DE102021205720A1

DE102021205720A1 - Magnetisches Winkelsensorsystem mit Streufeldkompensierung

Info

Publication number: DE102021205720A1
Application number: DE102021205720.9A
Authority: DE
Inventors: Gernot Binder; Helmut Koeck; Markus Lehner; Joao Cunha
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2021-06-07
Filing date: 2021-06-07
Publication date: 2022-12-08
Also published as: US20220393554A1

Abstract

Das hierin beschriebene innovative Konzept betrifft ein magnetisches Winkelsensorsystem (100) mit einer drehbaren Welle (102), einem mit der drehbaren Welle (102) gekoppelten Permanentmagneten (103), und einem dem Permanentmagneten (103) gegenüberliegend angeordneten Magnetfeldsensor (104), wobei der Magnetfeldsensor (104) ausgestaltet ist, um ein in seinem Erfassungsbereich (106) vorherrschendes Magnetfeld zu erfassen. Das magnetische Winkelsensorsystem (100) weist Mittel (140, 150, 160) zum Reduzieren und/oder Kompensieren eines inhomogenen Streufeldanteils eines an sich homogenen äußeren magnetischen Streufelds auf.

Description

Das hierin beschriebene innovative Konzept betrifft ein magnetisches Winkelsensorsystem mit Mitteln zum kompensieren bzw. reduzieren von inhomogenen Streufeldanteilen eines externen homogenen magnetischen Streufelds.
Winkelsensoren beziehungsweise Winkelsensorsysteme werden eingesetzt, um den aktuellen bzw. absoluten Rotationswinkel von sich drehenden Bauteilen zu ermitteln. Häufig handelt es sich hierbei um drehbare Wellen, deren absoluter Rotationswinkel über eine volle 360°-Drehung bestimmt werden kann.
Für eine derartige Rotationswinkelmessung werden insbesondere zwei unterschiedliche Messprinzipien eingesetzt. Zum einen gibt es sogenannte induktive Winkelsensoren. Diese basieren auf dem elektrischen Induktionsprinzip, wobei Spulen (sog. Sendespulen, induktive Targets und Empfangsspulen) eingesetzt werden, um Induktionsströme zu messen. Die Induktionsströme sind dabei repräsentativ für den Rotationswinkel. Diese induktiven Winkelsensoren haben den Vorteil, dass sie relativ unanfällig gegenüber magnetischen Streufeldern sind. Sie sind jedoch teilweise komplex und somit teuer in der Herstellung.
Zum anderen gibt es magnetische Winkelsensoren. Diese messen den Rotationswinkel des rotierenden Objekts basierend auf Magnetfeldänderungen eines Permanentmagneten. Magnetische Winkelsensoren sind, im Vergleich zu den oben genannten induktiven Winkelsensoren, deutlich einfacher und somit kostengünstiger herstellbar. Sie werden daher in vielen massenfertigungstauglichen Bauteilen eingesetzt. Aufgrund ihres Messprinzips sind sie jedoch auch anfällig gegenüber äußeren magnetischen Streufeldern.
Das hierin beschriebene innovative Konzept beschäftigt sich mit magnetischen Winkelsensoren. Hierbei führen äußere magnetische Streufelder jedoch zu Messfehlern beim Bestimmen des Rotationswinkels. Sofern es sich bei den äußeren magnetischen Streufeldern um homogene Streufelder handelt, so können diese beispielsweise mittels differentiell messender Sensorik weitestgehend kompensiert werden. So werden beispielsweise laterale Hallplatten-Paare genutzt, wobei die beiden Hallplatten eines Paares um 180° zueinander gedreht sind. Diese messen die homogenen Streufeldanteile jeweils in positiver sowie in negativer Richtung, sodass sich die jeweiligen Anteile gegeneinander aufheben.
In Abhängigkeit des gewählten Materials der drehbaren Welle kommt es jedoch zu räumlichen Verzerrungen des an sich homogenen äußeren Magnetfelds. Dies ist insbesondere dann zu beobachten, wenn die Welle aus weichmagnetischem bzw. ferromagnetischem Material besteht. Dies führt dazu, dass die Magnetfeldlinien des äußeren Streufelds, sowohl beim Eindringen in die ferromagnetische Welle als auch beim Austreten aus der ferromagnetischen Welle, in ihrer Richtung abgelenkt werden. Dadurch entstehen inhomogene Streufeldanteile des an sich homogenen Streufelds. Diese inhomogenen Streufeldanteile sind mittels der differentiellen Sensorik jedoch nicht mehr kompensierbar und führen somit wiederum zu Messfehlern beim Bestimmen des Rotationswinkels.
Es kann zusammenfassend also festgehalten werden, dass ein an und für sich homogenes äußeres Streufeld sowohl homogene Streufeldanteile als auch inhomogene Streufeldanteile aufweisen kann. Die inhomogenen Streufeldanteile treten dabei insbesondere dann auf, wenn das rotierende Objekt ein weichmagnetisches bzw. ferromagnetisches Material aufweist. Es wurde erkannt, dass diese inhomogenen Streufeldanteile (des an sich homogenen Streufelds) zu Messfehlern bei der Winkelmessung führen können.
Das vorliegende innovative Konzept stellt einen Lösungsansatz bereit, um diese inhomogenen Streufeldanteile zu kompensieren bzw. zu reduzieren und somit genauere Messergebnisse beim Bestimmen des Rotationswinkels zu erhalten.
Dies wird erreicht durch ein magnetisches Winkelsensorsystem gemäß Anspruch 1.
Das magnetische Winkelsensorsystem weist, unter anderem, eine drehbare Welle sowie einen mit der drehbaren Welle gekoppelten Permanentmagneten auf. Ferner weist das magnetische Winkelsensorsystem einen dem Permanentmagneten gegenüberliegend angeordneten Magnetfeldsensor auf, der ausgestaltet ist, um ein in seinem Erfassungsbereich vorherrschendes Magnetfeld zu erfassen. Der Magnetfeldsensor ist außerdem ausgestaltet, um in Reaktion auf das erfasste Magnetfeld mindestens zwei differentielle Sensorsignale zu erzeugen, mit denen homogene Streufeldanteile kompensierbar sind, und um basierend auf den mindestens zwei differentiellen Sensorsignalen einen Rotationswinkel der Welle zu bestimmen. Die drehbare Welle kann ein weichmagnetisches bzw. ferromagnetisches Material aufweisen. Das ferromagnetische Material führt dazu, dass ein anwesendes externes homogenes magnetisches Streufeld räumlich verzerrt wird, wodurch sich das Magnetfeld im Erfassungsbereich des Magnetfeldsensors ändert im Vergleich zu einer Situation in der dieses Streufeld nicht anwesend ist. Die durch das ferromagnetische Material bedingte räumliche Verzerrung verursacht einen inhomogenen Streufeldanteil des an sich homogenen Streufelds. Dieser inhomogene Streufeldanteil führt zu Messfehlern beim Bestimmen des Rotationswinkels der Welle. Gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept weist das magnetische Winkelsensorsystem Mittel zum Reduzieren und/oder Kompensieren des inhomogenen Streufeldanteils auf.
Weitere Ausführungsformen und vorteilhafte Aspekte dieses magnetischen Winkelsensorsystems sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:

1A eine schematische Perspektivansicht eines Winkelsensorsystems in einer sogenannten End-of-Shaft (EoF) Ausführung gemäß,
1B eine schematische Draufsicht auf ein Layout einer differentiell messenden Sensorik zur Verwendung in einem magnetischen Winkelsensorsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2A, 2B Graphen zur Veranschaulichung von differentiellen Signalen einer differentiell messenden Sensorik bei verschieden großen Luftspalten ohne Anwesenheit eines äußeren homogenen magnetischen Streufelds,
2C einen Graphen zur Veranschaulichung des Rotationswinkels, der aus den differentiellen Signalen der differentiell messenden Sensorik berechnet werden kann, ebenfalls bei verschieden großen Luftspalten und ohne Anwesenheit eines äußeren homogenen magnetischen Streufelds,
2D einen Graphen zur Veranschaulichung des Winkelfehlers bei unterschiedlich großen Luftspalten und ohne Anwesenheit eines äußeren homogenen magnetischen Streufelds,
3 einen Graphen zur Veranschaulichung des Offsets bedingt durch ein äußeres homogenes magnetisches Streufeld,
4 eine schematische Seitenansicht einer ferromagnetischen Welle zur Veranschaulichung, wie das ferromagnetische Material der Welle die Magnetfeldlinien des an sich homogenen Streufelds räumlich verzerrt und dadurch zu inhomogenen Streufeldanteilen führt,
5 eine schematische Seitenansicht einer ferromagnetischen Welle und eines Magnetfeldsensors zur Veranschaulichung des Erfassungsbereichs des Magnetfeldsensors,
6 eine schematische Seitenansicht eines magnetischen Winkelsensorsystems mit einem Abstandshalter gemäß einem Ausführungsbeispiel,
7A einen Graphen zur Veranschaulichung des Winkelfehlers des Ausführungsbeispiels von 6 bei verschieden großen Luftspalten und ohne Anwesenheit eines äußeren homogenen magnetischen Streufelds,
7B einen Graphen zur Veranschaulichung des Winkelfehlers des Ausführungsbeispiels von 6 bei verschieden großen Luftspalten und in Anwesenheit eines äußeren homogenen magnetischen Streufelds mit einem Betrag von 1 mT,
7C einen Graphen zur Veranschaulichung des Winkelfehlers des Ausführungsbeispiels von 6 bei verschieden großen Luftspalten und in Anwesenheit eines äußeren homogenen magnetischen Streufelds mit einem Betrag von 5 mT,
8A, 8B eine schematische Seitenansicht eines magnetischen Winkelsensorsystems mit einer externen Haltevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
9A einen Graphen zur Veranschaulichung der Differentialsignale des Ausführungsbeispiels aus den 8A und 8B bei einem Luftspalt von 1,5 mm und in Anwesenheit eines äußeren homogenen magnetischen Streufelds,
9B einen Graphen zur Veranschaulichung der Berechnung des Rotationswinkels basierend auf den Differentialsignalen aus 9A,
9C einen Graphen zur Veranschaulichung des Winkelfehlers des magnetischen Winkelsensorsystems gemäß den 8A und 8B,
10A eine schematische Seitenansicht eines magnetischen Winkelsensorsystems mit einer in der Welle vorgesehenen Bohrung, in der der Permanentmagnet sowie der Magnetfeldsensor angeordnet sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel,
10B eine schematische Seitenansicht der Welle aus 10A mit zusätzlich dargestellten Magnetfeldlinien eines äußeren homogenen magnetischen Streufelds, und
10C einen Graphen zur Veranschaulichung der verbesserten Signalamplituden aufgrund der Anordnung des Permanentmagneten sowie des Magnetfeldsensors in der Bohrung.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Sofern innerhalb dieser Offenbarung von einer Kompensation, insbesondere einer Streufeldkompensation, die Rede ist, dann ist hierunter ein Abschwächen bzw. Reduzieren zu verstehen. Bei einer Streufeldkompensation handelt es sich demnach um ein Abschwächen bzw. Reduzieren einer durch das Streufeld bedingten Messabweichung. Unter dem Begriff der Kompensation kann hierin aber auch ein vollständiges Reduzieren bzw. Auslöschen einer Messabweichung verstanden werden.
Zum Einstieg in die vorliegende Thematik zeigt 1A beispielhaft einen Elektromotor 1 mit einer rotierenden Welle 2, auf der beispielsweise eine Getriebeverzahnung angeordnet sein kann. Die Welle 2 kann eine Rotations- bzw. Drehrichtung 5 aufweisen. Außerdem ist ein herkömmliches magnetisches Winkelsensorsystem gezeigt. Das magnetische Winkelsensorsystem weist einen an der Welle 2 angeordneten Permanentmagneten 3 sowie einen, dem Permanentmagneten 3 gegenüberliegend angeordneten, Magnetfeldsensor 4 auf.
Der Permanentmagnet 3 ist hier am Ende der Welle 2 angeordnet. Eine derartige Anordnung wird auch als Wellenende-System bzw. End-of-Shaft (EOS) System bezeichnet.
Der Permanentmagnet 3 ist relativ zu dem Magnetfeldsensor 4 drehbar. Damit es hierbei nicht zu Beschädigungen kommt, sind der Permanentmagnet 3 und der Magnetfeldsensor 4 voneinander beabstandet angeordnet. Zwischen dem Magnetfeldsensor 4 und dem Permanentmagneten 3 existiert also ein Abstand, der auch als Luftspalt bzw. Airgap bezeichnet wird. Dieser Luftspalt 6 wird hierin auch mit dem Kürzel LS bezeichnet.
Der Magnetfeldsensor 4 kann eine differentiell messende Sensorik aufweisen. Ein Beispiel hierfür ist in 1B gezeigt. 1B zeigt eine Draufsicht auf ein Layout einer differentiell messenden Sensorik mit vier lateralen Hallplatten Z1, ..., Z4. Dieses Layout kann für ein magnetisches Winkelsensorsystem 100 gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept verwendet werden. Anstelle der hier rein beispielhaft genannten Hallplatten Z1, ..., Z4 können aber auch andere Sensorelemente zum Zwecke einer differentiell messenden Sensorik für das magnetische Winkelsensorsystem 100 eingesetzt werden. Grundsätzlich könnten beispielsweise auch xMR Sensorelemente, wie z.B. AMR, GMR, TMR, genutzt werden, um ein solches differentielles Sensorprinzip zu realisieren. Beispielsweise könnten anstelle der hierin rein beispielhaft beschriebenen Hallplatten Z1, ..., Z4 auch lateral versetzte xMR Elemente eingesetzt werden.
In dem hier diskutierten und in 1B gezeigten Beispiel können die Hallplatten Z1, ..., Z4 konzentrisch, und somit mit gleichem Abstand zueinander, angeordnet sein. Die Hallplatten Z1, ..., Z4 sind jeweils in einem 90°-Winkel zueinander angeordnet. Je zwei gegenüberliegende Hallplatten bilden ein Hallplatten-Paar, das jeweils ein differentielles Signal erzeugt.
Die Hallplatten Z1, ..., Z4 sind empfindlich gegenüber einer Bz-Komponente des Magnetfelds des Permanentmagneten 3. So kann das Signal der Hallplatte Z1 als BzOben bezeichnet werden, und das Signal der gegenüberliegenden Hallplatte Z3 kann als BzUnten bezeichnet werden. Analog hierzu kann das Signal der Hallplatte Z4 als BzLinks bezeichnet werden, und das Signal der gegenüberliegenden Hallplatte Z2 kann als BzRechts bezeichnet werden. Die sich gegenüberliegenden Hallplatten Z1 und Z3 bilden ein Hallplatten-Paar, welches das differenzielle Sensorsignal BzOben - BzUnten erzeugt. Die Hallplatten Z1 und Z3 bilden ein erstes Hallplatten-Paar, welches das differenzielle Sensorsignal BzOben - BzUnten erzeugt. Die sich gegenüberliegenden Hallplatten Z2 und Z4 bilden ein zweites Hallplatten-Paar, welches das differenzielle Sensorsignal
BzLinks - BzRechts erzeugt.
Der Rotationswinkel der Welle 2 wird aus diesen beiden differenziellen Sensorsignalen berechnet, die von den Hallplatten-Paaren generiert werden (BzOben - BzUnten) und (BzLinks - BzRechts). Aufgrund des differenziellen Signalwegs werden homogene äußere Magnetfelder hierbei weitestgehend unterdrückt.
Wie eingangs bereits erwähnt wurde, existiert ein Luftspalt LS zwischen dem Permanentmagneten 3 und dem Magnetfeldsensor 4. Mit zunehmendem Luftspalt LS wird auch die Signalamplitude der differentiellen Sensorsignale kleiner. Um eine ausreichend große Signalamplitude zu erhalten, und somit einen möglichst großen Rauschabstand bzw. ein möglichst großes SNR-Verhältnis (SNR: Signal-to-Noise) zu zu realisieren, sollte die Signalamplitude natürlich möglichst groß sein.
Die 2A und 2B zeigen die Auswirkung des Luftspalts LS auf die Signalamplituden der differentiellen Sensorsignale ohne Anwesenheit eines äußeren homogenen magnetischen Streufelds. 2A zeigt das differenzielle Sensorsignal BzL - BzR der beiden Hallplatten Z4 und Z2. 2B zeigt das differenzielle Sensorsignal BzO - BzU der beiden Hallplatten Z1 und Z3.
Die in 2A abgebildete Kurve 31A zeigt die Signalamplitude bei einem Luftspalt von 3,0 mm. Die Kurve 32A zeigt die Signalamplitude bei einem Luftspalt von 2,5 mm. Die Kurve 33A zeigt die Signalamplitude bei einem Luftspalt von 2,0 mm. Die Kurve 34A zeigt die Signalamplitude bei einem Luftspalt von 1,5 mm. Die Kurve 35A zeigt die Signalamplitude bei einem Luftspalt von 1,0 mm. Die Kurve 36A zeigt die Signalamplitude bei einem Luftspalt von 0,75 mm.
Die in 2B abgebildete Kurve 31B zeigt die Signalamplitude bei einem Luftspalt von 3,0 mm. Die Kurve 32B zeigt die Signalamplitude bei einem Luftspalt von 2,5 mm. Die Kurve 33B zeigt die Signalamplitude bei einem Luftspalt von 2,0 mm. Die Kurve 34B zeigt die Signalamplitude bei einem Luftspalt von 1,5 mm. Die Kurve 35B zeigt die Signalamplitude bei einem Luftspalt von 1,0 mm. Die Kurve 36B zeigt die Signalamplitude bei einem Luftspalt von 0,75 mm.
2C zeigt den Rotationswinkel der Welle, der aus den beiden differenziellen Sensorsignalen (2A, 2B) berechnet werden kann, zum Beispiel mittels der Arcustangens-Funktion. Auch hier kommt es, wiederum in Abhängigkeit des Luftspalts, zu Winkelfehlern. Der Winkelfehler gibt die Abweichung des berechneten Rotationswinkels gegenüber dem tatsächlichen (mechanischen) Rotationswinkel bzw. Referenzwinkel der Welle 2 an. Bei einer idealen Anordnung des (an der Welle 2 angeordneten) Permanentmagneten 3 relativ zu dem Magnetfeldsensor 4 fallen diese Winkelfehler jedoch sehr klein aus.
Wie in 2D zu sehen ist, kann es sich bei den Winkelfehlern um Abweichungen von weniger als 0,1 Grad handeln. Ein größerer Luftspalt führt demnach also zwar zu kleineren Signalamplituden. Allerdings ist der durch den Luftspalt bedingte Winkelfehler, bei einer ansonsten idealen Anordnung des Permanentmagneten 3 relativ zu dem Magnetfeldsensor 4, vernachlässigbar klein. Dies gilt für die soeben durchgeführte Betrachtung ohne Anwesenheit eines äußeren homogenen magnetischen Streufelds.
3 zeigt jedoch die Auswirkungen eines äußeren homogenen magnetischen Streufelds auf die differenziellen Sensorsignale. Der abgebildete Graph veranschaulicht die Auswirkung eines äußeren homogenen magnetischen Streufelds auf die Messung des Nutzmagnetfelds des Permanentmagneten. Die Kurve 21 zeigt den sinusförmigen Verlauf des gemessenen Nutzmagnetfelds in Bz-Richtung ohne Anwesenheit eines äußeren homogenen Streufelds. Ein Maximum ist hier mit B_Z1 gekennzeichnet, und ein Minimum ist mit B_Z2 gekennzeichnet.
Die Kurve 22 hingegen zeigt den sinusförmigen Verlauf des gemessenen Nutzmagnetfelds in Bz-Richtung in Anwesenheit eines äußeren homogenen Streufelds. Ein Maximum ist hier mit $\tilde{B_{Z1}}$
gekennzeichnet, und ein Minimum ist mit $\tilde{B_{Z2}}$
gekennzeichnet.
Die Gerade 20 gibt die Amplitude des homogenen Streufelds an. Wie zu erkennen ist, führt das homogene Streufeld zu einer Verschiebung bzw. einem Offset des Sensorsignals. Dieser Offset ist hier mit B_Sf gekennzeichnet. Das Nutzmagnetfeld kann mit den differenziellen Sensorsignalen (BzO - BzU & BzL - BzR) unter Kompensation des homogenen Streufelds (Offsetkompensation) wie folgt berechnet werden: $\begin{array}{l} B_{s e n s} = \tilde{B_{z 1}} - \tilde{B_{z 2}} = (B_{z 1} + B_{s f}) - (B_{z 2} + B_{s f}) = \\ B_{z 1} + B_{s f} - B_{z 2} - B_{s f} = B_{z 1} - B_{z 2} = 2 * B_{z 1} \end{array}$
Derartige homogene Streufelder können also mittels der oben beschriebenen Methode unter Anwendung von differenziellen Sensorsignalen relativ gut reduziert bzw. vollständig kompensiert werden.
Es wurde nun jedoch erkannt, dass das Material der Welle 2 ebenfalls ursächlich für Winkelfehler sein kann. Dies wurde insbesondere beobachtet, wenn die Welle 2 ein ferromagnetisches Material aufweist. Das ferromagnetische Material kann zu räumlichen Verzerrungen der Magnetfeldlinien des an sich homogenen Streufelds führen. Diese räumlichen Verzerrungen führen dazu, dass das an sich homogene Streufeld einen inhomogenen Streufeldanteil bekommt, der wiederum zu Winkelfehlern führt. Da diese Streufeldanteile jedoch, wie gesagt, inhomogen sind, können diese inhomogenen Streufeldanteile nicht mit der oben beschriebenen Methode unter Anwendung von differenziellen Sensorsignalen kompensiert werden.
Ungünstiger Weise werden ferromagnetische Wellen in derartigen Rotationswinkelbestimmungen verbreitet eingesetzt. Die ferromagnetische Welle besitzt eine hohe magnetische Permeabilität µ_mag. Die magnetische Permeabilität beschreibt einen Widerstand eines Materials gegenüber einem Magnetfeld. Oder anders ausgedrückt: sie ist ein Maß des Grades, zu dem ein Magnetfeld ein Material durchdringen kann.
Aufgrund ihres niedrigen Magnetwiderstands (d.h. hohe Permeabilität) wirkt die ferromagnetische Welle wie ein Flusskonzentrator für das Magnetfeld. Homogene magnetische (Streu-)Felder in der Umgebung des Sensorsystems werden durch die Welle abgelenkt und verzerrt. Das magnetische Streufeld koppelt in den Signalweg des Sensors. Da das Streufeld an den einzelnen Hall-Platten eine unterschiedliche Größe und Richtung besitzt, wird es durch den differenziellen Signalweg nicht mehr unterdrückt und führt zu einem erhöhten Winkelfehler.
Das vorliegende innovative Konzept stellt jedoch Mittel bereit, um diese inhomogenen Streufeldanteile zu kompensieren und somit für ein genaueres Messergebnis beim Bestimmen des Rotationswinkels der Welle 2 zu sorgen.
4 zeigt eine Simulation zur Veranschaulichung der soeben beschriebenen räumlichen Verzerrung des an sich homogenen Streufelds. 4 zeigt einen Querschnitt (X-Z-Ebene) einer ferromagnetischen Welle 2. Die Rotationsachse der Welle 2 ist in Z-Richtung angeordnet. Von links nach rechts im Bild verläuft die X-Achse. Die Y-Achse verläuft in die Bildebene hinein. Die hier abgebildete Welle 2 weist beispielhaft eine Permeabilität von µ_mag = 4000 sowie einen Durchmesser von 20 mm auf, wobei ein homogenes 5 mT-Streufeld in X-Richtung angelegt wurde.
Die abgebildete Welle 2 weist ein ferromagnetisches Material auf. Am axialen Wellenende ist ein Permanentmagnet 3 angeordnet. 4 zeigt nur das äußere homogene magnetische Streufeld. Es sind keine Magnetfeldlinien des Permanentmagneten 3 dargestellt. Das heißt, der Permanentmagnet 3 wurde in diesem Plot unter Vakuum gesetzt (µ_r = 1). Deshalb beeinfluss der Permanentmagnet 3 die Feldverteilung des homogenen Streufelds nicht. Der Plot zeigt lediglich die magnetischen Streufeldvektoren, aber nicht die Vektoren des Magnetfelds des Permanentmagneten 3. Aus dieser Darstellung ist der Einfluss der ferromagnetischen Welle 2 auf das Streufeld klar erkennbar.
Das hier beispielhaft gezeigte homogene Streufeld verläuft hier in positiver X-Richtung, d.h. im Bild von links nach rechts. Die abgebildeten Pfeile geben die Richtung der Magnetfeldlinien an den jeweiligen Orten an. Die in 4 links abgebildete Farb- bzw. Graustufenskala gibt den Betrag der Magnetfeldlinien an den entsprechenden Orten an.
Wie in 4 zu sehen ist, weist das homogene Streufeld in ausreichendem Abstand zu der Welle 2 weiterhin einen homogenen Verlauf in positiver X-Richtung auf (hier: von links nach rechts). Das homogene Streufeld hat in diesen Bereichen also einen homogenen Streufeldanteil. Der homogene Streufeldanteil zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass dessen Magnetfeldvektoren im Wesentlichen alle in dieselbe Richtung, d.h. in eine Hauptausbreitungsrichtung (z.B. X-Richtung), verlaufen.
Je näher das Streufeld jedoch in Richtung der Welle 2 kommt, umso deutlicher verändern sich sowohl der Betrag als auch die Richtung der Magnetfeldlinien des homogenen Streufelds. Das heißt, das an sich homogene Streufeld erfährt hier eine räumliche Verzerrung, was einen inhomogenen Streufeldanteil bewirkt. Der inhomogene Streufeldanteil zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass die Richtung der Magnetfeldvektoren von der Hauptausbreitungsrichtung abweicht (z.B. mit Komponenten in X- und Z-Richtung).
In der linken Hälfte der ferromagnetischen Welle 2 treten die Magnetfeldlinien in die Welle 2 ein und werden sozusagen von der ferromagnetischen Welle 2 angezogen. Die Richtung der Magnetfeldlinien bzw. der Magnetfeldvektoren ändert sich von der reinen X-Richtung (links nach rechts) in eine Richtung zu der ferromagnetischen Welle 2 hin. Das heißt, die Richtung der Magnetfeldlinien erhält zusätzlich zur X-Richtung einen positiven Anteil in Z-Richtung (nach oben).
In der rechten Hälfte der ferromagnetischen Welle 2 hingegen treten die Magnetfeldlinien aus der Welle 2 aus und werden sozusagen von der ferromagnetischen Welle 2 abgesto-ßen. Die Richtung der Magnetfeldlinien ändert sich von der reinen X-Richtung (links nach rechts) in eine Richtung von der ferromagnetischen Welle 2 weg. Das heißt, die Richtung der Magnetfeldlinien erhält zusätzlich zur X-Richtung einen negativen Anteil in Z-Richtung (nach unten).
Dies führt nun in Summe zu Streufeldwerten mit entgegengesetztem Vorzeichen an den oben beschriebenen Hallplatten-Paaren Z1, ..., Z4 und zu entsprechenden Messfehlern in den differenziellen Sensorsignalen (BzLinks und BzRechts beziehungsweise BzOben und BzUnten). Somit können diese Streufeldwerte durch das differenzielle Sensorprinzip nicht mehr unterdrückt werden.
Das homogene magnetische Streufeld erfährt also aufgrund des ferromagnetischen Materials der Welle 2 eine räumliche Verzerrung was sich in einer Ablenkung der Magnetfeldlinien widerspiegelt. Diese räumliche Verzerrung führt nun dazu, dass das an sich homogene Streufeld in der Nähe der ferromagnetischen Welle 2 einen inhomogenen Streufeldanteil aufweist.
Wie eingangs bereits erwähnt wurde, kann dieser inhomogene Streufeldanteil nicht mittels einer differentiell messenden Sensorik kompensiert werden. Dieser inhomogene Streufeldanteil führt dazu, dass sich das Magnetfeld im Erfassungsbereich des Magnetfeldsensors ändert (im Vergleich zu einer Situation, in der kein Streufeld vorhanden ist). Dies wiederum führt zu Messfehlern beim Bestimmen des Rotationswinkels der Welle 2.
Das hierin beschriebene innovative Konzept schlägt daher magnetische Schaltungskonzepte vor, um den Einfluss ferromagnetischer Wellen zu senken, was zu einer erhöhten Streufeldimmunität des differenziellen magnetischen Winkelsensorsystems führt.
Die effektivste Lösung wäre es, ferromagnetische Materialien für die Welle zu vermeiden. Dies ist jedoch nicht immer möglich, beispielsweise aufgrund mechanischer Einschränkungen. Von daher werden hierin im Wesentlichen drei unterschiedliche Konzepte vorgeschlagen, um die inhomogenen Streufeldanteile, die bei Nutzung einer ferromagnetischen Welle auftreten, zu reduzieren bzw. zu kompensieren.
5 zeigt exemplarisch ein magnetisches Winkelsensorsystem 100 nach dem hierin beschriebenen innovativen Konzept. Das magnetische Winkelsensorsystem 100 weist, unter anderem, eine drehbare Welle 102 auf. Die Welle 102 weist ein ferromagnetisches Material auf.
Das magnetische Winkelsensorsystem 100 weist außerdem einen mit der drehbaren Welle 102 gekoppelten, und insbesondere bewegungsgekoppelten, Permanentmagneten 103 auf. Unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren werden ein paar Beispiele genannt, wie die Kopplung des Permanentmagneten 103 mit der drehbaren Welle 102 realisiert sein kann.
Das magnetische Winkelsensorsystem 100 weist ferner einen Magnetfeldsensor 104 auf. Der Magnetfeldsensor 104 kann beispielsweise auf einem Substrat 105, wie zum Beispiel einem PCB (Printed Circuit Board) angeordnet sein. Der Magnetfeldsensor 104 ist dem Permanentmagneten 103 gegenüberliegend angeordnet. Der Magnetfeldsensor 104 kann koaxial zu der drehbaren Welle 102 angeordnet sein.
Der Magnetfeldsensor 104 weist einen Erfassungsbereich 106 auf. In 5 ist dieser Erfassungsbereich 106 rein exemplarisch mit Strichlinien angedeutet. Der Erfassungsbereich 106 kann in der Realität natürlich eine andere Geometrie und/oder eine andere Größe aufweisen als hier rein beispielhaft abgebildet ist. Vorzugsweise ist der Erfassungsbereich 106 jedoch derart ausgelegt, dass dieser ein von dem Permanentmagneten 103 erzeugtes Magnetfeld erfasst. Das von dem Permanentmagneten 103 erzeugte Magnetfeld ist das in dieser Anwendung interessierende Magnetfeld, denn basierend auf diesem Magnetfeld kann das magnetische Winkelsensorsystem 100 den aktuellen Rotationswinkel der Welle 102 bestimmen. Deshalb wird das vom Permanentmagneten 103 erzeugte Magnetfeld hierin auch als Nutzmagnetfeld bezeichnet. In 5 ist dieses Nutzmagnetfeld, der Übersichtlichkeit wegen, jedoch nicht eingezeichnet.
Wie in 5 zu sehen ist, liegt hier ein äußeres homogenes magnetisches Streufeld 107 vor, was durch die abgebildeten Magnetfeldvektoren angedeutet ist. Anteile dieses Streufelds 107 fallen ebenfalls in den Erfassungsbereich 106 des Magnetfeldsensors 104. Wie zuvor unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wurde, kann das Streufeld 107 aufgrund des ferromagnetischen Materials der Welle 102 inhomogene Streufeldanteile aufweisen. Bedingt durch die Konstruktion derartiger magnetischer Winkelsensorsysteme 100 liegen insbesondere diese inhomogenen Streufeldanteile im Erfassungsbereich 106 des Magnetfeldsensors 104.
Das im Erfassungsbereich 106 des Magnetfeldsensors 104 vorherrschende Magnetfeld setzt sich demnach also zusammen aus dem Nutzmagnetfeld des Permanentmagneten 103 und einem inhomogen Streufeldanteil des ansonsten homogenen Streufelds 107.
Zur Bestimmung des aktuellen Rotationswinkels der Welle 102 kann das magnetische Winkelsensorsystem 100 beispielsweise eine differentiell messende Sensorik aufweisen, so wie sie zuvor unter Bezugnahme auf die 1A bis 3 beschrieben wurde. Demnach kann der Magnetfeldsensor 104 ausgestaltet sein, um in Reaktion auf das im Erfassungsbereich 106 erfasste Magnetfeld mindestens zwei differentielle Sensorsignale 110, 120 zu erzeugen. Basierend auf diesen differentiellen Sensorsignalen 110, 120 kann ein Rotationswinkel 130 der Welle bestimmt werden, beispielsweise über die Arcustangens-Funktion. Außerdem können, basierend auf diesen mindestens zwei differentiellen Sensorsignalen 110, 120, homogene Streufeldanteile kompensiert werden.
Die im Erfassungsbereich 106 des Magnetfeldsensors 104 vorherrschenden inhomogenen Streufeldanteile (siehe die Magnetfeldvektoren, die neben der X-Richtung auch in positive bzw. negative Z-Richtung verlaufen) können mittels der differentiell messenden Sensorik jedoch nicht kompensiert werden. Dies führt zu Winkelfehlern bei der Bestimmung des Rotationswinkels 130 der Welle 102. Gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept weist das magnetische Winkelsensorsystem 100 jedoch Mittel zum Reduzieren und/oder Kompensieren des inhomogenen Streufeldanteils auf. Wie diese Mittel aussehen können, soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren näher erläutert werden.
6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel derartiger Mittel 140 zum Reduzieren und/oder Kompensieren des inhomogenen Streufeldanteils. Hier weisen die Mittel zum Reduzieren und/oder Kompensieren des inhomogenen Streufeldanteils einen Abstandshalter 140 auf, der ausgestaltet ist, um den Permanentmagneten 103 beabstandet von der Welle 102 an dieser anzuordnen.
Wie unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wurde, weist das Streufeld 107 in ausreichendem Abstand von der ferromagnetischen Welle 102 insbesondere homogene Streufeldanteile auf. Somit schafft der Abstandshalter 140 eine Möglichkeit, den Permanentmagneten 103 mit einem gewissen Abstand D1 von dem axialen Ende 154 der Welle 102 anzuordnen, sodass der Permanentmagnet 103 näher in den Bereich der homogenen Streufeldanteile rückt. Dies hat den Vorteil, dass auch der Magnetfeldsensor 104 in einem gewissen Abstand D2 von dem axialen Ende 154 der Welle 102 angeordnet werden kann, sodass auch der Magnetfeldsensor 104 näher in den Bereich der homogenen Streufeldanteile rückt.
Der Vorteil liegt hierbei insbesondere darin, dass der Luftspalt LS zwischen dem Permanentmagneten 103 und dem Magnetfeldsensor 104 weiterhin sehr gering gehalten werden kann. Das heißt, wenn man den Permanentmagneten 103 an dem axialen Ende 154 der Welle 102 belassen würde, und nur den Magnetfeldsensor 104 weiter weg anordnet, um diesen in den Bereich der homogenen Streufeldanteile zu rücken, dann würde sich dadurch auch der Luftspalt LS erhöhen. Dies würde jedoch zu kleineren Signalamplituden und größeren Winkelfehlern führen (siehe 2A bis 2D).
Der Abstandshalter 140 schafft jedoch eine Lösung für dieses Problem, indem er den Abstand D1 des Permanentmagneten 103 zu dem axialen Ende 154 der Welle 102 erhöht, bei gleichzeitiger Beibehaltung eines geringen Luftspalts LS zwischen dem Permanentmagneten 103 und dem Magnetfeldsensor 104. Dadurch kann insgesamt der Abstand D2 des Magnetfeldsensors 104 zum axialen Ende 154 der Welle 102 erhöht werden, sodass der Magnetfeldsensor 104 weiter weg von der ferromagnetischen Welle 102 und somit in einen Bereich mit hauptsächlich homogenen Streufeldanteilen rückt. Das heißt, der Erfassungsbereich 106 des Magnetfeldsensors 104 erfasst hauptsächlich homogene Streufeldanteile, die mittels der differentiell messenden Sensorik kompensiert werden können.
Der Abstandshalter 140 kann auf einer ersten Seite 141 einen Aufnahmeabschnitt 143 aufweisen, in dem der Permanentmagnet 103 angeordnet sein kann. Auf einer der ersten Seite 141 gegenüberliegenden zweiten Seite 142 kann der Abstandshalter 140 einen Anbringungsabschnitt 144 aufweisen, mittels dem der Abstandshalter 140 an der Welle 102 angebracht ist.
Der Aufnahmeabschnitt 143 für den Permanentmagneten 103 kann beispielsweise in Form einer Aussparung auf der ersten Seite 141 des Abstandshalters 140 ausgestaltet sein. Die Aussparung 143 kann beispielsweise so tief sein wie die Dicke (in axialer Richtung) des Permanentmagneten 103. Dadurch kann der Permanentmagnet 103 passgenau in die Aussparung 143 eingesetzt werden, wie dies beispielhaft in 6 gezeigt ist.
Der Anbringungsabschnitt 144, mit dem der Abstandshalter 140 an der Welle 102 angebracht ist, kann in Form einer Aussparung 144 auf der zweiten Seite 142 des Abstandshalters 140 ausgestaltet sein. Diese Aussparung 144 kann einen Durchmesser aufweisen, der im Wesentlichen gleich groß ist wie der Durchmesser der ferromagnetischen Welle 102. Dadurch kann der Abstandshalter 140 passgenau, beispielsweise mittels einer Presspassung, an der Welle 102 fixiert werden.
Sofern der Abstandshalter 140 die erwähnten Aussparungen 143, 144 auf der ersten und zweiten Seite 141, 142 aufweist, ähnelt der Abstandshalter 140 von der Form her dem Buchstaben H. Dies ermöglicht eine einfache und somit kostengünstige Herstellung des Abstandshalters 140 in der Serienfertigung.
Der Abstandshalter 140 ist vorzugsweise drehfest mit der Welle 102 verbunden, sodass sich der Abstandshalter 140 mit der Welle 102 mitdreht. Außerdem kann der Permanentmagnet 103 vorzugsweise drehfest in dem Abstandshalter 140 angeordnet sein. Dadurch ist der Permanentmagnet 103 mit der Welle 102 gekoppelt, insbesondere bewegungsgekoppelt.
Die Welle 102 weist eine Drehachse 145 (Mittelachse der Welle 102) auf. Entlang dieser Drehachse 145 ist der Abstandshalter 140 mittels seines Anbringungsabschnitts 144 an einem axialen Endabschnitt der Welle 102 angeordnet. Der Permanentmagnet 103 ist derart in dem Abstandshalter 140 angeordnet, dass der Permanentmagnet 103 koaxial zur Welle 102 ausgerichtet ist. Dies garantiert einen runden Lauf ohne Unwucht beim Drehen der Welle 102.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Abstandshalter 140 ein nicht-magnetisches Material aufweisen. Dies ist insofern von Vorteil, dass ein nicht-magnetisches Material die Magnetfeldlinien des homogenen Streufelds nicht beeinträchtigt, d.h. es kommt nicht zu räumlichen Verzerrungen wie bei einem ferromagnetischen Material (siehe 4).
Außerdem ist es denkbar, dass der Abstandshalter 140 einen Abstand D1 zwischen 4 mm und 30 mm zwischen dem Permanentmagneten 103 und der Welle 102 realisiert. Insbesondere kann der Abstandshalter 140 einen Abstand zwischen 10 mm und 20 mm zwischen dem Permanentmagneten 103 und der Welle 102 realisieren. Die diesbezüglichen Vorteile sollen nachfolgend unter Bezugnahme auf die 7A bis 7C beschrieben werden.
Die 7A bis 7C zeigen graphische Plots von durchgeführten Simulationen mit unterschiedlichen Luftspalten und unterschiedlichen Dicken der Abstandshalter 140. Die Dicke eines Abstandshalters 140 (im Folgenden auch „Spacer“ genannt) bemisst sich in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Rotationsachse 145. Die Simulationen wurden durchgeführt unter der Annahme einer ferromagnetischen Welle 102 mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Permeabilität von µr = 4000. Als Permanentmagnet 103 wird eine diametral magnetisierte Scheibe mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Höhe von 3 mm verwendet. Die Remanenz Br beträgt 515 mT und die Koerzitivkraft beträgt -355 kA/m.
7A zeigt ein Diagramm, in dem die Winkelfehler bei unterschiedlichen Luftspalten LS für unterschiedlich dicke Abstandshalter dargestellt sind. Auf der X-Achse sind die Maße des Luftspalts zwischen 0,5 mm und 3,0 mm aufgetragen. Auf der Y-Achse sind die Winkelfehler in Grad aufgetragen. Die unterschiedlichen Kurven in dem Diagramm repräsentieren Spacer mit unterschiedlichen Dicken zwischen 0 mm (kein Spacer) bis 20 mm. Der in 7A abgebildete Plot zeigt ein Szenario, in dem kein Streufeld vorhanden ist. Dementsprechend klein bzw. vernachlässigbar sind die hierbei auftretenden Winkelfehler.
Zum Zwecke der Simulation wurde eine Parameterstudie mit unterschiedlichen Streufeldamplituden zwischen 0,1 mT und 5 mT durchgeführt und die resultierenden Winkelfehler wurden für eine unterschiedliche Abstandshalterdicke d und unterschiedliche Sensorluftspalte LS ermittelt. Rein beispielhaft zeigt 7B einen Plot bei einem angelegten homogenen Streufeld (in X-Richtung) mit einer simulierten Streufeldamplitude von 1 mT, und 7C zeigt rein beispielhaft einen Plot bei einem angelegten homogenen Streufeld (in X-Richtung) mit einer simulierten Streufeldamplitude von 5 mT.
Die Kurven 171A, 171B mit einer Spacer-Dicke von 0 mm (kein Spacer) weisen erwartungsgemäß den größten Winkelfehler auf. Wie anhand der Kurven 172A, 172B zu erkennen ist, reicht bereits eine Spacerdicke von nur 4 mm aus, um den Betrag (Amplitude) des Winkelfehlers deutlich zu reduzieren. Bei einer Spacerdicke von 7 mm flachen die Kurven 173A, 173B noch deutlicher ab.
Bei einer Spacerdicke in einem Bereich zwischen 10 mm und 20 mm sind die positiven Auswirkungen des Abstandshalters 140 am deutlichsten erkennbar. Hier ist zu sehen, dass der Winkelfehler selbst bei größer werdendem Luftspalt verschwindend gering wird. Durch eine Erhöhung der Abstandshalterdicke wird also die Auswirkung der Streufelder, und dabei insbesondere die Auswirkung der durch die ferromagnetische Welle 102 verursachten inhomogenen Streufeldanteile, reduziert und die Messgenauigkeit kann deutlich erhöht werden.
Der Abstandshalter 140 hat zusätzlich den Effekt, dass weniger Permanentmagnetfeld durch die ferromagnetische Welle 102 „absorbiert“ wird. Dies bedeutet, dass die verfügbare Magnetflussdichte an dem Magnetfeldsensor 104 in dem Fall erhöht wird, dass ein Abstandshalter 140 verwendet wird. Ein höherer SNR vermindert den Winkelfehler. So könnte im Grunde auch ein stärkerer Permanentmagnet anstelle eines Abstandshalters 140 verwendet werden. Der Abstandshalter ist jedoch die effektivere und kostengünstigere Lösung.
Dies wird ersichtlich durch Vergleichen der differenziellen Signalamplituden für die Setups mit einer Abstandshalterdicke von 10 mm und 20 mm (7B und 7C). Beide Setups führen zu Signalamplitudenwerten gleicher Größe, d. h. der Permanentmagnet 103 ist bereits ausreichend weit weg von der ferromagnetischen Welle 102. Bei diesen Abständen D1 (Abstandshalterdicken d) beeinflusst die Welle 102 das verfügbare Feld an den Sensorpositionen, d.h. das Magnetfeld im Erfassungsbereich 106 des Magnetfeldsensors 104, nicht mehr. Dennoch ist der resultierende Winkelfehler für einen Abstandshalter 140 mit 20 mm wesentlich niedriger als für einen Abstandshalter mit 10 mm (vergleiche 7B und 7C). Dies beweist, dass die verbesserte Winkelgenauigkeit nicht nur durch ein erhöhtes Magnetfeld bedingt ist, sondern auch durch eine verminderte Streufeldbeeinflussung (= Rauschen). In beiden Fällen (Abstandshalter 140 oder stärkerer Magnet) wird der SNR verbessert.
Die 8A und 8B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein magnetisches Winkelsensorsystem 100 mit entsprechenden Mitteln zum Reduzieren und/oder Kompensieren des inhomogenen Streufeldanteils gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept.
Hier weisen die Mittel zum Reduzieren und/oder Kompensieren des inhomogenen Streufeldanteils eine Haltevorrichtung 150 auf. Die Haltervorrichtung 150 ist relativ zu der drehbaren Welle 102 stationär, d.h. die Haltevorrichtung 150 dreht sich nicht mit der Welle 102 mit.
Der Magnetfeldsensor 104 ist an oder in der Haltevorrichtung 150 angeordnet. Beispielsweise kann die Haltevorrichtung 150 eine Aussparung 152 aufweisen innerhalb derer der Magnetfeldsensor 104 angeordnet sein kann. Die Aussparung 152 in der Haltevorrichtung 150 kann beispielsweise so tief sein wie die Dicke (in axialer Richtung) des Permanentmagneten 103. Dadurch kann der Permanentmagnet 103 passgenau in die Aussparung 152 eingesetzt werden, wie dies beispielhaft in den 8A und 8B gezeigt ist.
Die Haltevorrichtung 150 kann einem axialen Ende 154 der Welle 102 gegenüberliegend angeordnet sein, insbesondere dort wo der Permanentmagnet 103 angeordnet ist. Die Haltevorrichtung 150 kann, relativ zur Welle 102, derart angeordnet sein, dass die Aussparung 152 mitsamt dem darin angeordneten Magnetfeldsensor 104 dem Permanentmagneten 103 gegenüberliegt.
Außerdem ist die Haltevorrichtung 150 koaxial zu der Welle 102 angeordnet, d.h. die Rotationsachse 145 der Welle 102 verläuft auch durch die Haltevorrichtung 150. Beispielsweise kann die Rotationsachse 145 durch die Aussparung 152, und somit auch durch den darin angeordneten Magnetfeldsensor 104 verlaufen, sodass der in der Haltevorrichtung 150 angeordnete Magnetfeldsensor 104 dem Permanentmagneten 103 gegenüberliegt.
Um Beschädigungen beim Rotieren der Welle 102 zu vermeiden, ist die Haltevorrichtung 150 in einem gewissen Abstand D2 zu der Welle 102 angeordnet. Dies hat außerdem den Vorteil, dass der in der Haltevorrichtung 150 angeordnete Magnetfeldsensor 104 weiter beabstandet von dem axialen Ende 154 der Welle 102 ist, wodurch der Magnetfeldsensor 104 in einen Bereich mit hauptsächlich homogenem Streufeldanteil angeordnet werden kann (vgl. 4).
Zusätzlich kann die Haltevorrichtung 150 ein weichmagnetisches bzw. ferromagnetisches Material aufweisen. Ebenso wie dies zuvor unter Bezugnahme auf 4 für eine ferromagnetische Welle 102 beschrieben wurde, können die Magnetfeldlinien des äußeren homogenen magnetischen Streufelds 107 auch in die Haltevorrichtung 150 eindringen. Die eindringenden Feldlinien verlaufen dabei innerhalb der Haltevorrichtung 150 bzw. durch die Haltevorrichtung 150 hindurch. Wie in 8A zu sehen ist, hat dies den Vorteil, dass die eindringenden Magnetfeldlinien an der Aussparung 152 und somit an dem darin angeordneten Magnetfeldsensor 104 vorbeigeleitet werden (siehe die schematisch angedeutete Magnetfeldlinie 151).
Die Feldlinien 151 werden also, ähnlich wie bei der Welle 102, aufgrund des ferromagnetischen (= weichmagnetischen) Werkstoffs in die Haltevorrichtung 150 „hineingezogen“ und dadurch am Magnetfeldsensor 104 vorbeigeleitet. Dies gilt sowohl für den homogenen als auch für den inhomogenen Streufeldanteil des an sich homogenen Streufelds 107. Das heißt, der inhomogene Streufeldanteil, der nicht mittels der differentiell messenden Sensorik kompensiert werden kann und somit zu Messfehlern führen würde, wird durch die Haltevorrichtung 150 geführt und somit an dem Magnetfeldsensor 104 vorbeigeleitet, sodass dieser inhomogene Streufeldanteil die Messergebnisse des Magnetfeldsensors 104 nicht beeinträchtigt. Somit kann der inhomogene Streufeldanteil mittels der Haltevorrichtung 150 reduziert bzw. kompensiert werden.
Die Haltevorrichtung 150 verursacht also eine Umlenkung des Streufelds, und insbesondere eine Umlenkung des homogenen sowie des inhomogenen Streufeldanteils. Die Haltevorrichtung 150 wirkt somit wie eine Art magnetischer Pol und kann deshalb auch als Polstück oder Flussleitplättchen bezeichnet werden. Der Magnetfeldsensor 104 kann im Inneren der Ausnehmung 152 des Polstücks 150 platziert sein. Das Polstück 150 greift das Streufeld 107 auf und leitet dieses aus der Sensorebene um.
8B zeigt einen Messaufbau, wie er für eine Simulation verwendet wurde, um die Wirksamkeit des Polstücks bzw. der Haltevorrichtung 150 zu eruieren. Die Parameter entsprechen denen aus den 7A und 7B, d.h. es wird eine ferromagnetische Welle 102 mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Permeabilität von µr = 4000 angenommen. Als Permanentmagnet 103 wird eine diametral magnetisierte Scheibe mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Höhe von 3 mm verwendet. Die Remanenz Br beträgt 515 mT und die Koerzitivkraft beträgt -355 kA/m. Der Permanentmagnet 103 ist direkt an dem axialen Ende 154 der Welle 102 angeordnet, d.h. es wird kein Abstandshalter bzw. Spacer 140 (siehe 6) zwischen dem Permanentmagneten 103 und der Welle 102 angeordnet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist es aber natürlich denkbar, dass das Polstück bzw. die Haltevorrichtung 150 mit dem Abstandshalter bzw. Spacer 140 kombiniert wird.
Bei dem in den 8A und 8B gezeigten Setup wird ein Luftspalt LS von 1,5 mm simuliert. Gemäß 7C wird ohne Spacer 140 bei einem Luftspalt von 1,5 mm ein Winkelfehler von 1,3° erwartet. Aufgrund der Haltevorrichtung 150, die das Streufeld umlenkt und an dem Magnetfeldsensor 104 vorbeiführt, kann der Winkelfehler jedoch deutlich reduziert werden.
Die Ergebnisse der mit dem Messaufbau gemäß 8B durchgeführten Simulation sind in den 9A bis 9C gezeigt. 9A zeigt die entsprechenden Differentialsignale wie sie von der differentiell messenden Sensorik ermittelt werden können. Die Kurve 181 bildet hierbei das mittels einem ersten Hallplatten-Paar ermittelte Signal (BzL - BzR) ab. Die Kurve 182 bildet das mittels dem zweiten Hallplatten-Paar ermittelte Signal (BzO - BzU) ab. Wie eingangs, unter Bezugnahme auf 1B bereits erwähnt wurde, sind die Hallplatten-Paare hier lediglich als ein nicht limitierendes Beispiel für die Realisierung einer differentiell messenden Sensorik aufgeführt. Alternativ zu den Hallplatten können auch andere magnetoresistive Sensorelemente, wie z.B. xMR (AMR, GMR, TMR), für das hiern beschriebene innovative magnetische Winkelsensorsystem 100 eingesetzt werden.
9B zeigt den Rotationswinkel 183 der Welle 102, der aus den beiden Differentialsignalen 181, 182 berechnet werden kann, z.B. mittels der Arcustangens-Funktion.
9C zeigt den ermittelten Winkelfehler 184. Wie zu erkennen ist, stellt sich ein Winkelfehler von etwa 0,24 Grad ein. Dies ist deutlich weniger als der aus 7C zu erwartende Winkelfehler von 1,3 Grad bei einem Luftspalt von 1,5 mm. Dies zeigt, dass die Haltevorrichtung 150 den inhomogenen Streufeldanteil wirkungsvoll reduzieren bzw. kompensieren kann.
Die bisher, unter Bezugnahme auf die 6 bis 9C diskutierten Ausführungsbeispiele können sowohl mit einem diametral magnetisierten Permanentmagneten als auch mit einem axial magnetisierten Permanentmagneten, und insbesondere mit einem zweipolig axial magnetisierten Permanentmagneten, realisiert sein. Die Magnetisierungsrichtung beschreibt den Verlauf der Magnetachse innerhalb des Permanentmagneten, an dessen Enden sich die Pole befinden. Die hierin genannten Bezeichnungen diametral und axial beziehen sich dabei auf die Rotationsachse 145 der Welle 102. Die Magnetisierungsrichtung bzw. die Magnetachse ist in den jeweiligen Figuren mittels eines Pfeils dargestellt.
So ist beispielsweise in den 6 und 8A ein diametral magnetisierter Permanentmagnet 103 abgebildet, was durch den von links nach rechts verlaufenden Pfeil symbolisiert ist.
Die beiden Pole des Permanentmagneten 103 sind in Pfeilrichtung einander gegenüberliegend angeordnet. Der Pfeil symbolisiert die Magnetachse, die sich demnach diametral, d.h. senkrecht zu der Rotationsachse 145 der Welle, erstreckt.
Ein ebenfalls in den bisher diskutierten Ausführungsformen einsetzbarer axial magnetisierter Permanentmagnet, und insbesondere ein zweipolig axial magnetisierter Permanentmagnet, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 10A bis 10C näher beschrieben.
Die 10A bis 10C zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein magnetisches Winkelsensorsystem 100 mit entsprechenden Mitteln zum Reduzieren und/oder Kompensieren des inhomogenen Streufeldanteils gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept.
Hier weisen die Mittel zum Reduzieren und/oder Kompensieren des inhomogenen Streufeldanteils eine Bohrung 160 innerhalb der Welle 102 auf. Diese Bohrung 160 erstreckt sich von einem axialen Endabschnitt 154 der Welle 102 ausgehend entlang der Wellenlängsachse bzw. Rotationsachse 145. Das heißt, die Bohrung 160 erstreckt sich von dem axialen Endabschnitt 154 der Welle 102 in die Welle 102 hinein.
Der Permanentmagnet 103 kann innerhalb dieser Bohrung 160 angeordnet sein. Der Permanentmagnet 103 kann hierbei drehfest mit der Welle 102 verbunden sein, sodass sich der Permanentmagnet 103 mit der Welle 102 mitdreht. Optional kann auch der Magnetfeldsensor 104 zusätzlich in der Bohrung 160 angeordnet sein. Der Magnetfeldsensor 104 kann in diesem Fall stationär relativ zu der Welle 102 sein, sodass sich der Magnetfeldsensor 104 nicht mit der Welle 102 mitdreht. Der Magnetfeldsensor 104 kann somit auch stationär relativ zu dem Permanentmagneten 103 sein, sodass sich der Permanentmagnet 103 zusammen mit der Welle 102 mitdreht während sich der Permanentmagnet 103 und die Welle 102 gemeinsam relativ zu dem stationären Magnetfeldsensor 104 drehen.
Der Permanentmagnet 103 kann vollständig innerhalb der Bohrung 160 angeordnet sein. Auch der Magnetfeldsensor 104 kann vollständig innerhalb der Bohrung 160 angeordnet sein. Dementsprechend kann der Magnetfeldsensor 104, in axialer Richtung gesehen, zwischen dem Permanentmagneten 103 und dem axialen Endabschnitt 154 der Welle 102 angeordnet sein.
Die Bohrung 160 kann als ein Sackloch ausgestaltet sein, wie dies beispielhaft in 10A gezeigt ist. Am Ende des Sacklochs 160 kann der Permanentmagnet 103 angeordnet sein.
Dies hat den Vorteil, dass das ferromagnetische Material der Welle 102 an der Rückseite des Permanentmagneten 103 das Nutzmagnetfeld des Permanentmagneten 103 erhöht, sodass für den Magnetfeldsensor 104 ein deutlich größeres Nutzmagnetfeld zur Ermittlung des Rotationswinkels verfügbar ist.
Die Bohrung 160 kann einen Durchmesser aufweisen, der in etwa dem Durchmesser des Permanentmagneten 103 entspricht. Somit kann der Permanentmagnet 103 passgenau in die Bohrung 160 eingeführt werden.
Wie insbesondere in 10B zu sehen ist, wirkt die Bohrung 160 als eine Art Abschirmung des Magnetfeldsensors 104 vor dem Streufeld 107, und insbesondere vor den inhomogenen Streufeldanteilen. Wie unter Bezugnahme auf 4 erläutert wurde, zieht die ferromagnetische Welle 102 die Magnetfeldlinien des Streufelds 107 an. Die Magnetfeldlinien verteilen sich hierbei innerhalb der Welle 102. Sie treten jedoch nicht in die Bohrung 160 ein, sodass der innerhalb der Bohrung 160 angeordnete Permanentmagnet 103 sowie der Magnetfeldsensor 104 vor dem Streufeld geschützt bzw. abgeschirmt ist.
10B zeigt im Wesentlichen die Streufeldverteilung in einem XZ-Querschnitt eines magnetischen Winkelsensorsystems 100 gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept mit einer Bohrung 160 in der Welle 102. Zu Darstellungszwecken ist der Permanentmagnet 103 auch hier wieder unter Vakuum gesetzt, sodass nur das äußere Streufeld 107, das in X-Richtung angelegt ist (5 mT), erkennbar ist. Die ferromagnetische Welle 102 lenkt die Feldlinien des homogenen Streufelds 107 ab und schirmt den Magnetfeldsensor 104 vor dem Streufeld 107 ab.
Wie eingangs erwähnt wurde, können sowohl der Permanentmagnet 103 als auch der Magnetfeldsensor 104 vollständig innerhalb der Bohrung 160 angeordnet sein, was zu einer besonders guten Abschirmung führt. Da sich der Permanentmagnet 103 relativ zu dem Magnetfeldsensor 104 dreht, sollte auch hier ein ausreichend großer Luftspalt LS zwischen dem Permanentmagneten 103 und dem Magnetfeldsensor 104 vorgesehen sein. Aufgrund der Tatsache, dass das ferromagnetische Material der Welle 104 das Nutzmagnetfeld des Permanentmagneten 103 erhöht, kann der Luftspalt LS mit einer etwas größeren Toleranz als in den beiden bisher diskutierten Ausführungsformen ausgelegt sein.
In 10C wird das Nutzmagnetfeld des innerhalb der Bohrung 160 angeordneten Permanentmagneten 103 (Kurve 230) mit einem alleinstehenden Permanentmagneten außerhalb einer Welle mit Bohrung (Kurve 240) sowie mit einem Permanentmagneten mit einer ferromagnetischen Platte an der Rückseite (Kurve 250) verglichen.
In der Simulation gemäß der Kurve 250 erhöht die ferromagnetische Platte das Nutzmagnetfeld des Permanentmagneten 103, das für die Sensorseite verfügbar ist. Dies ist somit vergleichbar mit einer Anordnung, in der der Permanentmagnet 103 am Ende der als Sackloch ausgestalteten Bohrung 160 angeordnet ist und dort mit der Welle 102 in Kontakt ist. Hier dient das nach innen versetzte Wellenende, an dem der Permanentmagnet 103 anliegt, als Verstärker des Nutzmagnetfelds. Das heißt, die ferromagnetische Welle 102 hat einen ähnlichen Effekt wie die simulierte ferromagnetische Platte auf der Rückseite des Permanentmagneten (siehe Kurve 250).
Wie in 10C zu erkennen ist, zeigt die Ausgestaltung mit Feldverstärkung (Kurve 250) die höchsten Feldamplituden. Das ferromagnetische Material an der Rückseite des Permanentmagneten 103 verstärkt das Nutzmagnetfeld, das für den Sensor 104 verfügbar ist. Die ferromagnetischen Seitenwände der Bohrung 160 jedoch absorbieren einen bestimmten Anteil dieses Magnetfelds. Deshalb profitiert der Magnetfeldsensor 104 bei kleinen Luftspalten bis ca. 0,75 mm von dem verstärkten Nutzmagnetfeld aufgrund des ferromagnetischen Materials an der Rückseite des Permanentmagneten 103 (Kurve 250). Mit größer werdenden Luftspalten hingegen werden dann jedoch die ferromagnetischen Seitenwände dominant (Kurve 230). Diese reduzieren das Nutzmagnetfeld ein wenig, verglichen mit dem alleinstehenden Permanentmagneten (Kurve 240).
In allen hier diskutierten Beispielen für die durchgeführten Simulationen wurden die gleichen Magnetabmessungen sowie Materialien verwendet. Dadurch erhält man, zum Zweck einer deutlichen Visualisierung, sehr starke differenzielle Signale. Im Grunde würde auch ein schwächeres Magnetmaterial (z. B. isotropes Ferrit mit einer Remanenz Br = 230 mT) ausreichend große Felder für den Sensor liefern.
Der innerhalb der Bohrung 160 angeordnete Permanentmagnet 103 kann ein axial magnetisierter Zylinder mit einem Nord- und einem Südpol an der Unterseite sein. Hierbei kann es sich insbesondere um einen zweipolig axial magnetisierten Permanentmagneten handeln.
Wie in den 10A und 10C zu sehen ist, kann der Permanentmagnet 103 in einer linken Hälfte ein erstes Polpaar 211, 212 aufweisen. Das erste Polpaar 211, 212 kann zwei, in axialer Richtung übereinander angeordnete, entgegengesetzte Magnetpole 211, 212 aufweisen. Die Magnetflussrichtung bzw. die Magnetachse verläuft axial, d.h. parallel zur Rotationsachse 145 der Welle, was durch den in der linken Hälfte des Permanentmagneten 103 eingezeichneten (von oben nach unten verlaufenden) Pfeil angedeutet ist.
In einer rechten Hälfte kann der Permanentmagnet 103 ein zweites Polpaar 213, 214 aufweisen. Das zweite Polpaar 213, 214 kann ebenfalls zwei, in axialer Richtung übereinander angeordnete, entgegengesetzte Magnetpole 213, 214 aufweisen. Die Magnetflussrichtung bzw. die Magnetachse verläuft axial, d.h. parallel zur Rotationsachse 145 der Welle, was durch den in der rechten Hälfte des Permanentmagneten 103 eingezeichneten (von unten nach oben verlaufenden) Pfeil angedeutet ist.
Die beiden Magnetpole 211, 212 des ersten Polpaars sind spiegelverkehrt zu den beiden Magnetpolen 213, 214 des zweiten Polpaars angeordnet. Zum Beispiel kann im ersten Polpaar ein Nordpol oben (in axialer Richtung gesehen) und ein Südpol unten angeordnet sein, wobei dann im zweiten Polpaar dementsprechend ein Südpol oben und ein Nordpol unten angeordnet wäre. Dies führt dazu, dass die Magnetachsen der beiden Poolpaare zwar beide axial, aber in entgegengesetzter Richtung, verlaufen. Somit handelt es sich hier um einen zweipolig axial magnetisierten Permanentmagneten.
Der Vorteil eines solchen zweipolig axial magnetisierten Permanentmagneten liegt darin, dass er im Vergleich zu Ringmagneten deutlich kostengünstiger ist.
Nachfolgend soll das hierin beschriebene innovative Konzept nochmals in anderen Worten kurz zusammengefasst werden:

Das vorliegende Konzept bezieht sich auf magnetische Wellenende-Winkelsensorsysteme. Für derartige Anwendungen sind üblicherweise diametral magnetisierte Scheibenmagnete an einem Wellenende angebracht. Ein Magnetfeldsensor ist in einer bestimmten Entfernung von dem Magneten koaxial befestigt. Magnetfeldsensoren sind jedoch anfällig gegenüber äußeren magnetischen Streufeldern.

Normalerweise kann ein homogenes Streufeld mittels einer differentiellen Messung kompensiert werden. Denn bei einem homogenen Streufeld wirkt auf beiden Seiten (oben/unten bzw. links/rechts) der gleiche Anteil (Betrag und Richtung) des unerwünschten Streufelds.
Bei ferromagnetischen Wellen kommt es jedoch zu räumlichen Verzerrungen des (eigentlich) homogenen Streufelds, d.h. durch die Verzerrung des Streufelds in der Welle wird das eigentlich homogene Streufeld nun teilweise inhomogen. Z.B. zeigen die Feldvektoren beim Eintreten in die Welle nach oben, und beim Austreten aus der Welle nach unten. Das heißt, die Vektoren haben links und rechts unterschiedliche Vorzeichen. Deshalb kann das (teilweise inhomogene) Streufeld mit der differentiellen Messung alleine nicht genau genug kompensiert werden, denn zum Zwecke der Kompensation mittels differentieller Messung müsste ein komplett homogenes Magnetfeld vorliegen, das auf beiden Seiten (links/rechts bzw. oben/unten) die gleichen Magnetfeldanteile (Betrag und Richtung) aufweist.
Trotz differentiellem Messprinzip können Streufelder nicht komplett kompensiert werden, denn es bleiben nicht kompensierbare inhomogene Anteile, die das Nutzmagnetfeld des Permanentmagneten überlagern und so zu Messfehlern beim Sensor führen.
Das vorliegende Konzept versucht nun diese inhomogenen Anteile zu kompensieren, damit diese inhomogenen Anteile das Nutzmagnetfeld des Permanentmagneten nicht mehr überlagern und der Sensor somit nur das tatsächliche Magnetfeld des Permanentmagneten messen kann. Die homogenen Anteile des Streufelds können dabei weiterhin durch die differentielle Messung kompensiert werden
Mit diesem Konzept werden insbesondere drei magnetische Schaltungskonzepte vorgestellt, um die Immunität von differenziellen magnetischen Sensoren gegenüber Streufeldern zu erhöhen.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, einen nicht magnetischen Abstandshalter 140 zwischen dem Permanentmagneten 103 und der Welle 102 vorzusehen. Das Hinzufügen eines nicht magnetischen Abstandshalters 140 zwischen dem Magneten 103 und der ferromagnetischen Welle 102 verbessert die Streufeld-Robustheit drastisch. Durch Hinzufügen dieses Abstandshalters 140 bewegen sich der Sensor 104 und der Magnet 103 weiter weg von der ferromagnetischen Welle 102 und senken dadurch die Auswirkung des Streufelds 107. Das heißt, die Entfernung D2 zwischen Welle 102 und Sensor 104 wird erhöht. Streufelder 107, die durch die ferromagnetische Welle 102 abgelenkt und verzerrt werden, beeinflussen die Sensorsignale dadurch deutlich weniger. Dieser Abstandshalter 140 kann die Funktion einer Halterung für den Permanentmagneten 103 übernehmen, um diesen beabstandet von der Welle 102 an selbiger anzuordnen. Der Querschnitt des Abstandshalters 140 kann wie der Buchstabe „H“ ausgestaltet sein, wobei ein Ende über die Welle 102 gezogen werden kann, während das andere Ende als Halterung für den Magneten 103 dient. Dies ermöglicht eine robuste Fixierung des Magneten 103 an der Welle 102. Der Abstandshalters 140 kann aber auch andere Formen aufweisen. Zum Beispiel kann der Abstandshalter 140 in Form einer massiven Scheibe ausgestaltet sein. In jedem Fall erlaubt der Abstandshalter 140 eine robuste und genaue Anbringung des Magneten 103 an der Welle 102.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel kann eine ferromagnetische Haltevorrichtung 150 bzw. ein ferromagnetisches Polstück vorgesehen sein. Das Polstück 150 kann wie ein Suppenteller geformt sein, wobei in der Mitte der Magnetfeldsensor 140 angeordnet sein kann. Der Sensorchip 140 kann beispielsweise innerhalb einer Ausnehmung 152 in dem Polstück 150 platziert sein. Das ferromagnetische Polstück 150 kann wie eine Umleitung für die Streufelder wirken. Das Polstück 250 lenkt das Streufeld 107 um und lenkt das Streufeld 107 somit von dem Sensorchip 140 weg bzw. aus der Sensorebene heraus, um dadurch den Winkelfehler zu reduzieren.
In einem dritten Ausführungsbeispiel kann eine Bohrung 160 innerhalb der Welle 102 vorgesehen sein, wobei der Permanentmagnet 103 und optional auch der Magnetfeldsensor 104 innerhalb dieser Bohrung 160 angeordnet sein können. Hierbei kann ein axial polarisierter Zylinder- oder Ringmagnet mit je zwei Polen an einer Seite des Permanentmagneten 103 verwendet werden. Der Magnet 103 kann in die Welle 102 integriert sein. Dabei wirkt die ferromagnetische Welle 102 wie ein Spiegel für den Magneten 103 und erhöht das Nutzmagnetfeld an der Sensorposition, d.h. im Erfassungsbereich 106 des Magnetfeldsensor 104. Es handelt sich hierbei also um eine integrierte Wellenende-Lösung, wobei der Sensor 104 und der Magnet 103 im Inneren einer Bohrung 160 an dem Ende 154 der Welle 102 integriert sein können. Der Magnet 103 kann ein axial magnetisierter Zylinder mit zwei Polen an einer Seite sein. Die ferromagnetische Welle 102 an der Rückseite des Magneten 103 unterstützt einen Anstieg des Magnetfelds an der Sensorposition. Die Welle 102 selbst wirkt wie eine Abschirmung gegen externe Felder.
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

Magnetisches Winkelsensorsystem (100) aufweisend: eine drehbare Welle (102), einen mit der drehbaren Welle (102) gekoppelten Permanentmagneten (103), einen dem Permanentmagneten (103) gegenüberliegend angeordneten Magnetfeldsensor (104), wobei der Magnetfeldsensor (104) ausgestaltet ist, um ein in seinem Erfassungsbereich (106) vorherrschendes Magnetfeld zu erfassen, wobei der Magnetfeldsensor (104) ausgestaltet ist, um in Reaktion auf das erfasste Magnetfeld mindestens zwei differentielle Sensorsignale (110, 120) zu erzeugen, mit denen homogene Streufeldanteile kompensierbar sind, und um basierend auf den mindestens zwei differentiellen Sensorsignalen (110, 120) einen Rotationswinkel (130) der Welle zu bestimmen, wobei die drehbare Welle (102) ein ferromagnetisches Material aufweist, wobei das ferromagnetische Material ein anwesendes äußeres homogenes magnetisches Streufeld (107) räumlich verzerrt, wodurch sich das Magnetfeld im Erfassungsbereich (106) des Magnetfeldsensors (104) ändert im Vergleich zu einer Situation in der dieses Streufeld (107) nicht anwesend ist, wobei die durch das ferromagnetische Material bedingte räumliche Verzerrung einen inhomogenen Streufeldanteil des Streufelds (107) verursacht, der zu Messfehlern beim Bestimmen des Rotationswinkels der Welle (102) führt, und wobei das magnetische Winkelsensorsystem (100) ferner Mittel (140, 150, 160) zum Reduzieren und/oder Kompensieren des inhomogenen Streufeldanteils aufweist.
Magnetisches Winkelsensorsystem nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Reduzieren und/oder Kompensieren des inhomogenen Streufeldanteils einen Abstandshalter (140) aufweisen, der ausgestaltet ist, um den Permanentmagneten (103) beabstandet von der Welle (102) an dieser anzuordnen.
Magnetisches Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 2, wobei der Abstandshalter (140) auf einer ersten Seite (141) einen Aufnahmeabschnitt (143) aufweist, in dem der Permanentmagnet (103) angeordnet ist, und wobei der Abstandshalter (140) auf einer der ersten Seite (141) gegenüberliegenden zweiten Seite (142) einen Anbringungsabschnitt (144) aufweist, mittels dem der Abstandshalter (140) drehfest an der Welle (102) angebracht ist.
Magnetisches Winkelsensorsystem nach Anspruch 3, wobei der Abstandshalter (140) mittels seines Anbringungsabschnitts (144) an einem axialen Endabschnitt der Welle (102) angeordnet ist und wobei der Permanentmagnet (103) koaxial zur Welle (102) ausgerichtet ist.
Magnetisches Winkelsensorsystem (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Abstandshalter (140) ein nicht-magnetisches Material aufweist.
Magnetisches Winkelsensorsystem (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Abstandshalter (140) einen Abstand D1 zwischen 4 mm und 30 mm zwischen dem Permanentmagneten (103) und der Welle (102) realisiert, oder wobei der Abstandshalter (140) einen Abstand D1 zwischen 10 mm und 20 mm zwischen dem Permanentmagneten (103) und der Welle (102) realisiert.
Magnetisches Winkelsensorsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zum Reduzieren und/oder Kompensieren des inhomogenen Streufeldanteils eine Haltevorrichtung (150) aufweisen, die relativ zu der drehbaren Welle (102) stationär ist, wobei der Magnetfeldsensor (104) in der Haltevorrichtung (150) angeordnet ist, und wobei die Haltevorrichtung (150) beabstandet von der Welle (102) und koaxial zu der Welle (102) angeordnet ist, sodass der in der Haltevorrichtung (150) angeordnete Magnetfeldsensor (104) dem Permanentmagneten (103) gegenüberliegt.
Magnetisches Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 7, wobei die Haltevorrichtung (150) eine Aussparung (152) aufweist, in der der Magnetfeldsensor (104) angeordnet ist.
Magnetisches Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Haltevorrichtung (150) ein weichmagnetisches Material aufweist, in das Magnetfeldlinien (151) des Streufelds (107) eindringen und dabei durch die Haltevorrichtung (150) hindurch, und somit an dem Magnetfeldsensor (104) vorbei, geleitet werden.
Magnetisches Winkelsensorsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Permanentmagnet (103) ein diametral magnetisierter Permanentmagnet ist, dessen Magnetisierungsrichtung sich im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse (145) der Welle (102) erstreckt.
Magnetisches Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Reduzieren und/oder Kompensieren des inhomogenen Streufeldanteils eine Bohrung (160) innerhalb der Welle (102) aufweisen, wobei sich die Bohrung (160) von einem axialen Endabschnitt (154) der Welle (102) ausgehend entlang der Wellenlängsachse (145) erstreckt, und wobei der Permanentmagnet (103) und der Magnetfeldsensor (104) innerhalb dieser Bohrung (160) angeordnet sind.
Magnetisches Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 11, wobei die Bohrung (160) als ein Sackloch ausgestaltet ist, und wobei der Permanentmagnet (103) am Ende des Sacklochs angeordnet ist.
Magnetisches Winkelsensorsystem (100) nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Magnetfeldsensor (104), in axialer Richtung gesehen, zwischen dem Permanentmagneten (103) und dem axialen Endabschnitt (154) der Welle (102) angeordnet ist.
Magnetisches Winkelsensorsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Permanentmagnet (103) drehfest an der Welle fixiert ist, sodass sich der Permanentmagnet (103) mit der Welle (102) mitdreht, und wobei der Magnetfeldsensor (104) gegenüber der Welle (102) stationär ist und sich nicht mit der Welle (102) mitdreht.
Magnetisches Winkelsensorsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder 11 bis 14, wobei der Permanentmagnet (103) ein zweipolig axial magnetisierter Permanentmagnet ist, der ein erstes Polpaar (211, 212) und ein zweites Polpaar (213, 214) aufweist, wobei die Magnetisierungsrichtungen des ersten und zweiten Polpaars jeweils entgegengesetzt gerichtet sind und sich im Wesentlichen parallel zur Längsachse (145) der Welle (102) erstrecken.