DE10254552A1

DE10254552A1 - Winkelpositionsgeber

Info

Publication number: DE10254552A1
Application number: DE10254552A
Authority: DE
Inventors: Peter Wiese
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2004-06-03
Also published as: WO2004046653A1; US20060267581A1; EP1563258A1; US7259554B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelpositionsgeber zur Erfassung der Winkelposition eines um eine Drehachse drehbaren Bauteils, mit einem Magnetring 3', der koaxial zur Drehachse 6 mit dem Bauteil drehfest verbunden, quer zur Drehachse 6 magnetisiert und an seinem Außenumfang von einem ferromagnetischen äußeren Abschirmring 4 umschlossen ist. Weiterhin ist ein magnetisches Sensorelement 9 vorhanden, das radial innerhalb des Magnetrings 4 ortsfest angeordnet ist. Das drehbare Bauteil ist von einem zur Drehachse 6 koaxial und zum äußeren Abschirmring 4 etwa radial angeordneten ferromagnetischen inneren Abschirmring 1 umschlossen, der wiederum von einem inneren Magnetring 2 umschlossen ist. Dabei ist der innere Abschirmring 1 und der innere Magnetring 2 drehfest mit dem drehbaren Bauteil verbunden und das magnetische Sensorelement 9 in einem zwischen dem äußeren Magnetring 3 und dem inneren Magnetring 2 gebildeten Ringspalt 5 angeordnet. Die Magnetisierung des inneren Magnetrings 2 ist der Magnetisierung des äußeren Magnetrings 3 entgegengesetzt und derart dimensioniert, dass die Magnetflussdichte am Ort des inneren Abschirmrings 1 etwa einer Magnetflussdichte bei nicht vorhandenem inneren Abschirmring 1 entspricht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelpositionsgeber zur Erfassung der Winkelposition eines um eine Drehachse drehbaren Bauteils, insbesondere Drosselventilpositionsgeber, mit einem ein- oder mehrteiligen Magnetring, der koaxial zur Drehachse mit dem Bauteil drehfest verbunden, quer zur Drehachse magnetisiert und an seinem Außenumfang von einem ferromagnetischen äußeren Abschirmring umschlossen ist, sowie mit einem magnetischen Sensorelement, das radial innerhalb des Magnetrings ortsfest angeordnet ist.
Derartige bekannte Winkelpositionsgeber sind als magnetoresistive Geber oder als Hall-Sensoren ausgebildet.
Bei den magnetoresistiven Gebern wird von dem Magnetring ein erregendes Feld erzeugt, welches sich um das aktive Zentrum des Sensorelements dreht. Durch die Ausbildung des Sensorelements aus in Form einer Wheatstone-Brücke geschalteten Teilwiderständen erhält man eine Sinus- und eine Kosinusfunktion, so dass über Bildung des Arcustangens der zu messende Winkel bestimmt werden kann.
Hall-Sensoren liefern ein Signal, welches der magnetischen Induktion proportional ist. Sie haben gegen magnetische Störfelder eine gute Beständigkeit, da diese durch den äußeren Abschirmring vom Hall-Sensor fern gehalten werden.
Diese bekannten Winkelpositionsgeber erfordern eine zentrische Anordnung innerhalb des Magnetrings, um die sinus- und kosinusförmigen Signale korrekt erhalten zu können.
Weiterhin ist die Verwendung eines drehbaren Bauteils aus einem ferromagnetischen Werkstoff nicht möglich, da es durch diesen sonst zu einem stark inhomogenen Feldverlauf kommt. Da der magnetische Widerstand im Eisen um mehrere Größenordnungen geringer ist als in Luft, wird ein großer Anteil der Feldlinien zum drehbaren Bauteil hin abgelenkt. Dies äußert sich darin, dass die Feldamplituden in vertikaler und horizontaler Richtung sehr unterschiedlich sind. Ohne aufwendige Korrektur sind die erzeugten Signale für die Winkelberechnung nicht mehr geeignet.
Auch die Winkelbestimmung mittels eines Hall-Sensors ist bei Verwendung eines drehbaren Bauteils aus einem ferromagnetischen Werkstoff schwierig, da dieses Bauteil in unmittelbarer Nachbarschaft der Flussleitstücke des Hall-Sensors angeordnet ist und so ein großer Teil des Magnetflusses von dem drehbaren Bauteil kurzgeschlossen wird. Ein exakter Abgleich der Kennlinien des Sensors ist erst im zusammengebauten Zustand möglich, was mit erhöhten Herstellungskosten verbunden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Winkelpositionsgeber der eingangs genannten Art zu schaffen, der als Hohlwellengeber ausführbar ist, die Verwendung eines verschleißarmen und kostengünstigen Werkstoffs des drehbaren Bauteils ermöglicht, einfach aufgebaut ist und auf einfache Weise eine Winkelbestimmung hoher Genauigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das drehbare Bauteil von einem zur Drehachse koaxial und zum äußeren Abschirmring etwa radial angeordneten ferromagnetischen inneren Abschirmring umschlossen ist, der wiederum von einem ein- oder mehrteiligen inneren Magnetring umschlossen ist, wobei der innere Abschirmring und der innere Magnetring drehfest mit dem drehbaren Bauteil verbunden sind und das magnetische Sensorelement in einem zwischen dem äußeren Magnetring und dem inneren Magnetring gebildeten Ringspalt angeordnet ist, mit einer Magnetisierung des inneren Magnetrings, die der Magnetisierung des äußeren Magnetrings entgegengesetzt und derart dimensioniert ist, dass die Magnetflussdichte am Ort des inneren Abschirmrings etwa einer Magnetflussdichte bei nicht vorhandenem innerem Abschirmring entspricht.
Eine zentrische Anordnung des Sensorelements ist nicht erforderlich und ermöglicht so die Ausbildung als Hohlwellengeber. Dies gibt auch die Möglichkeit den Winkelpositionsgeber nicht nur an einem axialen Ende des drehbaren Bauteils sondern auch das Bauteil umschließend an ggf. schlecht zugänglicher Stelle anzuordnen.
Die Dimensionierung der Magnetisierung des inneren Magnetrings führt dazu, dass das Innere des inneren Abschirmrings feldfrei bleibt, so dass es unerheblich ist, aus welchem Werkstoff das später in das Innere des inneren Abschirmrings einzubringende drehbare Bauteil besteht.
Die Anordnung des inneren Magnetrings führt dazu, dass es selbst bei Ausführung des inneren Abschirmrings mit geringer Permeabilität (z.B. μr = 100) keinen Einfluss auf die Kennlinie des Sensorelements hat, ob ein ferromagnetisches drehbares Bauteil vorliegt oder nicht. Die Kurven des Induktionsverlaufs bleiben deckungsgleich.
Das drehbare Bauteil kann aus einem ferromagnetischen Werkstoff bestehen. Ferromagnetische Werkstoffe sind kostengünstig und gut verfügbar. Weiterhin sind sie härtbar und somit verschleißarm.
Durch den inneren Abschirmring und den inneren Magnetring wird auch unter Anwesenheit eines ferromagnetischen Bauteils der Feldverlauf der Feldlinien gut homogen gehalten, was eine exakte Winkelmessung mit magnetoresistiven Sensoren ermöglicht.
Bei Auswertung durch Induktionsmessung wie z.B. durch einen Hall-Sensor wird ein magnetischer Kurzschluss zwischen dessen Flussleitstücken und dem ferromagnetischen drehbaren Bauteil verhindert.
Durch den inneren Magnetring erfolgt eine Kompensation der Ablenkung der Feldlinien des äußeren Magnetrings durch den ferromagnetischen Werkstoff des drehbaren Bauteils.
Das drehbare Bauteile kann eine Welle insbesondere eine Drosselklappenwelle eines Drosselklappenventils sein.
Der innere Magnetring und der äußere Magnetring können entweder radial oder auch diametral magnetisiert sein.
Zu einer großen Freiheit der Anordnung des Winkelpositionsgebers führt es, wenn die Magnetringe und Abschirmringe das drehbare Bauteil ganz oder teilweise umschließen.
Eine vorteilhafte Ausbildung des magnetischen Sensorelements besteht aus einem magnetoresistiven Sensor. Dieser ist deshalb möglich, weil die Feldlinien im wesentlichen vollständig parallel verlaufen und nicht zum inneren Abschirmring hin oder von diesem weg abgelenkt werden und somit der Induktionsverlauf der Normal- und Tangentialkomponente Sinus- bzw. kosinusförmig ist und die Scheitelwerte beider Signale gleich sind. Dabei kann der magnetoresistive Sensor ein AMR-Sensor (Anisotropic Magneto Resistor) sein.
Aufgrund der Abschirmwirkung der beiden Abschirmringe kann der magnetoresistive Sensor auch ein GMR-Sensor (Giant Magneto Resistor) sein, obwohl dies ein hoch sensitiver Sensor ist. Eine Beeinträchtigung des Signals dieses Sensors durch magnetische Störfelder erfolgt aufgrund der Abschirmung nicht.
Besteht der AMR-Sensor oder der GMR-Sensor aus insbesondere vier in Form einer Wheatstone-Brücke verschalteten Teilwiderständen, so geben die Teilwiderstände über eine halbe Umdrehung des drehbaren Bauteils bei einem AMR-Sensor bzw. eine ganze Umdrehung des drehbaren Bauteils bei einem GMR-Sensor eine vollständige Sinusfunktion ab.
Besteht weiterhin das magnetische Sensorelement aus zwei elektrisch um 90° verschobenen AMR-Sensoren oder GMR-Sensoren, so erhält man eine Sinus- und eine Kosinusfunktion, so daß über die Bildung des Arcustangens der Winkel innerhalb von 180° (bei AMR-Sensoren) bzw. 360° (bei GMR-Sensoren) bestimmt werden kann.
Eine andere vorteile Ausbildung des magnetischen Sensorelements besteht aus einem Hall-Sensor, wobei vorzugsweise der Hall-Sensor aus einem Hall-Element besteht, das in einem Messluftspalt zwischen zwei Flussleitstücken angeordnet ist.
Zwischen den Wendepunkten der Funktion des Signals des Hall-Sensors, d.h. bei Stellungen mit betragsmäßig maximaler Induktion, wenn die Magnetisierung senkrecht zum Messluftspalt steht, existieren zwei Bereiche von je etwa 150° mit geringem Linearitätsfehler. Auch eine Ausbildung ohne inneren Ringmagnet ergibt bereits eine gute Linearität des Induktionsverlaufs über den Drehwinkel und bedeutet eine Ausbildung der Erfindung. Mit innerem Ringmagnet wird aber ein weiterer Positiver Effekt deutlich, nämlich, dass das Signal in dem Messluftspalt durch den Beitrag des inneren Magnetrings deutlich verstärkt wird, da die Flussanteile beider Magnete im Messluftspalt gleichgerichtet sind. Vor allem aber verhindert der innere Magnetring, dass das ferromagnetische drehbare Bauteil als magnetischer Kurzschluss zwischen den angrenzenden Flussleitstücken wirkt. Durch die signalverstärkende Wirkung des inneren Magnetrings können, wie auch bei den magnetoresistiven Sensoren, kostengünstige, insbesondere kunststoffgebundene Hartferritmagnete anstelle von teuren Seltenerd-Magneten eingesetzt werden.
Die Flussleitstücke bestehen vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material, insbesondere aus Nickel-Eisen.
Ein konstruktiv günstiger Aufbau ergibt sich, wenn die Flussleitstücke als zwei im wesentlichen halbringförmige Segmente ausgebildet sind, die symmetrisch zur Drehachse angeordnet und zwischen deren einander zugewandten Enden zwei Messluftspalte gebildet sind, wobei in zumindest einem der Messluftspalte ein Hall-Element angeordnet ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Winkelpositionsgebers
2 eine Darstellung des Feldlinienverlaufs des Winkelpositionsgebers nach 1
3 ein sinusförmiges Ausgangssignal eines Sensorelements des Winkelpositionsgebers nach 1
4 ein kosinusförmiges Ausgangssignal eines Sensorelements des Winkelpositionsgebers nach 1
5 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Winkelpositionsgebers
6 eine schematische Ansicht eines dritten
Ausführungsbeispiels eines Winkelpositionsgebers
7 einen Querschnitt eines Drosselklappenstutzens mit einem Winkelpositionsgeber.
Die in den Figuren dargestellten Winkelpositionsgeber weisen einen ferromagnetischen inneren Abschirmring 1 auf, der von einem inneren Magnetring 2, 2' umschlossen ist. In einem radialen Abstand ist koaxial den inneren Magnetring 2, 2' umschließend ein äußerer Magnetring 3, 3' angeordnet, der wiederum von einem ferromagnetischen äußeren Abschirmring 4 umschlossen ist.
Durch den radialen Abstand zwischen innerem und äußerem Magnetring 2, 2' und 3, 3' ist ein Ringspalt 5 gebildet.
Die inneren und äußeren Abschirmringe 1 und 4 sowie die inneren und äußeren Magnetringe 2, 2' und 3, 3' sind drehfest mit einem um eine Drehachse 6 drehbaren Bauteil, das in 7 die aus einem ferromagnetischen Werkstoff bestehende Drosselklappenwelle 7 eines Drosselklappenstutzens einer Brennkraftmaschine ist, verbunden.
Bei den Ausführungsbeispielen der 1 und 3 sind sowohl der innere Magnetring 2 als auch der äußere Magnetring 3 diametral magnetisiert, was durch Pfeile dargestellt ist. Die Magnetisierung des inneren Magnetrings 2 ist der Magnetisierung des äußeren Magnetrings 3 entgegengesetzt.
Auch die Magnetisierungen des inneren und äußeren Magnetrings 2' und 3' des Ausführungsbeispiels der 6 sind einander entgegengesetzt, was ebenfalls durch Pfeile dargestellt ist. In 6 sind die Magnetisierungen von innerem und äußerem Magnetring 2' und 3' aber radial.
Die Dimensionierung der Magnetisierung des inneren Magnetrings 2, 2' ist derart, dass in Zusammenwirken mit der Magnetisierung des äußeren Magnetrings 3, 3' die Flussdichte am Ort des inneren Abschirmrings 1 genauso groß ist, als wenn dieser innere Abschirmring 1 nicht vorhanden wäre. Der innere Magnetring 2, 2' bildet somit einen Kompensationsmagneten. Damit ist das Innere des inneren Abschirmrings 1 feldfrei, so dass durch die ferromagnetische Drosselklappenwelle 7 in 7 keine Beeinflussung des Feldverlaufs erfolgt. Die Feldlinien 8 verlaufen in dem gesamten Bereich des Ringspalts 5 parallel zueinander und werden nicht zum inneren Abschirmring 1 hin oder von diesem weg abgelenkt. Dies ist deutlich in 2 dargestellt.
In dem Ringspalt 5 ist ein magnetisches Sensorelement feststehend angeordnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 besteht das magnetische Sensorelement 9 aus zwei um 90° verschobenen magnetoresistiven Sensoren, die jeweils aus vier in Form einer Wheatstone-Brücke verschalteten Teilwiderständen bestehen. Über eine Umdrehung der Drosselklappenwelle 7 werden von den magnetoresistiven Sensoren ein sinusförmiges (3) und ein kosinusförmiges (4) Signal abgegeben. Aus diesen Signalen kann dann in einer Auswerteschaltung durch Bildung des Arcustangens die Winkelposition ermittelt werden.
Bei den Ausführungsbeispielen der 5 und 6 sind in dem Ringspalt 5 zwei als halbringförmige Elemente ausgebildete Flussleitstücke 10, 10' koaxial zur Drehachse 6 feststehend angeordnet, die aus Nickel-Eisen bestehen.
Zwischen den einander zugewandten Enden der Flussleitstücke 10, 10' befinden sich Spalte, die als Messluftspalte 11, 11' dienen. In dem Messluftspalt 11 ist ein als Hall-Element ausgebildetes magnetisches Sensorelement 9' angeordnet, durch das der jeweilige Magnetfluss erfassbar und ein der Winkelposition entsprechendes Signal abgebbar ist.
Wie in 7 zu sehen ist, ist der innere Abschirmring 1 drehfest auf der Drosselklappenwelle 7 angeordnet. Axial ist an dem inneren Abschirmring 1 eine ringförmige Halteplatte 12 befestigt, die sich radial nach außen erstreckt und an der der innere und äußere Magnetring 2, 3 sowie der äußere Abschirmring 4 ebenfalls axial in Anlage und befestigt sind.
In dem Ringspalt 5 sind die Flussleitstücke 10 und 10' angeordnet, von denen nur eines zu sehen ist. Vor den umlaufenden Enden dieses Flussleitstücks 10 sind die magnetischen Sensorelemente 9' zu erkennen, deren Signale der auf einem Schaltungsträger 13 angeordneten Auswerteschaltung zugeführt werden. Der Schaltungsträger 13 trägt auch die Flussleitstücke 10, 10'.
Der Drosselklappenstutzen besitzt ein Gehäuse 14 mit einer durchgehenden Durchströmöffnung 15, die von einer Drosselklappe 16 absperrbar ist.
Die Drosselklappe 17 ist auf der in dem Gehäuse 14 drehbar gelagerten Drosselklappenwelle 7 in einem Abstand zu dem Winkelpositionssensor angeordnet.
Auf dem der Drosselklappe 16 entgegengesetzten Ende der Drosselklappenwelle 7 ist ein Antriebsritzel eines Getriebes 19 angeordnet, über das die Drosselklappenwelle 7 von einem Elektromotor 18 entgegen der Kraft einer Rückstellfeder 20 drehbar antreibbar und die Drosselklappe 16 aus einer Schließstellung in eine Offenstellung verschwenkbar ist.

1: innerer Abschirmring
2: innerer Magnetring
2': innerer Magnetring
3: äußerer Magnetring
3': äußerer Magnetring
4: äußerer Abschirmring
5: Ringspalt
6: Drehachse
7: Drosselklappenwelle
8: Feldlinien
9: magnetisches
: Sensorelement
9': magnetisches
: Sensorelement
10: Flussleitstück
10': Flussleitstück
11: Messluftspalt
11': Messluftspalt
12: Halteplatte
13: Schaltungsträger
14: Gehäuse
15: Durchströmöffnung
16: Drosselklappe
17: Abtriebsritzel
18: Elektromotor
19: Getriebe
20: Rückstellfeder

Claims

Winkelpositionsgeber zur Erfassung der Winkelposition eines um eine Drehachse drehbaren Bauteils, insbesondere Drosselventilpositionsgeber, mit einem ein- oder mehrteiligen Magnetring, der koaxial zur Drehachse mit dem Bauteil drehfest verbunden, quer zur Drehachse magnetisiert und an seinem Außenumfang von einem ferromagnetischen äußeren Abschirmring umschlossen ist, sowie mit einem magnetischen Sensorelement, das radial innerhalb des Magnetrings ortsfest angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Bauteil von einem zur Drehachse (6) koaxial und zum äußeren Abschirmring (4) etwa radial angeordneten ferromagnetischen inneren Abschirmring (1) umschlossen ist, der wiederum von einem ein- oder mehrteiligen inneren Magnetring (2, 2') umschlossen ist, wobei der innere Abschirmring (1) und der innere Magnetring (2, 2') drehfest mit dem drehbaren Bauteil verbunden sind und das magnetische Sensorelement (9, 9') in einem zwischen dem äußeren Magnetring (3, 3') und dem inneren Magnetring (2, 2') gebildeten Ringspalt (5) angeordnet ist, mit einer Magnetisierung des inneren Magnetrings (2, 2'), die der Magnetisierung des äußeren Magnetrings (3, 3') entgegengesetzt und derart dimensioniert ist, dass die Magnetflussdichte am Ort des inneren Abschirmrings (1) etwa einer Magnetflussdichte bei nicht vorhandenem innerem Abschirmring (1) entspricht.
Winkelpositionsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Bauteil aus einem ferromagnetischen Werkstoff besteht.
Winkelpositionsgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Bauteil eine Welle, insbesondere eine Drosselklappenwelle (7) eines Drosselklappenventils ist.
Winkelpositionsgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Magnetring (2') und der äußere Magnetring (3') radial magnetisiert sind.
Winkelpositionsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Magnetring (2) und der äußere Magnetring (3) diametral magnetisiert sind.
Winkelpositionsgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetringe (2, 2', 3, 3') und Abschirmringe (1, 4) das drehbare Bauteil ganz oder teilweise umschließen.
Winkelpositionsgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Sensorelement (9) ein magnetoresistiver Sensor ist.
Winkelpositionsgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetoresistive Sensor ein AMR-Sensor (Anisotropic Magneto Resistor) ist.
Winkelpositionsgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetoresistive Sensor ein GMR-Sensor (Giant Magneto Resistor) ist.
Winkelpositionsgeber nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der AMR-Sensor oder der GMR-Sensor aus insbesondere vier in Form einer Wheatstone-Brücke verschalteten Teilwiderständen besteht.
Winkelpositionsgeber nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Sensorelement aus zwei elektrisch um 90° verschobenen AMR-Sensoren oder GMR-Sensoren besteht.
Winkelpositionsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Sensorelement (9') ein Hall-Sensor ist.
Winkelpositionsgeber nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hall-Sensor aus einem Hall-Element besteht, das in einem Messluftspalt (11, 11') zwischen zwei Flussleitstücken (10, 10') angeordnet ist.
Winkelpositionsgeber nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitstücke (10 , 10') aus einem weichmagnetischen Material, insbesondere aus Nickel-Eisen bestehen.
Winkelpositionsgeber nach einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitstücke (10, 10') als zwei im wesentlichen halbringförmige Segmente ausgebildet sind, die symmetrisch zur Drehachse (6) in dem Ringspalt (5) zwischen innerem und äußerem Magnetring (2', 3') angeordnet und zwischen deren einander zugewandten Enden zwei Messluftspalte (11, 11') gebildet sind, wobei in zumindest einem der Messluftspalte (11) ein Hall-Element angeordnet ist.