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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Drehwinkelerfassung
eines drehbaren Elements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige
Einrichtungen dienen der möglichst
genauen Erfassung der Winkellage eines drehbaren Elements, beispielsweise
einer Welle, eines Geber- oder Impulsrads oder dergleichen. Eine
genaue Erfassung der Winkellage ist beispielsweise dann erforderlich, wenn
Steuerungseingriffe winkelabhängig
durchgeführt
werden müssen.
Typische Anwendungen im Automotivbereich sind Zündung, Kraftstoffeinspritzung,
Kraftstoffförderung
und Kurbelwellenstartergeneratoren.
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Stand der
Technik
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Für die Drehwinkelerfassung
von sich drehenden Elementen, insbesondere bei Fahrzeugen, werden
häufig
magnetoresistive Sensoren eingesetzt. Dabei werden ein passives
Zahnrad und ein Sensor mit einem aufgesetzten Permanentmagnet verwendet.
Die Sensoren sind so ausgestattet, dass nur ein Tangentialfeld zu
einer Änderung
des magnetischen Widerstandswertes führt und damit zu einer gut
erkennbaren Schaltflanke im Ausgangssignal des Sensors. Mit einem
derartigen Sensor ist eine Lageerkennung in der Regel erst dann
möglich,
nachdem sich ein von dem Sensor abgetastetes Impulsrad um mindestens
eine Zahnteilung gedreht hat. Der Indeximpuls liefert erst dann
die absolute Lage (das heißt es
ist keine true power-on-Erkennung möglich). Für eine Lageerkennung ab Drehzahl
0 ist ein derartiges System somit nicht geeignet. Soll eine Lageerkennung
in einem Drehzahlbereich von 0 bis 7000 U/min, also bereits ab Drehzahl
0, möglich
sein, dann werden üblicherweise
Sensoren eingesetzt, die mit einem aktiven Impulsrad arbeiten. Ein
solches aktives Impulsrad trägt
Permanentmagneten, deren Felder von magnetoresistiven Sensoren oder
Hallsensoren ausgewertet werden. Aus Kostengründen ist jedoch der Durchmesser
eines solchen Impulsrades begrenzt. Bei vielen Anwendungsfällen werden
bevorzugt mehrere, beispielsweise mindestens zwei Sensoren, eingesetzt.
Die Justierung mehrerer Sensoren zueinander und in Bezug auf das
Impulsrad ist jedoch aufwendig.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
Erfindung beschreibt eine Einrichtung, die auf besonders einfache
Weise eine präzise
Justierung mehrerer Sensoren zueinander und in Bezug auf ein durch
die Sensoren abzutastendes Impulsrad ermöglicht. Wenngleich die Einrichtung
besonders vorteilhaft bei Anwendung mehrerer Sensoren ist, erleichtert
sie jedoch auch die Justierung eines einzelnen Sensors in Bezug
auf ein Impulsrad.
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Als
besonders bevorzugter Anwendungsbereich der Einrichtung bietet sich
die Drehwinkelerfassung bei einer durch Permanentmagnete erregten Synchronmaschine
an, die als Kurbelwellenstartergenerator eingesetzt wird. Um einen
derartigen Kurbelwellenstartergenerator mit vollem Drehmoment starten
zu können,
ist es notwendig, die Drehlage der Kurbelwelle bereits im Stillstand
zu erkennen, um die Bestromung des Kurbelwellenstartergenerators
mit dem geeigneten Stromraumzeiger zu ermöglichen. Die Lageerkennung
muss dabei nicht allzu genau sein. Für die Praxis ist es völlig ausreichend,
zu wissen, ob ein magnetischer Nordpol oder ein magnetischer Südpol unter
der Sensorachse liegt. Man verwendet zweckmäßig ein passives, weichmagnetisches
Impulsrad mit p Zähnen
und p Lücken.
Die Zahl p entspricht dabei der Polpaarzahl der als Kurbelwellenstartergenerator
verwendeten permanentmagneterregten Synchronmaschine. So ist es
möglich,
bereits mit einem einzigen Sensor zu erkennen, ob ein magnetischer
Nordpol oder ein magnetischer Südpol
unter der Sensorachse liegt. Wird zusätzlich noch ein zweiter Sensor
eingesetzt, so kann man damit bereits im Stillstand die Lage des
Impulsrades elektrisch ermitteln. Das passive Impulsrad lässt sich einfach
und kostengünstig
herstellen.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nahestehend näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine schematische Darstellung
einer Einrichtung zur Erfassung der Drehlage mit einem Impulsrad
und einem Sensor,
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2 in einer vergrößerten Darstellung
den Ausschnitt eines Impulsrades und einen in Nachbarschaft des
Impulsrades angeordneten Sensorhalter,
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3 in einer vergrößerten Darstellung
einen Sensorhalter mit mehreren Sensoren.
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Ausführungsvarianten
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1 zeigt zunächst, in
einer schematischen Darstellung, eine Einrichtung 10 zur
Erfassung des Drehwinkels eines drehbaren Elements 11.
Bei diesem drehbaren Element kann es sich beispielsweise um die
Welle einer elektrischen Maschine oder einer Brennkraftmaschine
handeln. Insbesondere handelt es sich um ein mit einer drehbaren
Welle drehfest verbundenes Impulsrad 11. Das Impulsrad 11 verfügt über auf
seinem Außenumfang
angeordnete Zähne 11.1,
die durch Zahnlücken 11.2 voneinander
getrennt sind. Beispielsweise verfügt das Impulsrad 11 über eine
Anzahl p Zähne
und eine Anzahl p Zahnlücken.
Die Anzahl p wird üblicherweise
als Polpaarzahl bezeichnet. In Nachbarschaft des Impulsrades 11 ist
ein Sensor 100 ortsfest angeordnet, der bei einer Drehbewegung
des Impulsrads 11, die sich an ihm vorbei bewegenden Zähne 11.1 und Zahnlücken 11.2 abtastet.
Es ist bekannt, dafür
sogenannte AMR-Sensoren einzusetzen, also Sensoren, die sich den
anisotropen magnetoresistiven Effekt zunutze machen. Jedoch kann
ein solches Impulsrad auch mit anderen Sensoren abgetastet werden,
die Beispielsweise den Hall-Effekt ausnutzen.
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Aus
Kostengründen
werden bevorzugt passive Impulsräder
eingesetzt, bei denen wenigstens die Zähne aus einem weichmagnetischen
Material bestehen, die jedoch keine aktiven magnetischen Komponenten,
wie beispielsweise einen Permanentmagneten, tragen. Als Sensor werden
bevorzugt AMR-Sensoren eingesetzt, die selbst einen Permanentmagnet
tragen. Derartige Sensoren sind so ausgestattet, dass nur ein Tangentialfeld
zu einer messtechnisch erfassbaren Änderung des magnetischen Widerstands
führt,
die sich beispielsweise in einer leicht auswertbaren Flanke des
Sensorausgangssignals äußert. Bevorzugt
werden mehrere Sensoren eingesetzt, die mit einem vorgebbaren Abstand
voneinander angeordnet und zueinander, sowie in Bezug auf das Impulsrad
präzise
justiert sein müssen.
Diese präzise
Justage ist aufwendig und kostenträchtig. Durch die erfindungsgemäße Einrichtung
wird jedoch die Montage und präzise
Justierung der Sensoren untereinander und in Bezug auf das Impulsrad 11 wesentlich
vereinfacht. Dies wird im Folgenden anhand von 2 und 3 erläutert. 2 zeigt in einer vergrößerten Darstellung
den Ausschnitt eines Impulsrades 11 und einen in Nachbarschaft
des Impulsrades 11 angeordneten Sensorhalter 12 mit
einer Mehrzahl von Sensoren 12.1 und 12.2. Zusätzlich zu der
oben schon beschriebenen Aussenverzahnung verfügt das Impulsrad 11 über eine
Innenverzahnung mit einer Anzahl p1 von Zähnen 11.3 und Zahnlücken 11.4.
In dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist die Polpaarzahl p1 geringer als die Polpaarzahl p der Außenverzahnung.
Der Innenverzahnung des Impulsrads 11 gegenüberliegend
ist ein Sensorhalter 12 angeordnet, der in 2 in einer Seitenansicht dargestellt ist.
Bevorzugt hat der Sensorhalter 12 die Gestalt eines Kreissegments,
dessen Krümmungsradius
dem Krümmungsradius
der Innenverzahnung des Impulsrads 11 angepasst ist. Auf
diese Weise kann sich die Außenkontur
des Sensorhalters der Innenkontur der Innenverzahnung des Impulsrads 11 möglichst
gut anschmiegen, um einen möglichst
geringen Abstande zwischen den von dem Sensorhalter 12 gehaltenen
Sensoren und der Innenverzahnung des Impulsrades 11 zu
gewährleisten. 3 zeigt in einer vergrößerten Darstellung
einen Sensorhalter 12 mit mehreren Sensoren 12.1 und 12.2.
Der Sensorhalter 12 verfügt über eine der Zahl der Sensoren
entsprechende Anzahl von Ausnehmungen, die in seiner der Innenverzahnung
des Impulsrads 11 gegenüber
liegenden Außenkontur
eingebracht sind. In diesen Ausnehmungen sind die Sensoren 12.1 und 12.2 derart
flächenbündig eingebracht,
dass sie mit der Außenkontur
des Sensorhalters 12 abschließen. Durch die Lage der Ausnehmungen
in dem Sensorhalter 12 ist automatisch die Lage der Sensoren 12.1 und 12.2 zueinander
vorgegeben. Das bedeutet, dass sie mit größtmöglicher Präzision zueinander bereits dann
justiert sind, wenn sie in diese Ausnehmungen eingebracht worden
sind. Eines weiteren Justage der Sensoren 12.1 und 12.2 zueinander
bedarf es dann nicht mehr. In der beschriebenen Art und Weise ist
es selbstverständlich
möglich, mehr
als zwei Sensoren oder auch nur einen einzigen Sensor in dem Sensorhalter 12 anzuordnen.
Der Sensorhalter 12 vereinfacht auch die Justierung der Sensoren 12.1, 12.2 in
Bezug auf das Impulsrad 11. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind dazu seitlich in den Sensorhalter 12 zwei Ausnehmungen 12.3 und 12.4 eingebracht.
Bei der Ausnehmung 12.3 handelt es sich bevorzugt um eine zylindrische
Bohrung, während
die Ausnehmung 12.4 als Langlochausnehmung ausgeführt ist.
Durch in der Figur nicht dargestellte Bolzen, die durch die erwähnten Ausnehmungen 12.3, 12.4 hindurchgreifen,
wird der Sensorhalter 12 auf einfache Weise möglichst
nahe an der Innenverzahnung des Impulsrads 11 befestigt.
Zunächst
wird dazu der Sensorhalter 12 mittels des durch die Ausnehmung 12.3 hindurchgreifenden
Bolzens befestigt an seiner Halterung befestigt. Der Sensorhalter
ist jetzt schwenkbeweglich um eine in der Ausnehmung 12.3 liegende Achse
gelagert. Ein zweiter Bolzen, der durch die Ausnehmung 12.4 hindurchgreift,
fixiert den Sensorhalter 12 dann in einer in Bezug auf
das Impulsrad 11 günstigen
Lage. Durch die als Langloch ausgeführte Ausnehmung 12.4 ist
der Sensorhalter feinfühlig
justierbar.
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Der
Sensorhalter 12 besteht bevorzugt aus magnetisch leitfähigem Material,
das zudem eine optimale Führung
für den
magnetischen Fluss der Sensoren 12.1 und 12.2 und
gleichzeitig eine gute Abschirmung der Sensoren 12.1, 12.2 gegen
störende Fremdfelder
ermöglicht.
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Die
Sensoren sind mit einem Steuergerät 14 verbunden, das
die Ausgangssignale der Sensoren 12.1, 12.2 auswertet
und von diesen Ausgangssignalen abhängige Steuersignale abgibt.
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In
dem in Bezug auf 2 und 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel
der Erfindung wurde die Abtastung der Innenverzahnung eines Impulsrads 11 erläutert. Selbstverständlich ist
es im Rahmen der Erfindung möglich,
mit einem entsprechend angepassten Sensorhalter auch die Aussenverzahnung
eines Impulsrads 11 abzutasten. Wenn zwei Sensorhalter
vorgesehen werden, können
sogar die Innenverzahnung und die Aussenverzahnung des Impulsrads 11 gleichzeitig
abgetastet werden. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, durch
Abtastung der Innenverzahnung die absolute Drehlage des Impulsrads
festzustellen und mittels der durch Abtastung der Aussenverzahnung
gewonnenen Sensorsignale winkelabhängige Prozesse zu steuern. Weiterhin
versteht es sich von selbst dass mit einer leicht angepassten erfindungsgemäßen Einrichtung nicht
nur eine Aussenverzahnung oder eine Innenverzahnung eines Impulsrads 11 abgetastet
werden können.
So ist zudem auch die Abtastung entsprechender impulsgebender Strukturen
möglich,
die beispielsweise in einem Bereich der Stirnfläche eines Impulsrads 11 angeordnet
sind. Dazu werden die Sensoren 12.1, 12.2 bevorzugt
in einer dem Impulsrad 11 zugewandten Seitenfläche des
Sensorhalters 12 angeordnet.
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- 10
- Einrichtung
- 10.1
- Impulsrad
- 10.2
- Zahn
- 10.3
- Zahnlücke
- 10.4
- Zahn
- 10.5
- Zahnlücke
- 11
- Sensorhalter
- 11.1
- Sensor
- 11.2
- Sensor
- 11.3
- Ausnehmung
- 11.4
- Ausnehmung
- 12
- Steuergerät
- 100
- Sensor
- p
- Polpaarzahl
- p1
- Polpaarzahl