanordnung 200 mit mindestens zwei Pickup-Einzelspulen 201, 202 und eine dazu, um die Rotationsache R verdrehte, zweite Pickup-Spulenanordnung 300 mit ebenfalls mindestens zwei Pickup-Einzelspulen 301, 302 aufweisen. Die erste und die zweite Pickup-Einzelspule 201, 202 können hierbei zur ersten Pickup-Spulenanordnung 200 gehören, wobei die gesamte erste Pickup-Spulenanordnung 200 entlang der zweiten Achse 102 gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der gesamten ersten Pickup-Spulenanordnung 200 eine elliptische Form aufweist. Wie eingangs erwähnt, kann die zweite Pickup-Spulenanordnung 300 nicht gestreckt sein, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der zweiten Pickup-Spulenanordnung 300 eine Kreisform aufweist. Das heißt, in einem solchen Ausführungsbeispiel würde die Statorkomponente eine elliptische Pickup-Spulenanordnung 200 mit mindestens zwei Pickup-Einzelspulen 201, 202 aufweisen sowie eine nicht gestreckte kreisrunde Pickup-Spulenanordnung 300 mit ebenfalls mindestens zwei Pickup-Einzelspulen 301, 302.
Alternativ dazu kann ein weiteres denkbares Ausführungsbeispiel vorsehen, dass sowohl die erste Pickup-Spulenanordnung 200 als auch die zweite Pickup-Spulenanordnung 300 gestreckt sind und eine elliptische Form aufweisen. Da die beiden Pickup-Spulenanordnungen 200, 300 außerdem stets gegeneinander verdreht sind, und die erste Pickup-Spulenanordnung 200 entlang der zweiten Streckachse 102 gestreckt ist, kann die zweite Pickup-Spulenanordnung 300 somit also um eine entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden dritten Achse 103 gestreckt sein.
Das heißt, in einem solchen Ausführungsbeispiel könnte die Statorkomponente eine erste elliptische Pickup-Spulenanordnung 200 mit mindestens zwei Pickup-Einzelspulen 201, 202 und eine dazu, um die Rotationsache R verdrehte, zweite elliptische Pickup-Spulenanordnung 300 mit ebenfalls mindestens zwei Pickup-Einzelspulen 301, 302 aufweisen. Hierbei könnte die gesamte erste Pickup-Spulenanordnung 200 entlang der zweiten Achse 102 gestreckt sein, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der gesamten ersten Pickup-Spulenanordnung 200 eine elliptische Form aufweist, und die gesamte zweite Pickup-Spulenanordnung 300 könnte entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden dritten Achse 103 gestreckt sein, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der gesamten zweiten Pickup-Spulenanordnung 300 eine elliptische Form aufweist.
Prinzipiell könnten die zweite und die dritte Achse 102, 103 in unterschiedliche Richtungen verlaufen, sodass die erste Pickup-Spulenanordnung 200 und die zweite Pickup-Spulenanordnung 300 in jeweils unterschiedliche Richtungen gestreckt sind. Dies gilt im Allgemeinen nicht nur für die Pickup-Spulenanordnungen 200, 300, sondern auch für die erste Pickup-Einzelspule 201 und die zweite Pickup-Einzelspule 202 allgemein, ganz egal ob die beiden Pickup-Einzelspulen 201, 202 zu ein- und derselben Pickup-Spulenanordnung 200 oder zu zwei verschiedenen Pickup-Spulenanordnungen 200, 300 gehören. Das heißt, die erste Pickup-Einzelspule 201 könnte entlang der zweiten Streckachse 102 gestreckt sein, und die zweite Pickup-Einzelspule 202 könnte entlang der dritten Streckachse 103 gestreckt sein, und zwar unabhängig davon ob die beiden Pickup-Einzelspulen 201, 202 zu ein- und derselben Pickup-Spulenanordnung 200 oder zu zwei verschiedenen Pickup-Spulenanordnungen 200, 300 gehören.
Ein weiteres denkbares Ausführungsbeispiel könnte demnach also auch vorsehen, dass eine einzelne Pickup-Spulenanordnung 200 zwei, in unterschiedliche Richtungen gestreckte, Pickup-Einzelspulen 201, 202 aufweist. Das heißt, beispielsweise könnte die Statorkomponente mindestens eine, und in manchen Ausführungsbeispielen genau eine, Pickup-Spulenanordnung 200 mit mindestens zwei Pickup-Einzelspulen 201, 202 aufweisen, wobei die erste Pickup-Einzelspule 201 entlang der zweiten Achse gestreckt 102 ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der ersten Pickup-Einzelspule 201 eine elliptische Form aufweist, und wobei zusätzlich die zweite Pickup-Einzelspule 202 entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden dritten Achse 103 gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der zweiten Pickup-Einzelspule 202 ebenfalls eine elliptische Form aufweist. Da die beiden Streckachsen 102, 103, wie zuvor bereits erwähnt, in unterschiedliche Richtungen verlaufen können, können demnach also auch die beiden Pickup-Einzelspulen 201, 202 von ein und derselben Pickup-Spulenanordnung 200 in unterschiedliche Richtungen gestreckt sein.
Für alle hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele wäre es denkbar, dass die zweite und die dritte Streckachse 102, 103 in einem Winkel ε von mehr als 360° / k zueinander angeordnet sind. Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel könnten die zweite und die dritte Achse 102, 103 in einem Winkel von 20° ≤ ε ≤90°, oder in einem Winkel von ε = 60° zueinander angeordnet sein.
Die in 1, auf der linken Seite abgebildete, schematische Ansicht einer Pickup-Spulenanordnung 200 weist insgesamt nicht nur zwei sondern drei Pickup-Einzelspulen 201, 202, 203 auf. In dem in 1 gezeigten nicht-limitierenden Ausführungsbeispiel sind alle drei Pickup-Einzelspulen 201, 202, 203 in dieselbe Richtung, d.h. entlang der zweiten Streckachse 102, gestreckt. Auch hier wäre es aber alternativ durchaus denkbar, dass alle drei Pickup-Einzelspulen 201, 202, 203 in jeweils unterschiedliche Richtungen gestreckt wären.
Das heißt, in einem solchen Ausführungsbeispiel könnte die Statorkomponente demnach also beispielsweise eine einzelne Pickup-Spulenanordnung 200 mit mindestens drei in unterschiedliche Richtungen gestreckten elliptischen Pickup-Einzelspulen 201, 202, 203 aufweisen. Hierbei könnte die erste Pickup-Einzelspule 201 entlang der zweiten Achse 102 gestreckt sein, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der ersten Pickup-Einzelspule 201 eine in eine erste Richtung gestreckte elliptische Form aufweist. Gleichzeitig könnte zusätzlich die zweite Pickup-Einzelspule 202 entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden dritten Achse 103 gestreckt sein, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der zweiten Pickup-Einzelspule 202 eine in eine zweite Richtung gestreckte elliptische Form aufweist. Gleichzeitig könnte auch zusätzlich noch die dritte Pickup-Einzelspule 203 entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden vierten Achse 104 gestreckt sein, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der dritten Pickup-Einzelspule 203 eine in eine dritte Richtung gestreckte elliptische Form aufweist.
Hierbei können die zweite Achse 102, die dritte Achse 103 und die vierte Achse 104 jeweils in unterschiedliche Richtungen verlaufen, sodass die erste Pickup-Einzelspule 201, die zweite Pickup-Einzelspule 202 und die dritte Pickup-Einzelspule 203 jeweils in voneinander unterschiedliche Richtungen gestreckt sind.
Beispielsweise kann die dritte Achse 103 in einem Winkel ε₃₂ von mehr als 360° / k relativ zu der zweiten Achse 102 angeordnet sein, sodass die erste Pickup-Einzelspule 201 und die zweite Pickup-Einzelspule 202 jeweils in unterschiedliche Richtungen gestreckt und dabei jeweils um den Winkel ε₃₂ gegeneinander verdreht sind. Zusätzlich kann die dritte Achse 103 in einem Winkel ε₄₃ von mehr als 360° / k relativ zu der vierten Achse 104 angeordnet sein, sodass die zweite Pickup-Einzelspule 202 und die dritte Pickup-Einzelspule 203 jeweils in unterschiedliche Richtungen gestreckt und dabei jeweils um den Winkel ε₄₃ gegeneinander verdreht sind.
Gemäß einem denkbaren Ausführungsbeispiel kann die dritte Achse 103 in einem Winkel von 20° ≤ ε ≤ 90°, oder in einem Winkel von ε = 60°, relativ zu der zweiten Achse 102 und/oder relativ zu der vierten Achse 104 angeordnet sein.
In einem weiteren denkbaren (aber der Übersichtlichkeit wegen hier nicht explizit dargestellten) Ausführungsbeispiel kann die Statorkomponente neben den bis hierin diskutierten zwei Pickup-Spulenanordnungen 200, 300 auch noch eine dritte Pickup-Spulenanordnung mit jeweils mindestens zwei Pickup-Einzelspulen aufweisen. Diese dritte Pickup-Spulenanordnung kann im Wesentlichen identisch zu der hier abgebildeten Pickup-Spulenanordnung 200 sein und dieselbe Anzahl an Pickup-Einzelspulen aufweisen. Zur besseren Unterscheidbarkeit werden nachfolgend die dritte Pickup-Spulenanordnung mit dem Bezugszeichen 400, und deren jeweiligen Pickup-Einzelspulen mit den Bezugszeichen 401, 402, 403 versehen.
Gemäß einem denkbaren Ausführungsbeispiel können alle drei Pickup-Spulenanordnungen 200, 300, 400 in unterschiedliche Richtungen gestreckt sein. Das heißt, die Statorkomponente kann beispielsweise eine erste Pickup-Spulenanordnung 200 mit je mindestens zwei Pickup-Einzelspulen 201, 202, eine zweite Pickup-Spulenanordnung 300 mit je mindestens zwei Pickup-Einzelspulen 301, 302, und eine dritte Pickup-Spulenanordnung 400 mit je mindestens zwei Pickup-Einzelspulen 401, 402 aufweisen, wobei alle drei Pickup-Spulenanordnungen 200, 300, 400 um die Rotationsachse R herum gegeneinander verdreht sind.
Von der ersten Pickup-Spulenanordnung 200 kann mindestens eine Pickup-Einzelspule 201 entlang der zweiten Streckachse 102 gestreckt sein, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der mindestens einen Pickup-Einzelspule 201 der ersten Pickup-Spulenanordnung 200 eine elliptische Form aufweist. Alternativ dazu kann die gesamte erste Pickup-Spulenanordnung 200 entlang der zweiten Streckachse 102 gestreckt sein, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der gesamten ersten Pickup-Spulenanordnung 200 eine elliptische Form aufweist.
Von der zweiten Pickup-Spulenanordnung 300 kann mindestens eine Pickup-Einzelspule 301 entlang der dritten Streckachse 103 gestreckt sein, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der mindestens einen Pickup-Einzelspule 301 der zweiten Pickup-Spulenanordnung 300 eine elliptische Form aufweist. Alternativ dazu kann die gesamte zweite Pickup-Spulenanordnung 300 entlang der dritten Streckachse 103 gestreckt sein, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der gesamten zweiten Pickup-Spulenanordnung 300 eine elliptische Form aufweist.
Von der dritten Pickup-Spulenanordnung 400 kann mindestens eine Pickup-Einzelspule 401 entlang der vierten Streckachse 104 gestreckt sein, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der mindestens einen Pickup-Einzelspule 401 der dritten Pickup-Spulenanordnung 400 eine elliptische Form aufweist. Alternativ dazu kann die gesamte dritte Pickup-Spulenanordnung 400 entlang der vierten Streckachse 104 gestreckt sein, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der gesamten dritten Pickup-Spulenanordnung 400 eine elliptische Form aufweist.
Hierbei ist es denkbar, dass die zweite Achse 102, die dritte Achse 103 und die vierte Achse 104 jeweils in unterschiedliche Richtungen verlaufen, sodass die erste Pickup-Spulenanordnung 200, die zweite Pickup-Spulenanordnung 300 und die dritte Pickup-Spulenanordnung 400 jeweils in voneinander unterschiedliche Richtungen gestreckt sind.
Außerdem ist es denkbar, dass die dritte Achse 103 in einem Winkel ε₃₂ von mehr als 360° / k relativ zu der zweiten Achse 102 angeordnet ist, sodass die erste Pickup-Spulenanordnung 200 und die zweite Pickup-Spulenanordnung 300 jeweils in unterschiedliche Richtungen gestreckt und dabei jeweils um den Winkel ε₃₂ gegeneinander verdreht sind. Zudem kann die dritte Achse 103 in einem Winkel ε₄₃ von mehr als 360° / k relativ zu der vierten Achse 104 angeordnet sein, sodass die zweite Pickup-Spulenanordnung 300 und die dritte Pickup-Spulenanordnung 400 jeweils in unterschiedliche Richtungen gestreckt und dabei jeweils um den Winkel ε₄₃ gegeneinander verdreht sind.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die dritte Achse 103 in einem Winkel von 20° ≤ ε ≤ 90°, oder in einem Winkel von ε = 60°, relativ zu der zweiten Achse 102 und/oder relativ zu der vierten Achse 104 angeordnet sein.
In allen hierin beschriebenen Ausführungsformen kann der Streckungsfaktor ψ_Spule bei den jeweils elliptisch gestreckten Pickup-Spulenanordnungen 200, 300, 400 beziehungsweise bei den jeweils elliptisch gestreckten Pickup-Einzelspulen gleich sein, sodass alle gestreckten Pickup-Spulenanordnungen 200, 300, 400 beziehungsweise Pickup-Einzelspulen gleich stark gestreckt sind. Das heißt, der Streckungsfaktor ψ_Spule der entlang der zweiten Streckachse 102 und/oder dritten Streckachse 103 und/oder vierten Streckachse 104 gestreckten jeweiligen Pickup-Spulenanordnung 200, 300, 400 bzw. Pickup-Einzelspule kann identisch sein. Der Streckungsfaktor kann ψ_Spule ≥ 1,10 sein, sodass die elliptische Form der jeweils elliptisch gestreckten Pickup-Spulenanordnung 200, 300, 400 bzw. Pickup-Einzelspule entlang der jeweiligen Streckachse 102, 103, 104 um mindestens 10 % gegenüber einer Kreisform gestreckt ist.
Dies kann auch für das induktive Target 100 zutreffen. Das heißt, das induktive Target 100 kann einen Streckungsfaktor von ψ_Target ≥ 1,10 aufweisen, sodass die elliptische Form des induktiven Targets 100 entlang der ersten Streckachse 101 um mindestens 10 % gegenüber einer Kreisform gestreckt ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Streckungsfaktor ψ_Target des induktiven Targets 100 identisch sein zu dem Streckungsfaktor ψ_Spule der entlang der zweiten Streckachse 102 und/oder dritten Streckachse 103 und/oder vierten Streckachse 104 gestreckten jeweiligen Pickup-Spulenanordnung 200, 300, 400 bzw. Pickup-Einzelspule.
Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass der Streckungsfaktor ψ_Target bzw. ψ_Spule wenigstens so groß sein sollte, dass Toleranzen hinsichtlich Exzentrizitäten von Target 100 und Pickup-Einzelspulen sowie ein eventuelles Taumeln und Lagerspiel des Rotors deutlich kleiner sind. Wenn diese Toleranzen in Summe z.B. 0,5 mm ausmachen, so sollte (ψ - 1)*Radius (des zu streckenden Innen-bzw. Außendurchmessers) des Targets 100 (und auch der Pickup-Einzelspule) wenigsten 1,5 mm sein. Wenn also der Aussenrand des Targets 100 gestreckt wird und vor Streckung einen Radius von 15 mm hatte, so sollte also der Streckungsfaktor ψ_Target wenigstens 1,1 sein. Andererseits wird man bestrebt sein den Streckungsfaktor ψ_Target nicht unnötig groß zu machen, denn dadurch würde der Platzbedarf des Systems groß und auch die Signalqualität würde negativ beeinflusst werden, z.B. ist es nicht vorteilhaft wenn die Magnitude des Signals bei der Drehung extrem schwankt; 10 bis 20% Schwankung sind in Ordnung, aber Schwankungen von mehr als 100% sind kaum sinnvoll.
Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele mit elliptisch gestrecktem Target 100 und/oder elliptisch gestreckten Pickup-Spulenanordnungen 200, 300, 400 bzw. Pickup-Einzelspulen erlauben es, das induktive Target 100 als ein massives Metallformteil (z.B. Stanzteil) auszugestalten, welches hohe Drehzahlen aushält, und dabei gleichzeitig einen induktiven Winkelsensor bereitzustellen, der die bisherigen Doppeldeutigkeiten bei der Bestimmung der Drehposition des Rotors relativ zum Stator auflösen kann. Hierfür weist der induktive Winkelsensor gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept eine Auswerteschaltung auf, die ausgestaltet ist, um Signale der elliptisch gestreckten Pickup-Spulenanordnungen 200, 300, 400 bzw. Pickup-Einzelspulen auszuwerten und Doppeldeutigkeiten bei der Bestimmung der Drehposition deutlich zu verringern bzw. gänzlich zu unterdrücken.
Je nach Ausführungsform des induktiven Winkelsensors kann sich die Art und Weise der Bestimmung der Drehposition des Rotors relativ zum Stator unterscheiden. Daher werden im Folgenden unterschiedliche Ausführungsbeispiele für Auswerteschaltungen für die unterschiedlichen Ausführungsformen des induktiven Winkelsensors beschrieben.
Gemäß einem ersten Beispiel kann es sich um einen induktiven Winkelsensor handeln, der ein elliptisch gestrecktes induktives Target 100 sowie zwei elliptisch gestreckte Pickup-Spulenanordnungen 200, 300 mit jeweils mindestens zwei Pickup-Einzelspulen aufweist. Für die nachfolgende Erläuterung wird von Pickup-Spulenanordnungen ausgegangen, die jeweils mindestens drei Pickup-Einzelspulen aufweisen. Das hierin beschriebene Konzept ist aber generell auch für Pickup-Spulenanordnungen geeignet, die nur zwei Pickup-Einzelspulen aufweisen.
Die erste Pickup-Spulenanordnung 200 kann entlang der Streckachse 102 in eine erste Richtung gestreckt sein. Die zweite Pickup-Spulenanordnung 300 kann entlang der Streckachse 103 in eine unterschiedliche zweite Richtung gestreckt sein.
Die beiden Streckachsen 102, 103 können in einem Winkel von 20° ≤ ε ≤ 90°, oder in einem Winkel von ε = 60° zueinander angeordnet sein. Beispielsweise kann die erste Pickup-Spulenanordnung 200 in x-Richtung (0°) gestreckt sein, und die zweite Pickup-Spulenanordnung 300 kann in y-Richtung (90°) gestreckt sein. Demnach wäre die erste Pickup-Einzelspule 201 der ersten Pickup-Spulenanordnung 200 um den Winkel ε (z.B. ε = 90°) relativ zur ersten Pickup-Einzelspule 301 der zweiten Pickup-Spulenanordnung 300 versetzt, die zweite Pickup-Einzelspule 202 der ersten Pickup-Spulenanordnung 200 wäre ebenfalls um den Winkel ε (z.B. ε = 90°) relativ zur zweiten Pickup-Einzelspule 302 der zweiten Pickup-Spulenanordnung 300 versetzt, und die dritte Pickup-Einzelspule 203 der ersten Pickup-Spulenanordnung 200 wäre ihrerseits um den Winkel ε (z.B. ε = 90°) relativ zur dritten Pickup-Einzelspule 303 der zweiten Pickup-Spulenanordnung 300 versetzt.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Auswerteschaltung 500. Wie zu sehen ist, kann die Auswerteschaltung 500 mit einer ersten elliptisch gestreckten Pickup-Spulenanordnung 200 mit jeweils drei Pickup-Einzelspulen 201, 202, 203 sowie mit einer zweiten elliptisch gestreckten Pickup-Spulenanordnung 300 mit ebenfalls jeweils drei Pickup-Einzelspulen 301, 302, 303 verbunden sein. Wie eingangs bereits erwähnt wurde, erzeugt jede Pickup-Einzelspule ein Signal in der elektrischen Winkeldomäne.
Bei dem von einer Pickup-Einzelspule erzeugten Signal handelt es sich um ein Signal, das zwar von der Winkelstellung abhängt. Jedoch kann von diesem einen Signal nicht auf die Winkelstellung des Rotors relativ zum Stator zurückgeschlossen werden. Hierfür werden alle Signale aller Pickup-Einzelspulen einer kompletten Pickup-Spulenanordnung (U,V,W oder SIN, COS) benötigt, um hierüber eine Winkelstellung des Rotors relativ zum Stator abzuleiten, was hierin gelegentlich auch als Rotorposition bezeichnet wird. Bei den Signalen der Pickup-Einzelspulen handelt es sich insbesondere um amplitudenmodulierte HF-Signale, d.h. sie weisen eine bestimmte Trägerfrequenz auf, aber deren Amplitude variiert mit der Position des Rotors relativ zum Stator.
Diese amplitudenmodulierten HF-Signale können demoduliert werden. Nach dem Demodulieren der jeweiligen amplitudenmodulierten HF-Signale, zum Beispiel mittels eines phasenkohärenten Demodulators, erhält man die jeweilige Einhüllende dieser HF-Signale (siehe auch 11B). Das heißt, vor dem Demodulieren erhält man die hochfrequenten amplitudenmodulierten HF-Signale, und nach dem Demodulieren erhält man niederfrequente LF-Signale.
Die jeweiligen Einhüllenden, d.h. die demodulierten LF-Signale, können mit der Position des Rotors gegenüber dem Stator in Relation gesetzt werden, sodass basierend auf den demodulierten LF-Signalen die Rotorposition bestimmbar ist. Dies kann durch eine Berechnung des Arcustangens der zueinander phasenverschobenen LF-Signale erfolgen (siehe 11C).
Die Rotorposition kann mittels eines Winkelsignals angegeben werden. Sofern hierin von Winkelsignalen die Rede ist, sind hiermit die soeben erwähnten demodulierten LF-Signale gemeint. Ein Winkelsignal wird hierin auch als Drehwinkelsignal, oder einfach nur Drehwinkel φ (mechanische Winkeldomäne) bzw. φ' (elektrische Winkeldomäne) bezeichnet. Das LF-Winkelsignal weist eine Phase und eine Signalamplitude auf. Sofern hierin von Signalamplituden die Rede ist, ist die Signalamplitude nach der Demodulation eines amplitudenmodulierten HF-Signals einer Pickup-Einzelspule, d.h. die Signalamplitude eines demodulierten LF-Signals, gemeint.
Die Auswerteschaltung 500 kann ausgestaltet sein, um aus den drei Einzelsignalen der Pickup-Einzelspulen 201 (U1), 202 (V1), 203 (W1) der ersten Pickup-Spulenanordnung 200 einen elektrischen Drehwinkel φ1' (auch als phi1' bezeichnet) zu ermitteln. Die Auswerteschaltung 500 kann ferner ausgestaltet sein, um aus den drei Einzelsignalen der Pickup-Einzelspulen 301 (U2), 302 (V2), 303 (W2) der zweiten Pickup-Spulenanordnung 300 einen elektrischen Drehwinkel φ2' (auch als phi2' bezeichnet) zu ermitteln. Die elektrischen Drehwinkel φ1', φ2' weisen eine Periodizität von φ = 360° / k auf. Der mechanische Drehwinkel wird hierin mit φ (oder auch mit phi) bezeichnet. Der elektrische Drehwinkel wird hierin mit φ' (oder auch mit phi') bezeichnet.
Die Auswerteschaltung 500 kann ausgestaltet sein, um den ersten elektrischen Drehwinkel φ1' beispielsweise nach der folgenden Vorschrift zu ermitteln: $φ 1' = a r c t a n 2 (\sqrt{3} (V_{1} - W_{1}),2 U_{1} - V_{1} - W_{1})$
Diese Berechnungsvorschrift gilt insbesondere dann, wenn die drei Pickup-Einzelspulen 301, 302, 303 identisch sind und um 120° / k gegeneinander verdreht angeordnet sind. Außerdem gilt diese Berechnungsvorschrift insbesondere für den Fall, dass alle drei Pickup-Einzelspulen 301, 302, 303 in dieselbe Richtung um denselben Faktor gestreckt sind. Wären die Pickup-Einzelspulen 301, 302, 303 um unterschiedliche Faktoren gestreckt, so könnte man die Signale U1, V1, W1 mit geeigneten Faktoren skalieren, die zum Beispiel experimentell oder rechnerisch ermittelt werden können.
Die Auswerteschaltung 500 kann ferner ausgestaltet sein, um den zweiten elektrischen Drehwinkel φ2' beispielsweise nach der folgenden Vorschrift zu ermitteln: $φ 2' = a r c t a n 2 (\sqrt{3} (V_{2} - W_{2}),2 U_{2} - V_{2} - W_{2})$
Die Auswerteschaltung 500 kann außerdem ausgestaltet sein, um aus den drei Einzelsignalen U1, V1, W1 der Pickup-Einzelspulen 201, 202, 203 der ersten Pickup-Spulenanordnung 200 einen Amplitudenwert M1 zu ermitteln. Die Auswerteschaltung 500 kann zudem ausgestaltet sein, um aus den drei Einzelsignalen U2, V2, W2 der Pickup-Einzelspulen 301, 302, 303 der zweiten Pickup-Spulenanordnung 300 einen Amplitudenwert M2 zu ermitteln. Die Amplitudenwerte M1, M2 ändern sich in Abhängigkeit der Drehposition des Rotors relativ zum Stator aufgrund der Elliptizität des Targets 100 und der Pickup-Einzelspulen 301, 302, 303. Die Amplitudenwerte M1, M2 variieren ebenfalls gegenüber dem mechanischen Drehwinkel mit einer Periodizität von 180° (in der mechanischen Winkeldomäne). Der Grund für die 180°-Periode der Amplitudenwerte liegt darin, dass eine Drehung des Targets um 180° deren elliptische Einhüllende auf sich selbst abbildet.
Die Auswerteschaltung 500 kann beispielsweise ausgestaltet sein, um den ersten Amplitudenwert M1 nach der folgenden Vorschrift zu ermitteln: $M 1 = \sqrt{{({(\sqrt{3} (V_{1} - W_{1}))}^{2} + (2 U_{1} - V_{1} - W_{1}))}^{2}}$
Die Auswerteschaltung 500 kann beispielsweise ausgestaltet sein, um den zweiten Amplitudenwert M2 nach der folgenden Vorschrift zu ermitteln: $M 2 = \sqrt{{({(\sqrt{3} (V_{2} - W_{2}))}^{2} + (2 U_{2} - V_{2} - W_{2}))}^{2}}$
Beide Amplitudenwerte M1, M2 würden in einer Pickup-Spulenanordnung ohne Streckung (also mit kreisrunder Einhüllenden) konstant über den gesamten Winkelbereich von 0° bis 360° sein. Erst durch die Streckung des Targets 100 und der Pickup-Spulenanordnung 200, 300 kommt es zu einer sanften Variation in Abhängigkeit der Winkelstellung.
3 zeigt ein nicht limitierendes Beispiel für zwei Signale 501, 502, die von zwei Pickup-Spulenanordnungen 200, 300 stammen, wobei die erste Pickup-Spulenanordnung 200 entlang einer ersten Streckachse 102 gestreckt ist, und wobei die zweite Pickup-Spulenanordnung 300 entlang einer zweiten Streckachse 103 gestreckt ist, und wobei die beiden Streckachsen 102, 103 in einem Winkel von ε = 90° zueinander angeordnet sind. Die beiden Signale 501, 502 weisen einen Phasenversatz von 90° sowie Signalamplituden M1 und M2 auf. Der Phasenversatz resultiert aus der Verdrehung der Streckachsen 102, 103 der beiden elliptisch gestreckten Pickup-Spulenanordnungen 200, 300 um (hier rein beispielhaft genannte) 90°. Die fluktuierenden Signalamplituden M1, M2 resultieren aus der elliptischen Streckung des Targets 100 sowie der jeweiligen Pickup-Spulenanordnungen 200, 300. Die Signalamplitude M1 ist maximal, wenn die Streckungsrichtung des Targets 100 mit der Streckungsrichtung der ersten Pickup-Spulenanordnung 200 (aufweisend die Spulen U1, V1, W1) übereinstimmt, und sie ist minimal, wenn diese beiden Streckungsrichtungen orthogonal aufeinander stehen.
Die Signalamplituden M1, M2 weisen eine zweifache Periodizität innerhalb einer vollen mechanischen Umdrehung von 360° auf. Die Signalamplitude M1 weist ein erstes Minimum bei einer Rotorposition von (in diesem nicht limitierenden Beispiel) 90° sowie ein zweites Minimum bei einer Rotorposition von (in diesem nicht limitierenden Beispiel) 270° auf. Dies rührt daher, da der Rotor (in diesem nicht limitierenden Beispiel) an diesen Winkelpositionen einen maximalen Überlapp mit der ersten Pickup-Spulenanordnung 200 aufweist. Die Signalamplitude M2 weist ein erstes Minimum bei einer Rotorposition von (in diesem nicht limitierenden Beispiel) 0° bzw. 360° sowie ein zweites Minimum bei einer Rotorposition von (in diesem nicht limitierenden Beispiel) 180° auf. Dies rührt daher, da der Rotor (in diesem nicht limitierenden Beispiel) an diesen Winkelpositionen einen maximalen Überlapp mit der zweiten Pickup-Spulenanordnung 300 aufweist.
In 3 ist zu erkennen, dass an einer bestimmten Rotorposition (dargestellt durch die blaue horizontale Linie 503) zunächst noch Mehrdeutigkeiten auftreten können. An vier Positionen (dargestellt durch die blauen vertikalen Pfeile 504) weisen die Signale 501, 502 dieselbe Amplitudeninformation bzw.. dasselbe Verhältnis M1/M2 der beiden Amplituden auf.
Unter Hinzunahme der Winkelinformation, d.h. der zuvor erwähnten ermittelten elektrischen Drehwinkel φ1' und φ2', kann nun jedoch eine Eindeutigkeit bei der Bestimmung der Rotationsposition des Rotors relativ zum Stator erlangt werden. Hierzu kann die Auswerteschaltung 500 ausgestaltet sein, um die Signalamplituden M1, M2 und mindestens einen der elektrischen Drehwinkel φ1' und φ2' miteinander zu kombinieren. Beispielsweise kann die Auswerteschaltung hierfür eine Kombiniereinheit K (2) aufweisen.
4 zeigt einen beispielhaften Plot zur Veranschaulichung des Ergebnisses der soeben erwähnten Kombination von Signalamplituden M1, M2 und Drehwinkel φ1', φ2'. Dieser Plot stammt von einem induktiven Winkelsensor nach dem hierin beschriebenen innovativen Konzept, mit einem Rotor bzw. einem (noch ungestreckten) Target mit 5-facher Symmetrie (k = 5) und mit zwei elliptisch gestreckten Pickup-Spulenanordnungen 200, 300, wobei die erste Pickup-Spulenanordnung 200 entlang einer ersten Streckachse 102 gestreckt ist, und wobei die zweite Pickup-Spulenanordnung 300 entlang einer zweiten Streckachse 103 gestreckt ist, wobei die beiden Streckachsen 102, 103 in einem Winkel von ε = 60° zueinander angeordnet sind.
Wenn sich nun der Rotor bzw. das Target 100 um volle φ = 360° in der mechanischen Winkeldomäne dreht, so kann mittels einer einzelnen k-fachen Pickup-Spulenanordnung 200, 300 ein elektrischer Winkel φ' mit k-facher Periodizität ermittelt werden gemäß φ' = k* φ. Auf einen Winkelbereich von 360° eingeschränkt, gilt: $φ' = m o d (k * φ {;360}^{\circ})$
Bei der hier beispielhaft genannten 5-fachen Symmetrie (k = 5) erhält man also für eine volle Umdrehung von 360° in der mechanischen Winkeldomäne fünf Mal ein elektrisches Winkelsignal. Dies ist in 4 anhand der Sägezahnkurve 505 dargestellt. Die Sägezahnkurve 505 repräsentiert das Winkelsignal in der elektrischen Domäne, also den elektrischen Winkel φ'. Die Sägezahnkurve 505 weist aufgrund der 5-fachen Symmetrie (k = 5) fünf Peaks auf.
In 4 sind auch wieder die zwei Signale 501, 502 der beiden Pickup-Spulenanordnungen 200, 300 mit ihren jeweiligen Signalamplituden M1, M2 gezeigt. Die beiden Signale 501, 502 weisen einen Phasenversatz von (in diesem nicht limitierenden Beispiel) 60° auf. Dies resultiert aus der Verdrehung der Streckachsen 102, 103 der beiden elliptisch gestreckten Pickup-Spulenanordnungen 200, 300 relativ zueinander um (hier rein beispielhaft genannte) ε = 60°.
Die Signalamplituden M1, M2 weisen eine zweifache Periodizität innerhalb einer vollen mechanischen Umdrehung von 360° auf. Die Signalamplitude M1 weist ein erstes Minimum bei einer Rotorposition von 90° sowie ein zweites Minimum bei einer Rotorposition von 270° auf. Dies rührt daher, da der Rotor an diesen Winkelpositionen einen maximalen Überlapp mit der ersten Pickup-Spulenanordnung 200 aufweist. Die Signalamplitude M2 weist ein erstes Minimum bei einer Rotorposition von 30° sowie ein zweites Minimum bei einer Rotorposition von 210° auf. Dies rührt daher, da der Rotor an diesen Winkelpositionen einen maximalen Überlapp mit der zweiten Pickup-Spulenanordnung 300 aufweist.
Auch in 4 ist wieder, rein beispielhaft, eine bestimmte Rotorposition anhand der horizontalen Linie 503 eingezeichnet. Es ist zu erkennen, dass diese horizontale Linie 503 das Signal 501 der ersten Pickup-Spulenanordnung 200 in vier Punkten schneidet, wobei, aufgrund des Phasenversatzes von 60°, lediglich in zwei Punkten das Verhältnis zwischen den beiden Signalamplituden M1 / M2 identisch ist. Diese zwei Punkte sind mit den vertikalen Linien 504 markiert. An diesen Punkten weist jedoch die Sägezahnkurve 505 einen jeweils unterschiedlichen Wert auf, was wiederum durch die Kreise 506A, 506B dargestellt ist. Das heißt, an diesen Stellen unterscheidet sich der jeweilige elektrische Winkelwert φ' = k * φ = 5 * φ voneinander. An einer ersten Stelle 506A beträgt der elektrische Winkel φ' ≈ 110° und an einer zweiten Stelle 506B beträgt der elektrische Winkel φ' ≈ 290°. Die unterschiedlichen Winkelwerte resultieren daraus, dass das Verhältnis der Signalamplituden M1 / M2 eine Periodizität von 180° aufweist, während hingegen die Sägezahnkurve 505 des elektrischen Drehwinkels φ' eine Periodizität von 360° / 5 = 72° aufweist, was wiederum unvereinbar ist mit 180°. Das heißt, das Verhältnis M1 / M2 hat eine 2-fache Periodizität und der elektrische Drehwinkel hat eine 5-fache Periodizität und die Zahlen 2 und 5 haben keinen ganzen gemeinsamen Teiler.
Prinzipiell kann diesbezüglich festgehalten werden, dass bei ungeradzahligem Faktor k der mechanische Drehwinkel φ eindeutig im Bereich von 0° bis 360° bestimmbar ist, indem die elektrischen Drehwinkel φ1', φ2' und die Signalamplituden M1, M2 miteinander kombiniert werden. Bei geradzahligem Faktor k kann der mechanische Drehwinkel φ nur in einem Bereich von 0° bis 180° eindeutig bestimmbar sein, indem die elektrischen Drehwinkel φ1', φ2' und die Signalamplituden M1, M2 miteinander kombiniert werden.
Das hierin beschriebene Konzept funktioniert beispielweise mit drei nicht-astatischen Pickup-Einzelspulen pro Pickup-Spulenanordnung, wobei die Pickup-Einzelspulen um einen Verdrehwinkel α = 360°/k/3 gegeneinander verdreht sind. Das hierin beschriebene Konzept funktioniert außerdem mit zwei astatischen Pickup-Einzelspulen pro Pickup-Spulenanordnung, wobei die Pickup-Einzelspulen um einen Verdrehwinkel α = 360°/ k / 4 gegeneinander verdreht sind.
Etwas allgemeiner ausgedrückt funktioniert das hierin beschriebene Konzept beispielweise mit einer Pickup-Spulenanordnung mit einer ungeraden Anzahl n an Pickup-Einzelspulen, die um 1 / n-tel der Periode, d.h. um einen Verdrehwinkel α = 360°/k/n gegeneinander verdreht sind. Außerdem funktioniert das hierin beschriebene Konzept beispielweise mit einer Pickup-Spulenanordnung mit einer geraden Anzahl n an Pickup-Einzelspulen, die um 1 / (2 * n) der Periode, d.h. um einen Verdrehwinkel α = 360°/k/(2 * n) gegeneinander verdreht sind.
Gemäß denkbaren Ausführungsbeispielen kann also die Auswerteschaltung 500 ausgestaltet sein, um von der ersten Pickup-Spulenanordnung 200 ein erstes Winkelsignal φ1' und eine erste Signalamplitude M1 zu extrahieren, und um von der zweiten Pickup-Spulenanordnung 300 ein zweites Winkelsignal φ2' und eine zweite Signalamplitude M2 zu extrahieren, und um basierend auf einer Kombination des ersten und zweiten Winkelsignals φ1', φ2' sowie der ersten und zweiten Signalamplituden M1, M2 einen Rotationswinkel φ zwischen der Statorkomponente und der Rotorkomponente zu ermitteln.
In der Praxis können die Signalamplituden M1, M2 abhängig sein vom Airgap sowie von anderen Parametern, wie beispielsweise der Frequenz und der Leitfähigkeit des induktiven Targets 100, etc. Aus diesem Grund sieht ein denkbares Ausführungsbeispiel vor, die beiden Signalamplituden M1 und M2 miteinander in Relation zu setzen bzw. das Verhältnis M1 /M2 der beiden Signalamplituden zu bilden.
5 zeigt einen beispielhaften Plot, in dem das Verhältnis M1 /M2 der beiden Signalamplituden in Form der Kurve 507 dargestellt ist. Hier weisen nun jedoch nicht mehr nur zwei Punkte 506A, 506B dasselbe Amplitudenverhältnis M1 / M2 auf, sondern vier Punkte, d.h. 506A, 506B, 506C und 506D. Wie zu erkennen ist, sind all diese Punkte jedoch eindeutig, da sie sich im elektrischen Winkel phi' unterscheiden, und somit kann ein eindeutiger mechanischer Winkelwert φ abgeleitet werden.
Gemäß einem derartigen Ausführungsbeispiel kann also beispielsweise die Auswerteschaltung 500 ausgestaltet sein, um die erste und zweite Signalamplitude M1, M2 miteinander zu kombinieren, indem die erste und zweite Signalamplitude M1, M2 miteinander in Relation gesetzt werden M1 / M2, d. h. indem das Verhältnis M1 / M2 der beiden Signalamplituden gebildet wird, und um basierend auf dieser Relation M1 /M2 der Signalamplituden den Rotationswinkel φ zwischen der Statorkomponente und der Rotorkomponente zu ermitteln.
All das unter Bezugnahme auf die Auswerteschaltung 500 gesagte gilt im Übrigen auch dann, wenn lediglich nur eine der beiden Pickup-Spulenanordnungen 200, 300 elliptisch gestreckt ist und die jeweils andere der beiden Pickup-Spulenanordnungen 200, 300 nicht elliptisch gestreckt ist sondern ihre Einhüllende eine strenge k-fache Symmetrie aufweist. In diesem Fall wiese in den bisher diskutierten Plots eines der beiden Signale 501, 502 keine derartige ausgeprägte, oder aber auch gar keine, fluktuierende Signalamplitude auf, d.h. eine Signalamplitude wäre konstant über den gesamten Drehwinkel und nur die jeweils andere Signalamplitude würde, wie in den Plots dargestellt, variieren. Wenn die Auswerteschaltung 500 das Verhältnis der beiden Signalamplituden M1 /M2 bildet, dann würde die Amplitude der Kurve 507 (5) ebenfalls geringer ausfallen (in etwa halb so stark, da ja eine der beiden Signalamplituden M1, M2 nicht variiert), aber die Auswerteschaltung 500 könnte nichtsdestotrotz dasselbe Ergebnis für den mechanischen Rotationswinkel φ ermitteln. Ein Vorteil läge darin, dass die Pickup-Spulenanordnung 200, 300 ohne elliptische Streckung den elektrischen Winkel phi' = phi / k genauer bestimmen könnte, d.h. der systematische Winkelfehler wäre vermindert.
6 zeigt einen weiteren beispielhaften Plot, der die Signale eines induktiven Winkelsensors mit einem Target 100 mit 4-facher Symmetrie sowie mit zwei Pickup-Spulenanordnungen 200, 300 mit jeweils 4-facher Symmetrie zeigt. Hier ist zu erkennen, dass an den Positionen 506A, 506B jeweils derselbe elektrische Winkel φ' erkannt wird (hier: = 90°). Somit besteht hier eine Mehrdeutigkeit und die Auswerteschaltung 500 kann nicht eindeutig unterscheiden, ob es sich um Punkt 506A oder Punkt 506B handelt.
Eine Eindeutigkeit besteht bei geradzahligem Faktor k demnach also nur in einem Winkelintervall von 0° bis 180°, nicht jedoch in einem Winkelintervall von 0° bis 360°. Eine eindeutige Bestimmung des mechanischen Winkels ohne derartige Mehrdeutigkeiten ist jedoch bei ungeradzahligem Faktor k stets gegeben.
7 zeigt beispielsweise einen zu 6 vergleichbaren Plot, allerdings mit einem Target und entsprechenden elliptisch gestreckten Pickup-Spulenanordnungen mit jeweils 5-facher Symmetrie (k = 5), wobei die Streckachsen der elliptisch gestreckten Pickup-Spulenanordnungen um 90° versetzt sind. Hier ist zu erkennen, dass ein bestimmtes Amplitudenverhältnis M1 /M2 (siehe Linie 503) auf vier unterschiedliche elektrische Winkel 506A, 506B, 506C, 506D abgebildet werden kann. Hierbei befindet sich ein erster elektrischer Winkel 506A im Intervall [0°, 90°], ein zweiter elektrischer Winkel 506B befindet sich im Intervall [90°, 180°], ein dritter elektrischer Winkel 506C befindet sich im Intervall [180°, 270°], und ein vierter elektrischer Winkel 506D befindet sich im Intervall [270°, 360°]. Somit kann der mechanische Winkel φ über eine volle Umdrehung von 360° eindeutig bestimmt werden.
Die vier Werte für den elektrischen Winkel φ' sind φ0', 180° - φ0', 180° + φ0', 360° - φ0'. Der Winkelsensor, und insbesondere die Auswerteschaltung 500, kann eine Interpolations-Formel, -Tabelle, oder -Kurve verwenden, um den jeweiligen elektrischen Winkel φ0' mit dem Amplitudenverhältnis M1 / M2 in Beziehung zu setzen. 8 zeigt zunächst einen Plot des Amplitudenverhältnisses M1 / M2 für Winkelpositionen in den Intervallen [0°,90[, [90°,180°[, [180°,270°[, [270°,360°[. Für den in dem halbtransparenten Kasten 805 dargestellten Ausschnitt kann nun eine Interpolationskurve ermittelt werden, um den jeweiligen elektrischen Winkel φ0' mit dem Amplitudenverhältnis M1 /M2 in Beziehung zu setzen. In Kombination mit dem ermittelten elektrischen Winkel phi' lässt sich daraus die Winkelposition eindeutig im Intervall [0°,360°[ ermitteln.
9 zeigt eine solche Interpolationskurve 900, die von 8 abgeleitet wurde. Die Auswerteschaltung 500 ist ausgestaltet, um das Amplitudenverhältnis M1 /M2 zu berechnen. Dann kann der elektrische Winkel φ0' aus der Interpolationskurve 900 abgeleitet werden. Anschließend können die Werte für den elektrischen Winkel φ0' in den entsprechenden Intervallen φ0', 180° - φ0', 180° + φ0', 360° - φ0' berechnet werden. Anschließend können alle Werte ermittelt werden, z.B. wie folgt (hier am Beispiel: k = 5): $\begin{array}{l} abs (φ 0' - (φ' + n * 360^{\circ} / 5)) \\ abs (180^{\circ} - φ 0' - (φ' + n * 360^{\circ} / 5)) \\ abs (180^{\circ} + φ 0' - (φ' + n * 360^{\circ} / 5)) \\ abs (360^{\circ} - φ 0' - (φ' + n * 360^{\circ} / 5)) \\ \dots f \ddot{u} r n = 0, 1, 2, 3, 4. \end{array}$
Anschließend kann die Auswerteschaltung 500 den kleinsten Wert bestimmen, der in diesem Fall für n = n0 ermittelt wurde. Letztlich kann die Auswerteschaltung 500 hierüber den Rotationswinkel bestimmen gemäß: φ0' + n0 * 360°/5.
Die in 9 gezeigte Interpolationskurve 900 zeigt jedoch eine mögliche Schwierigkeit, da die rautenförmigen (blauen) Kurven 801 relativ steil sind. Das bedeutet, dass ein kleiner Fehler im Amplitudenverhältnis M1 / M2 zu großen Fehlern bei der Ermittlung des elektrischen Winkels φ0' führt, was wiederum die gesamte Winkelmessung beinträchtigen oder sogar ungültig werden lassen kann.
Dieser Umstand kann mit dem zuvor bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel eines induktiven Winkelsensors berücksichtigt werden, bei welchem eine dritte Pickup-Spulenanordnung 400 vorhanden ist. Die dritte Pickup-Spulenanordnung 400 kann identisch zur zweiten Pickup-Spulenanordnung 300 sein, wobei die dritte Pickup-Spulenanordnung 400 um die gemeinsame Rotationsachse R herum derart gegenüber der zweiten Pickup-Spulenanordnung 300 gedreht sein kann, dass in 9 ein Amplitudenverhältnis M3 / M2 durch den Wert 1 geht, wenn das Amplitudenverhältnis M1 / M2 nahe an deren Extremwerten liegt, und anders herum. Hierbei ist M3 die Amplitude des Signals der dritten Pickup-Spulenanordnung 400. Diese Phasenbeziehung kann erzielt werden, wenn M1, M2 und M3 um 120° in der elektrischen Winkeldomäne beabstandet sind, d.h. wenn je zwei benachbarte Pickup-Spulenanordnungen 200, 300, 400 um 60° in der mechanischen Winkeldomäne gegeneinander verdreht sind.
Die Amplituden der Signale der in den 8 und 9 dargestellten Kurven wurden mittels Wurzelfunktionen berechnet. Der Rechenaufwand kann jedoch reduziert werden, indem die Wurzelberechnung ersetzt wird. Beispielsweise kann anstelle der einfachen Amplitudenwerte M1, M2, M3 deren Quadrat M1^2, M2^2, M3^2 verwendet werden, was zu einer modifizierten Interpolationskurve 900 führt, die jedoch sehr ähnliche Eigenschaften aufweist.
Ein weiteres denkbares Ausführungsbeispiel mit drei Pickup-Spulenanordnungen 200, 300, 400 sieht vor, dass die Auswerteschaltung 500 nicht die Amplitudenverhältnisse berechnet sondern Differenzen der Amplituden, z.B. M1 - M2 und M2 - M3 und M3 - M1, wobei die letztgenannte Differenz aus einer Subtraktion der vorherigen Differenzen folgt, sodass diese redundant ist und weggelassen werden kann. Diese Subtraktionen sind ähnlich zu Sinuskurven mit 180° mechanischer Periodizität. Somit kann die Auswerteschaltung 500 die bereits zuvor erwähnte Arcustangens-Funktion (arctan₂) auf ebendiese Signale anwenden, und zwar in derselben Art und Weise wie es zuvor mit den Rohsignalen U1, V1, W1 erläutert wurde, um einen Winkel zu berechnen. Dieser Winkel sei nachfolgend mit φM bezeichnet. Die Auswerteschaltung kann die Winkel φ1 (von U1, V1, W1) und φM (von M1 - M2, M2 - M3, M3 - M1) miteinander kombinieren, um einen eindeutigen Winkelwert im Bereich von 0° bis 360° zu erhalten.
Gemäß einem solchen Ausführungsbeispiel kann also die Auswerteschaltung 500 ausgestaltet sein, um die erste, zweite und dritte Signalamplitude M1, M2, M3 miteinander zu kombinieren, indem mindestens die Differenz aus der ersten und zweiten Signalamplitude M1 - M2 sowie die Differenz zwischen der zweiten und dritten Signalamplitude M2 - M3 (und optional die Differenz zwischen der dritten und ersten Signalamplitude M3 - M1) gebildet werden, und um basierend auf diesen Differenzen der Signalamplituden den Rotationswinkel zwischen der Statorkomponente und der Rotorkomponente zu ermitteln.
Ein alternatives, ebenfalls weiter oben bereits strukturell beschriebenes, Ausführungsbeispiel des induktiven Winkelsensors sieht vor, dass lediglich eine einzelne Pickup-Spulenanordnung 200 vorgesehen ist. Diese einzelne Pickup-Spulenanordnung 200 kann drei Pickup-Einzelspulen 201, 202, 203 aufweisen, die gegeneinander verdreht sind. Jede dieser Pickup-Einzelspulen 201, 202, 203 kann elliptisch gestreckt sein. Ein Unterschied zu den zuvor diskutierten Ausführungsformen besteht also darin, dass alle Pickup-Einzelspulen 201, 202, 203 einer Pickup-Spulenanordnung 200 in unterschiedliche Richtungen (d.h. entlang unterschiedlicher Streckachsen) gestreckt sind, und nicht in dieselbe Richtung, was der Fall wäre, wenn die gesamte Pickup-Spulenanordnung 200 entlang einer Streckachse gestreckt wäre.
Dementsprechend kann die Auswerteschaltung 500 dazu ausgestaltet sein, ein solches System mit drei in unterschiedliche Richtungen gestreckten Pickup-Einzelspulen 201, 202, 203 zu nutzen, um den Rotationswinkel des Rotors relativ zum Stator zu ermitteln. Dies soll nachfolgend an einem nicht limitierenden Beispiel von drei Pickup-Einzelspulen U, V, W mit 5-facher Symmetrie (k = 5) diskutiert werden.
Jede dieser drei Pickup-Einzelspulen U, V, W kann einen Streckungsfaktor ψ_Spule von ψ_Spule ≥ 1,10 aufweisen, d.h. um 10% gegenüber einer Kreisform gestreckt sein. Je zwei benachbarte Pickup-Einzelspulen U, V, W können jeweils um den Verdrehwinkel α = 360° / k /3, d.h. um 360° / 5 / 3 = 24° gegeneinander verdreht sein. Die erste Pickup-Einzelspule U kann entlang einer ersten Streckachse 102 elliptisch gestreckt sein, Die zweite Pickup-Einzelspule V kann entlang einer zweiten Streckachse 103 elliptisch gestreckt sein, und die dritte Pickup-Einzelspule W kann entlang einer dritten Streckachse 104 elliptisch gestreckt sein. Je zwei benachbarte Streckachsen können in einem Winkel von 20° ≤ ε ≤ 90°, oder in diesem nicht limitierenden Beispiel in einem Winkel von ε = 60° zueinander angeordnet sein. Dementsprechend wären somit also auch jeweils zwei benachbarte Pickup-Einzelspulen in einem jeweils 60° Abstand elliptisch gestreckt. Beispielsweise könnten die erste Pickup-Einzelspule U in - 60°-Richtung, die zweite Pickup-Einzelspule V in 0° -Richtung und die dritte Pickup-Einzelspule W in + 60°-Richtung gestreckt sein.
Die Signale in den drei Pickup-Einzelspule, U, V, W könnten dabei wie folgt bestimmt werden zu: $Ut (t) = {amp + [1 + del * sin (2 * phi)] * sin (5 * phi)} * sin (2 * pi * f * t)$
$Vt (t) = {amp + [1 + del * sin (2 * (phi + kappa))] * sin (5 * (phi + 24^{\circ}))} * sin (2 * pi * f * t)$
$Wt (t) = {amp + [1 + del * sin (2 * (phi - kappa))] * sin (5 * (phi - 24^{\circ}))} * sin (2 * pi * f * t)$
Hierbei bezeichnet der Term del = 0,1 den Betrag der Streckung um 10%, phi bezeichnet den mechanischen Drehwinkel φ, kappa = 60° bezeichnet die Richtung, in die die jeweiligen Pickup-Einzelspule gestreckt ist, und der Term amp bezeichnet einen Signalanteil, der in den Pickup-Einzelspulen unabhängig von der Rotorposition induziert wird (dieser Signalanteil wird direkt von der Erregerspule in die nicht-astatischen Pickup-Einzelspulen eingekoppelt). Die 24°-Winkel stammen von der Verdrehung von je zwei benachbarten Pickup-Einzelspulen um den Faktor 360° / k / 3, und der Faktor 5 bezeichnet die k-fache Symmetrie, hier also k = 5. Der Term sin(2*pi*f*t) bezeichnet die Trägerfrequenz f = 4MHz. Es sein an dieser Stelle nochmals explizit erwähnt, dass es sich hierbei lediglich um ein nicht limitierendes Beispiel handelt, um die Berechnungsvorschriften zu erläutern. Natürlich gelten die hierin beschriebenen Berechnungsvorschriften gleichsam auch für andere als die in diesem Beispiel aufgeführten konkreten Zahlenwerte. Dies gilt insbesondere für den Faktor k der k-fachen Symmetrie sowie für den Faktor kappa, der die Streckrichtung angibt, und auch für den Streckungsfaktor ψ_Spule, der den Betrag der elliptischen Streckung der jeweiligen Pickup-Einzelspule angibt.
Nach einer Amplituden-Demodulation der Signale Ut, Vt, Wt erhält man die Signale U, V, W gemäß: $U = amp + (1 + del * sin (2 * phi)) * sin (5 * phi)$
$V = amp + (1 + del * sin (2 * (phi + kappa))) * - (0,5 * sin (5 * phi) + sqrt (3) / 2 * cos (5 * phi))$
$W = amp + (1 + del * sin (2 * (phi - kappa))) * - (0,5 * sin (5 * phi) - sqrt (3) / 2 * cos (5 * phi))$
Die Auswerteschaltung 500 kann dann den elektrischen Winkel phi5' berechnen gemäß: $phi 5' = {arctan}_{2} (2 * U - V - W; sqrt (3) * (V - W))$
Aufgrund der Subtraktionen kürzen sich die gemeinsamen Terme amp heraus, d.h. sie sind irrelevant für diese Betrachtung. Der berechnete elektrische Winkel phi5' ist identisch zu 5*(phi + dphi), wobei phi der exakte mechanische Winkel ist und dphi bezeichnet einen systematischen Winkelfehler. Ein solcher systematischer Winkelfehler kann für induktive Winkelsensoren gemessen und in Form einer Korrekturformel oder Korrekturtabelle gespeichert werden. Somit kann die Auswerteschaltung 500 den mechanische Winkel phi5 berechnen gemäß: phi5 = phi5' - 5 * dphi.
Die Auswerteschaltung kann außerdem einen weiteren elektrischen Winkel phi2' ermitteln, und zwar gemäß: $phi2' = {arctan}_{2} (XX;YY)$
$\begin{array}{l} XX = 0.5 * sin (2 * kappa) * ((U - V) * (sin (phi 5) + sqrt (3) * cos (phi 5)) + (U - W) * (sin (phi 5) - \\ sqrt (3) * cos (phi 5)) + 3 * {cos}^{2} (phi 5) - 3 * {sin}^{2} (phi 5)) \end{array}$
$\begin{array}{l} YY = (W - U) * (sin (phi 5) * (1 + 0.5 * cos (2 * kappa)) - sqrt (3) / 2 * cos (2 * kappa) * cos (phi 5)) \\ + (U - V) * (sin (phi 5) * (1 + 0.5 * cos (2 * kappa)) + sqrt (3) / 2 * cos (2 * kappa) * cos (phi 5)) \\ 0.25 * sqrt (3) * sin (2 * phi 5) * (- 3 * cos (2 * kappa) + 2 + cos (2 * kappa)) \end{array}$
Diese Berechnungsvorschriften erhält man, indem man 5*phi durch phi5 ersetzt, dies in die obigen Gleichungen Gl. X1, Gl. X2 und Gl. X3 einsetzt und nach cos(2*phi) und sin(2*phi) auflöst. Das Herauskürzen gleicher Faktoren in den Ausdrücken für cos(2*phi) und sin(2*phi) führt zu den Termen XX und YY. Auch hier sei an dieser Stelle nochmals explizit erwähnt, dass es sich hierbei lediglich um ein nicht limitierendes Beispiel handelt, um die Berechnungsvorschriften zu erläutern. Natürlich gelten die hierin beschriebenen Berechnungsvorschriften gleichsam auch für andere als die in diesem Beispiel aufgeführten konkreten Zahlenwerte. Dies gilt insbesondere für den Faktor k der k-fachen Symmetrie sowie für den Faktor kappa, der die Streckrichtung angibt, und auch für den Streckungsfaktor ψ_Spule, der den Betrag der elliptischen Streckung der jeweiligen Pickup-Einzelspule angibt.
10 zeigt ein Ergebnis der obigen Berechnungsvorschriften. Auf der horizontalen Achse ist der mechanische Winkel aufgetragen. Die vertikale Achse kennzeichnet den ersten elektrischen Winkel phi5' (siehe die von links unten nach rechts oben verlaufenden Kurven 910) sowie den zweiten elektrischen Winkel phi2' (siehe die von links oben nach rechts unten verlaufenden Kurven 911). Die Kurven der beiden elektrischen Winkel phi2' und phi5' beschreiben im Wesentlichen eine Sägezahnspannung, ähnlich zu den zuvor unter Bezugnahme auf die 4 bis 7 diskutierten Sägezahnspannungen. In 10 ist zu erkennen, dass die zwei Kurven 910, 911 ein Vernier-Prinzip realisieren. Ein Vergleich der beiden Kurven 910, 911 erlaubt es der Auswerteschaltung 500 die Rotorposition eindeutig über eine volle mechanische Umdrehung von 360° zu ermitteln.
Als ein nicht limitierendes Beispiel sei angenommen, dass der erste elektrische Winkel phi5' etwa 140° sei (siehe die dünne horizontale Linie 912). Diese Linie 912 kreuzt die Sägezahnkurve 910 des zweiten elektrischen Winkels phi5' an fünf Stellen (siehe die vertikalen Linien 914A, ..., 914E) aufgrund der hier beispielhaft angenommenen 5-fachen Symmetrie (k = 5). Diese vertikalen Linien 914A, ..., 914E kreuzen wiederum die Sägezahnkurve 911 des zweiten elektrischen Winkels phi2' entsprechend an ebenfalls fünf Punkten, die hier mit den Bezugszeichen 906A, ..., 906E bezeichnet sind. Diese fünf Punkte 906A, ..., 906E weisen eindeutig unterscheidbare Werte auf, sie sind gleichmäßig voneinander beabstandet und keine zwei davon liegen dicht beieinander. Somit besteht keine Gefahr, dass die Auswerteschaltung zwei Werte fehlinterpretiert, wenn kleine Fehler vorhanden sind. Unter Zuhilfenahme des zweiten elektrischen Winkels phi2' kann also die Auswerteschaltung 500 die globale Rotorposition in der mechanischen Winkeldomäne eindeutig bestimmen.
Das hierin beschriebene innovative Konzept erlaubt es, einen induktiven Winkelsensor bereitzustellen, der ein einzelnes massives gewuchtetes metallisches Rotor-Target 100 aufweist, das drehzahlfest ist, und der eine eindeutige Bestimmung der globalen Rotorposition über eine volle Umdrehung von 360° in der mechanischen Winkeldomäne erlaubt.
Zusammenfassend kann also festgehalten werden, dass herkömmliche Winkelsensoren mit k-facher Symmetrie und somit k-facher Periodizität den eindeutig bestimmbaren Winkelbereich einschränken auf einen Bereich von 0° bis 360° / k. Dies ist insbesondere für schnelldrehende Winkelsensoren der Fall, die ein massives metallisches Target verwenden müssen, da nur derartige massive Targets auch drehzahlfest sind. Es gibt Lösungsansätze, bei denen ein Vernier-Prinzip mittels zweier Targets mit unterschiedlicher k-facher Symmetrie realisiert wird. Diese können zwar die Uneindeutigkeiten im Winkelbereich auflösen. Allerdings können die Targets in diesem Fall nicht als massive metallische Targets ausgeführt sein, da sich diese dann gegenseitig stören würden. Stattdessen müssen die Targets hier in Form von Spulen realisiert sein. Die Spulen sind jedoch wiederum nicht geeignet, um bei hohen Drehzahlen eingesetzt zu werden.
Deshalb schlägt das hierin beschriebene innovative Konzept eine Lösung hierfür vor, indem ein induktiver Winkelsensor bereitgestellt wird, der ausgestaltet ist, um die globale Rotorposition eindeutig über eine volle Umdrehung von 360° in der mechanischen Winkeldomäne zu ermitteln und gleichzeitig den Einsatz von hochdrehzahlfesten Targets erlaubt.
Zur Lösung dieses Problems wird hierin vorgeschlagen, das Target in eine Richtung (d.h. entlang einer Streckachse) zu strecken, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss des induktiven Targets eine elliptische Form aufweist. Außerdem wird vorgeschlagen, zumindest zwei Pickup-Einzelspulen in eine Richtung (d.h. entlang einer Streckachse) zu strecken, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der jeweiligen Pickup-Einzelspule eine elliptische Form aufweist.
Die Pickup-Einzelspulen können hierbei zu ein und derselben Pickup-Spulenanordnung gehören. Die Pickup-Spulenanordnung kann entlang einer Streckachse gestreckt sein, sodass beide Pickup-Einzelspulen ebenfalls entlang dieser Streckachse gestreckt sind. Alternativ kann jede der Pickup-Einzelspulen entlang einer unterschiedlichen Streckachse gestreckt sein, sodass sich die beiden Pickup-Einzelspulen in unterschiedliche Richtungen elliptisch strecken. Optional kann zusätzlich eine zweite Pickup-Spulenanordnung vorgesehen sein. Diese zweite Pickup-Spulenanordnung kann ebenfalls entlang einer weiteren Streckachse elliptisch gestreckt sein. Alternativ kann diese zweite Pickup-Spulenanordnung aber auch nicht gestreckt sein und eine Kreisform aufweisen.
Ferner alternativ kann eine der beiden Pickup-Einzelspulen zu einer ersten Pickup-Spulenanordnung gehören, und die jeweils andere der beiden Pickup-Einzelspulen kann zu einer zweiten Pickup-Spulenanordnung gehören. Die beiden Pickup-Spulenanordnungen können hierbei jeweils entlang einer unterschiedlichen Streckachse gestreckt sein. Auch hier kann alternativ die zweite Pickup-Spulenanordnung aber auch nicht gestreckt sein und eine Kreisform aufweisen.
Sofern sich der elliptisch langgestreckte Konturenumriss des Targets und der elliptisch langgestreckte Konturenumriss einer Pickup-Spulenanordnung überlagern, führt dies zu einem verstärkten Signal im Vergleich zu einer nicht elliptisch gestreckten Spule mit einer Kreisform.
Das Target kann beispielsweise eine k-fache Symmetrie aufweisen und um mindestens 10%, oder um mindestens 20%, entlang einer ersten Streckachse 101 in eine erste Richtung gestreckt sein. Eine erste Pickup-Spulenanordnung 200 mit beispielsweise drei Pickup-Einzelspulen 201, 202, 203 mit jeweils k-facher Symmetrie kann um mindestens 10%, oder um mindestens 20%, entlang einer zweiten Streckachse 102 in eine zweite Richtung elliptisch gestreckt sein. Eine zweite Pickup-Spulenanordnung 300 mit beispielsweise drei Pickup-Einzelspulen 301, 302, 303 mit jeweils k-facher Symmetrie kann um mindestens 10%, oder um mindestens 20%, entlang einer dritten Streckachse 103 in eine dritte Richtung elliptisch gestreckt sein. Die zweite und dritte Steckachse 102, 103 können in einem Winkel von 20° ≤ ε ≤ 90°, oder in einem Winkel von ε = 60° zueinander angeordnet sein.
Die Auswerteschaltung 500 kann einen ersten elektrischen Winkel phi1' von der ersten Pickup-Spulenanordnung 200 extrahieren. Die Auswerteschaltung 500 kann einen zweiten elektrischen Winkel phi2' von der zweiten Pickup-Spulenanordnung 300 extrahieren. Die Auswerteschaltung 500 kann ferner eine erste Amplitudeninformation M1 von der ersten Pickup-Spulenanordnung 200 extrahieren. Die Auswerteschaltung 500 kann ferner eine zweite Amplitudeninformation M2 von der zweiten Pickup-Spulenanordnung 300 extrahieren. Die Auswerteschaltung 500 kann die beiden elektrischen Winkel phi1' und phi2' sowie die beiden Amplitudeninformationen M1 und M2 miteinander kombinieren, um hierüber eine eindeutige Winkelinformation, z.B. in Form des elektrischen globalen Winkels phi', zu erhalten, welche auf die aktuelle Rotorposition schließen lässt.
Das hierin beschriebene Konzept funktioniert am besten mit ungeradzahligem Faktor k, d.h. beispielsweise für Spulen mit 3-facher, 5-facher oder 7-facher Symmetrie. Das hierin beschriebene Konzept kann aber auch für Spulen mit geradzahligem Faktor k eingesetzt werden.
Einige Ausführungsbeispiele sehen einen induktiven Winkelsensor vor, der mindestens eine erste Pickup-Einzelspule von schwacher k-facher Symmetrie aufweist, die um einen ersten Betrag in eine erste Richtung senkrecht zur Rotationsachse gestreckt ist, sowie mindestens eine zweite Pickup-Einzelspule von schwacher k-facher Symmetrie, die um einen zweiten Betrag in eine zweite Richtung senkrecht zur Rotationsachse gestreckt ist. Der induktive Winkelsensor weist ferner ein drehbares Target von schwacher k-facher Symmetrie auf, das um einen dritten Betrag in eine dritte Richtung senkrecht zur Rotationsachse gestreckt ist. Der induktive Winkelsensor weist zudem eine Erregerspule auf, die mittels eines elektrischen Wechselstroms anregbar ist (z.B. bei Frequenzen 1KHz < f < 1GHz). Das jeweilige Symmetriezentrum der ersten und zweiten Pickup-Einzelspulen sowie des Targets ist die Rotationsachse. Ferner weist der induktive Winkelsensor eine Auswerteschaltung auf, die ausgestaltet ist, um die Einhüllende der amplitudenmodulierten HF-Signale der jeweiligen Pickup-Einzelspulen zu demodulieren und basierend hierauf die Rotorposition bzw. die Drehposition des Targets zu ermitteln.
Der Faktor k kann eine ungeradzahlige natürliche Zahl (Integer) sein.
Die erste Pickup-Einzelspule kann eine Pickup-Einzelspule aus einer ersten Gruppe von Pickup-Einzelspulen sein. Die zweite Pickup-Einzelspule kann eine Pickup-Einzelspule aus einer zweiten Gruppe von Pickup-Einzelspulen sein. Es können alle Pickup-Einzelspulen der ersten Gruppe relativ zueinander um einen ersten Winkel gedreht sein, und alle Pickup-Einzelspulen der zweiten Gruppe können relativ zueinander um einen zweiten Winkel gedreht sein. Die Pickup-Einzelspulen der ersten Gruppe können gegenüber den Pickup-Einzelspulen der zweiten Gruppe um einen dritten Winkel gedreht sein. Der dritte Winkel kann größer als der erste Winkel und größer als der zweite Winkel sein.
Die Auswerteschaltung kann die Amplitude M1 der Signale ermitteln, die in der ersten Gruppe von Pickup-Einzelspulen induziert wird, zu der auch die erste Pickup-Einzelspule gehört. Die Auswerteschaltung kann außerdem die Amplitude M2 der Signale ermitteln, die in der zweiten Gruppe von Pickup-Einzelspulen induziert wird, zu der auch die zweite Pickup-Einzelspule gehört. Die Auswerteschaltung kann das Verhältnis M1 / M2 der beiden Amplituden bestimmen, oder die Auswerteschaltung kann den Arcustangens (arctan₂) der beiden Amplituden M1 und M2 berechnen.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien des hierin beschriebenen innovativen Konzepts dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass das hierin beschriebene Konzept lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.

Claims

Induktiver Winkelsensor, aufweisend: eine Statorkomponente und eine relativ dazu, um eine gemeinsame Rotationsachse R herum, drehbare Rotorkomponente, wobei die Rotorkomponente ein induktives Target (100) mit k-facher Symmetrie aufweist, wobei die Statorkomponente mindestens eine erste Pickup-Einzelspule (201) mit k-facher Symmetrie und eine zweite Pickup-Einzelspule (202) mit gleicher k-facher Symmetrie aufweist, wobei die erste Pickup-Einzelspule (201) gegenüber der zweiten Pickup-Einzelspule (202) um die Rotationsachse R herum verdreht ist, wobei das induktive Target (100) entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden ersten Achse (101) gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss des induktiven Targets (100) eine elliptische Form aufweist, und wobei mindestens die erste Pickup-Einzelspule (201) entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden zweiten Achse (102) gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der ersten Pickup-Einzelspule (201) eine elliptische Form aufweist.
Induktiver Winkelsensor nach Anspruch 1, wobei die Statorkomponente eine erste Pickup-Spulenanordnung (200) mit mindestens zwei Pickup-Einzelspulen (201, 202) und eine dazu, um die Rotationsache R verdrehte, zweite Pickup-Spulenanordnung (300) mit ebenfalls mindestens zwei Pickup-Einzelspulen (301, 302) aufweist, wobei die erste und die zweite Pickup-Einzelspule (201, 202) zur ersten Pickup-Spulenanordnung (200) gehören, und wobei die gesamte erste Pickup-Spulenanordnung (200) entlang der zweiten Achse (102) gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der gesamten ersten Pickup-Spulenanordnung (200) eine elliptische Form aufweist.
Induktiver Winkelsensor nach Anspruch 1, wobei die Statorkomponente eine erste Pickup-Spulenanordnung (200) mit mindestens zwei Pickup-Einzelspulen (201, 203) und eine dazu, um die Rotationsachse R verdrehte, zweite Pickup-Spulenanordnung (300) mit ebenfalls mindestens zwei Pickup-Einzelspulen (202, 301) aufweist, wobei die erste Pickup-Einzelspule (201) zur ersten Pickup-Spulenanordnung (200) gehört, und wobei die zweite Pickup-Einzelspule (202) zur zweiten Pickup-Spulenanordnung (300) gehört, wobei die gesamte erste Pickup-Spulenanordnung (200) entlang der zweiten Achse (102) gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der gesamten ersten Pickup-Spulenanordnung (201) eine elliptische Form aufweist, und wobei die gesamte zweite Pickup-Spulenanordnung (300) entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden dritten Achse (103) gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der gesamten zweiten Pickup-Spulenanordnung (300) eine elliptische Form aufweist.
Induktiver Winkelsensor nach Anspruch 3, wobei die erste Pickup-Spulenanordnung (200) eine k-fache Symmetrie mit ungeradzahligem Faktor k aufweist, und wobei die zweite Pickup-Spulenanordnung (300) ebenfalls eine k-fache Symmetrie mit ungeradzahligem Faktor k aufweist.
Induktiver Winkelsensor nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die zweite und die dritte Achse (102, 103) in unterschiedliche Richtungen verlaufen, sodass die erste Pickup-Spulenanordnung (200) und die zweite Pickup-Spulenanordnung (300) in jeweils unterschiedliche Richtungen gestreckt sind.
Induktiver Winkelsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, ferner aufweisend eine Auswerteschaltung (500), die ausgestaltet ist, um von der ersten Pickup-Spulenanordnung (200) ein erstes Winkelsignal φ1' und eine erste Signalamplitude M1 zu extrahieren, und um von der zweiten Pickup-Spulenanordnung (300) ein zweites Winkelsignal φ2' und eine zweite Signalamplitude M2 zu extrahieren, und um basierend auf einer Kombination des ersten und zweiten Winkelsignals φ1', φ2' sowie der ersten und zweiten Signalamplituden M1, M2 einen Rotationswinkel φ zwischen der Statorkomponente und der Rotorkomponente zu ermitteln.
Induktiver Winkelsensor nach Anspruch 6, wobei die Auswerteschaltung (500) ausgestaltet ist, um die erste und zweite Signalamplitude M1, M2 miteinander zu kombinieren, indem die erste und zweite Signalamplitude M1, M2 miteinander in Relation gesetzt werden M1 /M2, und um basierend auf dieser Relation M1 /M2 der Signalamplituden den Rotationswinkel φ zwischen der Statorkomponente und der Rotorkomponente zu ermitteln.
Induktiver Winkelsensor nach Anspruch 1, wobei die Statorkomponente eine einzelne Pickup-Spulenanordnung (200) mit mindestens zwei in unterschiedliche Richtungen gestreckten elliptischen Pickup-Einzelspulen (201, 202) aufweist, wobei die erste und die zweite Pickup-Einzelspule (201, 202) zu ebendieser Pickup-Spulenanordnung (200) gehören, wobei die erste Pickup-Einzelspule (201) entlang der zweiten Achse (102) gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der ersten Pickup-Einzelspule (201) eine in eine erste Richtung gestreckte elliptische Form aufweist, und wobei zusätzlich die zweite Pickup-Einzelspule (202) entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden dritten Achse (103) gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der zweiten Pickup-Einzelspule (202) eine elliptische Form aufweist.
Induktiver Winkelsensor nach Anspruch 1, wobei die Statorkomponente eine einzelne Pickup-Spulenanordnung (200) mit mindestens drei in unterschiedliche Richtungen gestreckten elliptischen Pickup-Einzelspulen (201, 202, 203) aufweist, wobei die erste, zweite und dritte Pickup-Einzelspule (201, 202, 203) zu ebendieser Pickup-Spulenanordnung (200) gehören, wobei die erste Pickup-Einzelspule (201) entlang der zweiten Achse (102) gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der ersten Pickup-Einzelspule (201) eine in eine erste Richtung gestreckte elliptische Form aufweist, wobei zusätzlich die zweite Pickup-Einzelspule (202) entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden dritten Achse (103) gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der zweiten Pickup-Einzelspule (202) eine in eine zweite Richtung gestreckte elliptische Form aufweist, und wobei zusätzlich die dritte Pickup-Einzelspule (203) entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden vierten Achse (104) gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der dritten Pickup-Einzelspule (203) eine in eine dritte Richtung gestreckte elliptische Form aufweist.
Induktiver Winkelsensor nach Anspruch 8 oder 9, wobei die zweite und die dritte Achse (102, 103) in unterschiedliche Richtungen verlaufen, sodass die erste Pickup-Einzelspule (201) und die zweite Pickup-Einzelspule (202) in jeweils unterschiedliche Richtungen gestreckt sind.
Induktiver Winkelsensor nach einem der Ansprüche 3, 4, 7, 8 oder 9, wobei die zweite und die dritte Achse (102, 103) in einem Winkel ε von mehr als 360° / k zueinander angeordnet sind.
Induktiver Winkelsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5 oder 8 bis 11, wobei die zweite und die dritte Achse (102, 103) in einem Winkel von 20° ≤ ε ≤ 90°, oder in einem Winkel von ε = 60° zueinander angeordnet sind.
Induktiver Winkelsensor nach Anspruch 1, wobei die Statorkomponente eine erste Pickup-Spulenanordnung (200) mit je mindestens zwei Pickup-Einzelspulen, eine zweite Pickup-Spulenanordnung (300) mit je mindestens zwei Pickup-Einzelspulen, und eine dritte Pickup-Spulenanordnung (400) mit je mindestens zwei Pickup-Einzelspulen aufweist, wobei die drei Pickup-Spulenanordnungen (200, 300, 400) um die Rotationsachse R herum gegeneinander verdreht sind, wobei die erste Pickup-Einzelspule (201) zu der ersten Pickup-Spulenanordnung (200) gehört und die zweite Pickup-Einzelspule (202) zu der zweiten Pickup-Einzelspule (300) gehört, wobei die gesamte erste Pickup-Spulenanordnung (200) entlang der zweiten Achse (102) gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der gesamten ersten Pickup-Spulenanordnung (200) eine elliptische Form aufweist, und wobei die gesamte zweite Pickup-Spulenanordnung (300) entlang der dritten Achse (103) gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der gesamten zweiten Pickup-Spulenanordnung (300) eine elliptische Form aufweist, und wobei die gesamte dritte Pickup-Spulenanordnung (400) entlang einer lotrecht zur Rotationsachse R verlaufenden vierten Achse (104) gestreckt ist, sodass der in Draufsicht gesehene Konturenumriss der gesamten dritten Pickup-Spulenanordnung (400) eine elliptische Form aufweist.
Induktiver Winkelsensor nach Anspruch 13, wobei die zweite Achse (102), die dritte Achse (103) und die vierte Achse (104) jeweils in unterschiedliche Richtungen verlaufen, sodass die erste Pickup-Spulenanordnung (200), die zweite Pickup-Spulenanordnung (300) und die dritte Pickup-Spulenanordnung (400) jeweils in voneinander unterschiedliche Richtungen gestreckt sind.
Induktiver Winkelsensor nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei die dritte Achse (103) in einem Winkel ε₃₂ von mehr als 360° / k relativ zu der zweiten Achse (102) angeordnet ist, sodass die erste Pickup-Spulenanordnung (200) und die zweite Pickup-Spulenanordnung (300) jeweils in unterschiedliche Richtungen gestreckt und dabei jeweils um den Winkel ε₃₂ gegeneinander verdreht sind, und wobei die dritte Achse (103) in einem Winkel ε₄₃ von mehr als 360° / k relativ zu der vierten Achse (104) angeordnet ist, sodass die zweite Pickup-Spulenanordnung (300) und die dritte Pickup-Spulenanordnung (400) jeweils in unterschiedliche Richtungen gestreckt und dabei jeweils um den Winkel ε₄₃ gegeneinander verdreht sind.
Induktiver Winkelsensor nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die dritte Achse (103) in einem Winkel von 20° ≤ ε ≤ 90°, oder in einem Winkel von ε = 60°, relativ zu der zweiten Achse (102) und/oder relativ zu der vierten Achse (104) angeordnet ist.
Induktiver Winkelsensor nach einem der Ansprüche 13 bis 16, ferner aufweisend eine Auswerteschaltung (500), die ausgestaltet ist, um von der ersten Pickup-Spulenanordnung (200) ein erstes Winkelsignal φ1' und eine erste Signalamplitude M1 zu extrahieren, und um von der zweiten Pickup-Spulenanordnung (300) ein zweites Winkelsignal φ2' und eine zweite Signalamplitude M2 zu extrahieren, und um von der dritten Pickup-Spulenanordnung (400) ein drittes Winkelsignal φ3' und eine dritte Signalamplitude M3 zu extrahieren, und um basierend auf einer Kombination des ersten, zweiten und dritten Winkelsignals φ1', φ2', φ3' sowie der ersten, zweiten und dritten Signalamplitude M1, M2, M3 einen Rotationswinkel zwischen der Statorkomponente und der Rotorkomponente zu ermitteln.
Induktiver Winkelsensor nach Anspruch 17, wobei die Auswerteschaltung (500) ausgestaltet ist, um die erste, zweite und dritte Signalamplitude M1, M2, M3 miteinander zu kombinieren, indem die Differenz aus der ersten und zweiten Signalamplitude M1 - M2 sowie die Differenz zwischen der zweiten und dritten Signalamplitude M2 - M3 gebildet werden, und um basierend auf diesen Differenzen der Signalamplituden den Rotationswinkel zwischen der Statorkomponente und der Rotorkomponente zu ermitteln.
Induktiver Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die entlang der zweiten Achse (102) und/oder dritten Achse (103) und/oder vierten Achse (104) gestreckte jeweilige Pickup-Spulenanordnung (200, 300, 400) beziehungsweise Pickup-Einzelspule einen Streckungsfaktor ψ_Spule von ψ_Spule ≥ 1,10 aufweist, sodass die elliptische Form der jeweils gestreckten Pickup-Spulenanordnung (200, 300, 400) beziehungsweise Pickup-Einzelspule entlang der jeweiligen Achse um mindestens 10 % gegenüber einer Kreisform gestreckt ist.
Induktiver Winkelsensor nach Anspruch 19, wobei das induktive Target (100) einen Streckungsfaktor von ψ_Target ≥ 1,10 aufweist, sodass die elliptische Form des induktiven Targets (100) entlang der ersten Achse (101) um mindestens 10 % gegenüber einer Kreisform gestreckt ist, und wobei der Streckungsfaktor ψ_Target des induktiven Targets (100) identisch ist zu dem Streckungsfaktor ψ_Spule der entlang der zweiten Achse (102) und/oder dritten Achse (103) und/oder vierten Achse (104) gestreckten jeweiligen Pickup-Spulenanordnung (200, 300, 400) beziehungsweise Pickup-Einzelspule.
Induktiver Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das induktive Target (100) als ein einzelnes massives Metallformteil ausgestaltet ist.