DE112019004599T5

DE112019004599T5 - Koppler-element-formen für induktive positionssensoren

Info

Publication number: DE112019004599T5
Application number: DE112019004599.7T
Authority: DE
Inventors: Lingmin Shao
Original assignee: KSR IP Holdings LLC
Current assignee: KSR IP Holdings LLC
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2019-09-13
Publication date: 2021-05-27
Also published as: CN112639406A; WO2020056288A1; US11519752B2; KR20210045501A; CN112639406B; US20200088549A1

Abstract

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird eine induktive Positions-Sensoranordnung zur Verfügung gestellt. Die induktive Sensoranordnung weist einen Sensor und ein Kopplerelement auf. Der Sensor weist eine Senderspule mit einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser sowie eine Empfängerspule auf, die innerhalb des Außendurchmessers der Senderspule angeordnet ist. Das Kopplerelement weist eine kontinuierliche Kurvenform auf. Das Kopplerelement ist innerhalb des Außendurchmessers der Senderspule so positioniert, dass ein maximaler Durchmesser der geometrischen kontinuierlichen Kurvenform dem Außendurchmesser der Senderspule entspricht. Wenn das Kopplerelement bewegt wird, modifiziert die geometrische kontinuierliche Kurvenform des Kopplerelements eine induktive Kopplung zwischen der Senderspule und der Empfängerspule.

Description

QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE PATENTANMELDUNGEN
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 62/731,432, die am 14. September 2018 eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hierin vollständig enthalten ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf induktive Positions-Sensorsysteme und im Besonderen auf Kopplerelemente in induktiven Positionssensoren, die Oberschwingungsfehler hoher Ordnung geometrisch eliminieren.
HINTERGRUND
Induktive Sensoren verwenden einen Koppler, der sich über Senderspulenabschnitte bewegt, um die Position eines mit dem Koppler verbundenen Ziels zu bestimmen. Die Sensoren erzeugen Wirbelströme in den Empfangsspulen, die proportional zur Position des Kopplers über den Spulen sind. Die Wirbelströme werden gemessen, um ein analoges Signal zu erzeugen, das proportional zur Position des Kopplers entlang der Spulen ist. Es gibt jedoch eine Reihe von Fehlern, die korrigiert werden müssen, um eine genaue Position zu ermitteln. Zu den Fehlerquellen gehört die geometrische Form oder Kontur des Kopplers selbst. Das heißt, in Anwendungen, in denen mehr als ein einpoliger Koppler benötigt wird, hat der Koppler im Allgemeinen eine geometrische Form oder Kontur, die scharfe Ecken, gerade Kanten, abrupte Änderungen und/oder ähnliches enthält. Diese geometrischen Formen oder Konturen haben einen Einfluss auf die Wirbelströme und die gesamte Positionserfassung des Kopplers über die Spulen.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einer geometrischen Form oder Kontur des Kopplers, die die Wirbelströme nicht beeinflusst oder deren Einfluss minimiert.
ZUSAMMENFASSUNG
In einer Ausführungsform wird eine induktive Positions-Sensoranordnung zur Verfügung gestellt. Die induktive Sensoranordnung umfasst einen Sensor und ein Kopplerelement. Die Sensoranordnung enthält eine Senderspule mit einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser sowie eine Empfängerspule, die innerhalb des Außendurchmessers der Senderspule angeordnet ist. Das Kopplerelement hat eine kontinuierliche Kurvenform. Das Kopplerelement ist innerhalb des Außendurchmessers der Senderspule so positioniert, dass ein maximaler Durchmesser der kontinuierlichen Kurvenform dem Außendurchmesser der Senderspule entspricht. Wenn das Kopplerelement bewegt wird, modifiziert die kontinuierliche Kurvenform des Kopplerelements eine induktive Kopplung zwischen der Senderspule und der Empfängerspule.
Diese und weitere Merkmale, die durch die hier beschriebenen Ausführungsformen zur Verfügung gestellt werden, werden im Hinblick auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen umfassender verdeutlicht.
Figurenliste
Es wird nun auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, wenn sie in Verbindung mit der nachfolgenden detaillierten Beschreibung gelesen werden, in der sich gleiche Referenznummern auf gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten beziehen und in denen:

1 schematisch eine Draufsicht auf eine geometrische Form eines Kopplers nach dem Stand der Technik gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen zeigt;
2 schematisch eine Draufsicht auf eine geometrische Form des Kopplers mit den mathematischen Indizes gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen hierin zeigt;
3 ein vierpoliger Konturenkoppler mit kontinuierlicher Kurve gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen hierin ist;
4 ein dreipoliger Konturenkoppler mit kontinuierlicher Kurve gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen hierin ist;
5 ein zweipoliger Konturenkoppler mit kontinuierlicher Kurve gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen hierin ist;
6 ein einpoliger Konturenkoppler mit kontinuierlicher Kurve gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen hierin ist;
7A schematisch eine Draufsicht auf eine Sensoranordnung mit einer einpoligen Kopplerform, einer Senderspule und Empfangsspulen gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen hierin zeigt;
7B schematisch eine perspektivische isometrische Ansicht der Sensoranordnung aus 7A gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen hierin zeigt;
8A schematisch eine Draufsicht auf eine Sensoranordnung mit einer Kopplerform, einer Senderspule und Empfangsspulen gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen hierin zeigt;
8B schematisch eine perspektivische isometrische Ansicht der Sensoranordnung von 8A gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen hierin zeigt; und
9 schematisch ein Diagramm eines Empfangssignals gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen hierin zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die hier beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf eine induktive Positions-Sensoranordnung. Die induktive Sensoranordnung enthält einen Sensor und ein Kopplerelement. Der Sensor enthält eine Senderspule mit einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser und eine Empfängerspule, die innerhalb des Außendurchmessers der Senderspule angeordnet ist. Das Kopplerelement hat eine geometrisch kontinuierliche Kurvenform. Das Kopplerelement ist innerhalb des Außendurchmessers der Senderspule so positioniert, dass ein maximaler Durchmesser der geometrisch kontinuierlichen Kurvenform dem Außendurchmesser der Senderspule entspricht. Die geometrisch kontinuierliche Kurvenform ist eine Kontur für viele verschiedene Pole, einschließlich einer einpoligen, einer zweipoligen, einer dreipoligen und einer vierpoligen Sensoranordnung. Es sollte klar sein, dass die kontinuierliche Kopplerkontur ein glattes Profil hat, das zu einer verbesserten Linearität und Luftspaltleistung führt. Darüber hinaus verbessert das glatte Profil der durchgehenden Kopplerkontur die Herstellbarkeit, verringert den Werkzeugverschleiß durch die Reduzierung scharfer Ecken und reduziert die Spannungskonzentration auf den Koppler, die Sensoreinheit, eine Welle und/oder ähnliches.
Wenn das Kopplerelement also bewegt wird, modifiziert die geometrisch kontinuierliche Kurvenform des Kopplerelements eine induktive Kopplung zwischen der Senderspule und der Empfängerspule, so dass harmonische Komponenten hoher Ordnung, die in einer Wellenform eines Empfangssignals gefunden werden, kompensiert werden.
Bezugnehmend auf 1 kann ein Koppler 100 gemäß dem Stand der Technik geometrisch eine Kopplerkontur umfassen, die halbovale Formen 105 aufweist, die sich überlappen und/oder miteinander verbunden sein können. Im Allgemeinen hängt die Anzahl der Halbovalformen 105 von der Anzahl der Pole der Sensoranordnung ab. Wie in 1 dargestellt, ist der Koppler 100 gemäß dem Stand der Technik ein dreipoliger Koppler und hat daher drei Halbovale 110 oder Nocken, die sich geometrisch in einem Mittelpunkt 135 schneiden. Die drei Halbovale 110 oder Nocken enthalten jeweils eine Kontur, die im Allgemeinen keine kontinuierliche Kurve ist, wie durch eine Vielzahl von gestrichelten Linien 115 angedeutet, die jedem Halboval 110 entsprechen. So haben die drei Halbovale 110 oder Nocken eine Vielzahl von scharfen Übergängen an Verbindungsabschnitten 125 zwischen den drei Halbovalen 110 oder Nocken. In der Nähe dieser Verbindungsabschnitte 125 kann der Koppler gemäß dem Stand der Technik außerdem lineare oder nahezu lineare Abschnitte 130 aufweisen. So enthalten die scharfen Übergänge an den Verbindungsabschnitten 125 und das Halboval 110 nahezu lineare Abschnitte 130, die eine Vielzahl von Fehlern bei der Bestimmung der genauen Position des Kopplers 100 gemäß dem Stand der Technik während der Bewegung verursachen. Zum Beispiel stören die halbovalen Formen 105 oder die Kontur Wirbelströme, die durch den Koppler 100 gemäß dem Stand der Technik fließen, wodurch harmonische Komponenten hoher Ordnung entstehen, die wiederum dazu führen, dass die Wellenform eines Empfangssignals von einer reinen sinusförmigen Wellenform abweicht. Darüber hinaus treten bei dem Koppler 100 gemäß dem Stand der Technik während der Bewegung Linearitätsprobleme auf, die die Leistung eines Luftspalts in der Sensorbaugruppe beeinträchtigen.
Bezugnehmend auf 2 weist ein Beispielkoppler 200, der als durchgezogene Linie dargestellt ist, eine einzige Krümmung einer kontinuierlichen Kurve auf. Somit hat der Beispielkoppler 200 von 2 eine konstante Krümmung, die weniger scharfe oder langgestreckte Übergänge zwischen einer Vielzahl von Nocken 202 umfasst, so dass die Nocken und/oder Teile jedes der Vielzahl von Nocken 202 eine größere Krümmung oder einen größeren Bogen aufweisen. Somit ist der Beispielkoppler 200 weniger linear als der aus dem Stand der Technik bekannte Koppler 100 gemäß 1, was zu einem verbesserten Empfangssignal führt, wie hierin ausführlicher beschrieben.
Bezugnehmend auf 3-6 hat der Beispielkoppler 300, 400, 500 und 600, jeweils als durchgezogene Linie dargestellt, eine einzige Krümmung einer kontinuierlichen Kurve. Der Koppler 301, 401, 501 und 601 gemäß dem Stand der Technik, der als gestrichelte Linie dargestellt ist, soll die geometrischen Unterschiede zwischen dem Beispielkoppler 300, 400, 500 und 600 und dem Koppler 301, 401, 501 und 601 gemäß dem Stand der Technik verdeutlichen, wie hier näher erläutert. Es sollte gewürdigt werden, dass der Koppler 401 gemäß dem Stand der Technik derselbe sein kann wie der Koppler 100 gemäß dem Stand der Technik, der nur noch einmal dargestellt ist, um die geometrischen Unterschiede im Vergleich zum Beispielkoppler 400 hervorzuheben, wobei der Beispielkoppler 400 geometrisch derselbe sein kann wie der Beispielkoppler 200 (2). Es sollte auch gewürdigt werden, dass jeder der Koppler 300, 400, 500 und 600 geometrische Unterschiede aufweist, abhängig vom Pol der Sensoranordnung 700 (7), wie hierin näher erläutert, um ein Ziel zu bilden. Das heißt, jeder der Koppler 300, 400, 500 und 600 ist das Ziel oder ein Kopplerelement, das so konfiguriert ist, dass es eine induktive Kopplung zwischen einer Senderspule 702 (7) und einer zweiteiligen Empfängerspule 704 (7) modifiziert, wie hierin ausführlicher beschrieben. Das heißt, es sollte klar sein, dass die geometrische Form jedes Beispielkopplers 300, 400, 500 und 600 Probleme mit Konzentrizitätsfehlern korrigiert, die wiederum Abweichungen in der Ausgangskurve der Sensoreinheit oder Linearitätsfehler erzeugen.
In einigen Ausführungsformen besteht jeder der Koppler 300, 400, 500 und 600 aus einem metallischen Material. Ferner kann in einigen Ausführungsformen jeder der Koppler 300, 400, 500 und 600 in einer Welle oder einer anderen Vorrichtung ausgebildet sein, die so konfiguriert ist, dass sie den Koppler 300, 400, 500 und/oder 600 bewegt, z. B. durch Rotation, linear, oder den Koppler anderweitig bewegt. In einigen Ausführungsformen kann jeder der Koppler 300, 400, 500 und/oder 600 außerdem eine Schicht aus magnetischem Material enthalten. In diesen Ausführungsformen kann die Schicht aus magnetischem Material ein weichmagnetisches Material sein, wie zum Beispiel Ferrit. In anderen Ausführungsformen kann das Material, das geeignet ist, magnetische Eigenschaften zu haben, die die Wirbelströme induzieren, ein anderes Material als Ferrit sein, wie zum Beispiel Seltenerdmagnete, Aluminium, Eisen, Kobalt, Nickel und/oder dergleichen. Es sollte gewürdigt werden, dass die Schicht aus magnetischem Material mit herkömmlichen Techniken hinzugefügt werden kann, wie sie von Fachleuten geschätzt werden. So kann die magnetische Schicht eine Lage auf der Oberfläche des Kopplers 300, 400, 500 und 600 bilden. Die Dicke der Schicht aus magnetischem Material kann sich je nach Art des magnetischen Materials, des Luftspalts zwischen dem Koppler und dem Sensor und ähnlichem ändern.
Nun wird mit Bezug auf 2 die geometrische Form des Beispielkopplers 200 beschrieben. Es sollte gewürdigt werden, dass die hier beschriebenen Ausführungen im Hinblick auf die geometrische Form für den Beispielkoppler 200 die gleiche für den vierpoligen Beispielkoppler 300 (3), den dreipoligen Beispielkoppler 400 (4), den zweipoligen Beispielkoppler 500 (5) und den einpoligen Beispielkoppler 600 (6) ist. Es wird daher nur die geometrische Anordnung zur Formgebung des Beispielkopplers 200 im Detail beschrieben.
Es sollte auch gewürdigt werden, dass die geometrische Anordnung des Beispielkopplers 200 ein nicht sinusförmiges Eingangssignal an einen Signalprozessor 706 (7) korrigiert. Das heißt, die geometrische Form mit einer kontinuierlichen Kurve oder einem glatten Profil des Beispielkopplers 200 korrigiert geometrische Oberschwingungsfehler hoher Ordnung, um die Linearitätsfehler des Sensors und die Leistung des Luftspalts zu verbessern, indem der Wirbelstrom durch das glatte Profil fließen kann. Die geometrische Form des Beispielkopplers 200 wird anhand der folgenden Parametergleichung bestimmt: ${\begin{matrix} x (θ) = (a + b * c o s (N θ)) * c o s (θ) \\ y (θ) = (a + b * c o s (N θ)) * s i n (θ) \end{matrix}, 0 \leq θ \leq 360 °$
wobei „N“ gleich der Anzahl der Pole in der Sensoranordnung ist, „a“ ein Kopplerdurchmesser ist, „b“ eine Differenz zwischen den Radien eines mittleren Kreises und eines maximalen und/oder minimalen Kreises ist und „θ“ eine Variable ist, um die Kopplerform zu definieren, wie hierin ausführlicher beschrieben. Das heißt, „θ“ kann ein eingezeichneter Punkt sein, der die kontinuierliche Kurve des Kopplers bildet und einen Winkel in Bezug auf einen Mittelpunkt hat, wie hierin ausführlicher beschrieben.
Weiterhin Bezug nehmend auf 2 ist der Beispielkoppler 200 als dreipoliger Koppler mit drei Nocken 202 dargestellt. Es ist zu beachten, dass der Koppler 200 nicht auf drei Nocken beschränkt ist und abhängig von der Anzahl der Pole variieren kann, wie hier im Detail beschrieben. Um die kontinuierliche Kurvenkontur zu bestimmen oder zu berechnen, werden in 2 mehrere imaginäre Kreise aufgetragen, die als gestrichelte Linien dargestellt sind, um die minimalen Parameter, die maximalen Parameter, die Übergänge zwischen den Nocken und Ähnliches zu veranschaulichen. Basierend auf den obigen Gleichungen kann jeder Nocken 202 so dargestellt werden, dass sie einen äußersten Abschnitt 204, einen Punkt oder eine Reihe von Punkten, einen Übergangsabschnitt 206, einen Mittelpunkt 208 und ähnliches aufweist, wie hier im Detail beschrieben.
Ein erster Kreis 210, oder der minimale Kreis, ist so dargestellt, dass er sich vom Mittelpunkt 208 radial nach außen erstreckt und einen Umfang hat, der die Position des Übergangsabschnitts 206 zwischen den Nocken 202 bildet. Das heißt, jeder Übergangsabschnitt 206 ist eine bogenförmige oder kontinuierliche Kurve zwischen den Nocken 202. Der Übergangsabschnitt 206 kann positioniert oder eingezeichnet werden, wenn cos (θ) = -1 ist. Daher sollte gewürdigt werden, dass es in dem Beispielkoppler 200 drei Punkte gibt, an denen cos (θ) = -1 ist, und dass es daher drei Übergangsabschnitte 206 gibt, einen Abschnitt zwischen jedem Nocken 202.
Ein zweiter Kreis 212, oder der maximale Kreis, ist so dargestellt, dass er sich vom Mittelpunkt 208 radial nach außen erstreckt und einen Umfang hat, der die Position der äußersten Abschnitte 204 jedes Nockens 202 bildet. Somit hat der zweite Kreis 212 einen größeren Radius und Umfang als der erste Kreis 210. Das heißt, jeder Nocken 202 hat einen äußersten Abschnitt 204, wobei der äußerste Abschnitt 204 eine bogenförmige oder kontinuierliche Kurve der Nocken 202 ist. Der äußerste Abschnitt 204 kann positioniert oder gezeichnet werden, wenn cos (θ) = 1 ist. So sollte gewürdigt werden, dass es in dem Beispielkoppler 200 drei Punkte gibt, an denen cos (θ) = 1 ist, und so gibt es drei äußerste Abschnitte 204, die den gleichen Abstand vom Mittelpunkt 208 haben, einen Abschnitt für jeden Nocken 202. Weiterhin erstrecken sich in einigen Ausführungsformen die äußersten Abschnitte 204 jedes Nockens 202 nicht über einen Außendurchmesser der Senderspule 702 hinaus, wie unten ausführlicher erläutert. Das heißt, die maximale Länge (d. h. in +/- X-Richtung) und/oder Breite (d. h. in +/- Y-Richtung) des Beispielkopplers 200 kann durch den Außendurchmesser der Senderspule 702 begrenzt sein.
Ein dritter Kreis 214, oder der mittlere Kreis, ist gleichmäßig zwischen dem ersten und zweiten Kreis 210, 212 beabstandet. Der dritte Kreis 214 erstreckt sich radial nach außen, weg vom ersten Kreis 210, hin zum zweiten Kreis 212. Daher schneidet oder durchläuft der dritte Kreis 214, wie dargestellt, jeden der Nocken 202 im Allgemeinen im gleichen Abstand zwischen dem Übergangsbereich 206 der Nocken 202 und dem äußersten Bereich 204 eines jeden Nockens 202.
Weiterhin bezugnehmend auf 2 schneiden sich eine Y-Achse 216, oder Ordinate, und eine X-Achse 218, oder Abszisse, im Mittelpunkt 208. Der Mittelpunkt 208, die X-Achse 218 und/oder die Y-Achse 216 können verwendet werden, um die Form des Kopplers aus der obigen Gleichung zu bilden bzw. einzuzeichnen. Zum Beispiel kann der Faktor „a“ in der obigen Gleichung der Radius des dritten Kreises 214 sein, gemessen als gerade Linie 220 vom Mittelpunkt 208. Der Faktor „a“ kann mit dem Durchmesser des Beispielkopplers 200 assoziiert werden. Als weiteres Beispiel kann der Faktor „b“ der obigen Gleichung die Differenz zwischen einem Radius 222 des dritten Kreises 214, gemessen am Außenumfang des ersten Kreises 210, und einem Radius 224 des zweiten Kreises 212, gemessen am Außenumfang des dritten Kreises 214, sein. So kann der Faktor „b“ ein Skalar sein, der mit dem Fehler assoziiert und proportional zum System ist. Daher kann in einigen Ausführungsformen der Faktor „a“ eine für den Durchmesser spezifische Konstante und der Faktor „b“ eine für das System spezifische Konstante sein.
Der Faktor „x(θ)“, wie in 2 dargestellt, kann ein X-Koordinatenpunkt sein, der horizontal von der Y-Achse 216 bis zu einer Position 226 jenseits des ersten Kreises 210 gemessen wird, und der Faktor „y(θ)“, wie in 2 dargestellt, kann vertikal von der X-Achse 218 bis zu einer Position 228 jenseits des ersten Kreises 210 gemessen werden, um einen Y-Koordinatenpunkt zu bilden. Der X-Koordinatenpunkt an Position 226 und der Y-Koordinatenpunkt an Position 228 bilden zusammen einen Plotpunkt 230. Es sollte gewürdigt werden, dass sich dies zusammen mit dem äußersten Abschnitt 204 und den Übergangsabschnitten 206 fortsetzt, um die kontinuierliche Kopplerform zu bilden.
Mit Bezug auf die 3-6 wird nun ein Vergleich zwischen den Kopplern aus dem Stand der Technik und den Beispiel-Kopplern 300, 400, 500 und 600 beschrieben. Es sollte gewürdigt werden, dass 3 schematisch einen vierpoligen Konturkoppler mit kontinuierlicher Kurve 300, 4 schematisch einen dreipoligen Konturkoppler mit kontinuierlicher Kurve 400, 5 schematisch einen zweipoligen Konturkoppler mit kontinuierlicher Kurve 500 und 6 schematisch einen einpoligen Konturkoppler mit kontinuierlicher Kurve 600 darstellt. Es ist zu beachten, dass jede der 3-6 die Y-Achse 216 oder Ordinate und die X-Achse 218 oder Abszisse und den Mittelpunkt 208 enthält. Weiterhin kann der Mittelpunkt 208 innerhalb der Beispielkoppler 300, 400, 500 und 600 nicht zentriert sein. Beispielsweise hat der Mittelpunkt 208 des einpoligen Kopplers 600 (6) einen Versatz, so dass bei einer Bewegung des Kopplers 600, sei es eine Drehbewegung oder eine lineare Bewegung, die erste und zweite Empfängerspule 714, 716 (7A) nicht immer vom Koppler 600 abgedeckt werden. Das heißt, der einpolige Koppler 600 kann für die Differenzsignalerkennung versetzt sein. Während die Beispiel-Koppler 300, 400 und 500 aus den 3-5 zeigen, dass die Nocken 202 gleichmäßig oder gleich sind, müssen die Nocken 202 nicht unbedingt gleichmäßig und/oder gleich sein. Weiterhin kann der Beispielkoppler in einigen Ausführungsformen eine geometrisch kontinuierliche Kurvenform haben, die kein Nocken ist, sondern kreisförmig ist. Zum Beispiel kann der einpolige Beispielkoppler 600 eine geometrisch kontinuierliche Kurvenform 602 haben, die kreisförmig und nicht nockenförmig sein kann. So kann die geometrisch kontinuierliche Kurvenform 602 in einigen Ausführungsformen eine Vielzahl von äußersten Abschnitten ohne einen innersten Abschnitt aufweisen, um einen Kreis zu bilden, wie es von einem Fachmann gewürdigt wird.
Unter Bezugnahme auf 7A-7B und erneut auf 6 ist eine erste Beispielsensoranordnung 700, die den einpoligen kontinuierlichen Kurvenkonturkoppler 600 enthält, schematisch dargestellt. Die Sensoranordnung umfasst eine Senderspule 702 und eine zweiteilige Empfängerspule 704, einen Signalprozessor 706 und, in einigen Ausführungsformen, eine Leiterplatte (PCB) 708. Die Senderspule 702 kann aus einer oder mehreren Schleifen in einem herkömmlichen kreisförmigen Spulendesign bestehen, es können aber auch andere Konfigurationen verwendet werden. Die Senderspule 702 hat einen vorgegebenen Innendurchmesser 710 und einen vorgegebenen Außendurchmesser 712. Die Senderspule 702, die auch als Erregerspule bezeichnet werden kann, kann von einer Wechselstromquelle gespeist werden. Bei Erregung durch elektrische Energie strahlt die Senderspule 702 elektromagnetische Strahlung ab. Es besteht eine induktive Kopplung zwischen der Senderspule 702 und allen anderen nahegelegenen Spulen, wodurch ein Signal in dieser Spule induziert wird. Die zweiteilige Empfängerspule 704 enthält eine erste Empfängerspule 714 und eine zweite Empfängerspule 716. Durch induktive Kopplung zwischen der Senderspule 702 und der zweiteiligen Empfängerspule 704 wird ein Empfangssignal in der zweiteiligen Empfängerspule 704 erzeugt.
Der Begriff „Empfängersignal“ kann zum Beispiel generell für die in der Empfängerspule induzierten Signale verwendet werden, aber auch für jedes konditionierte Signal, das auf den in der zweiteiligen Empfängerspule 704 induzierten Signalen basiert. In den nachfolgend diskutierten Beispielen wird ein einzelnes Empfängersignal von der zweiteiligen Empfängerspule 704 erzeugt, das Beiträge eines ersten und eines zweiten Signals enthält, die in den Schleifenkonfigurationen der ersten Empfängerspule 714 und der zweiten Empfängerspule 716 gebildet werden. Das heißt, die erste Empfängerspule 714 und die zweite Empfängerspule 716 erzeugen ein erstes bzw. zweites Signal. Das Empfängersignal ist dann eine Kombination aus dem ersten und zweiten Signal.
Beispielsweise können die Konfigurationen der ersten Empfängerspule 714 und der zweiten Empfängerspule 716 so gestaltet sein, dass sie Signale mit entgegengesetzter Phase erzeugen, wobei das Empfängersignal die Kombination des ersten und des zweiten Signals ist und somit das Empfängersignal einen minimalen Wert hat, wenn das erste und das zweite Signal ähnliche Amplituden haben. Das Empfängersignal kann auch als Differenzsignal bezeichnet werden, da die Größe des Empfängersignals eine Differenz zwischen einer ersten Signalamplitude, die in der ersten Empfängerspule 714 induziert wird, und einer zweiten Signalamplitude, die in der zweiten Empfängerspule 716 induziert wird, ist.
In anderen Beispielen der vorliegenden Erfindung kann die zweiteilige Empfängerspule 704 separate erste und zweite Signale von separaten Schleifenstrukturen an eine elektronische Schaltung zur Verarbeitung weiterleiten.
Weiterhin Bezug nehmend auf 7A-7B, können die erste und die zweite Empfängerspule 714, 716 radial nach außen voneinander versetzt sein. Das heißt, die erste und die zweite Empfängerspule 714, 716 können in vertikaler Richtung versetzt sein und können in der Regel innerhalb des Außendurchmessers 712 der Senderspule 702 angeordnet sein. So bewegt sich der einpolige Koppler 600 in der Regel, entweder rotierend oder linear, innerhalb des Außendurchmessers 712 der Senderspule 702. In einigen Ausführungsformen kann sich der Koppler oder ein Teil davon jedoch vollständig innerhalb des Innendurchmessers 710 der Sendespule 702 drehen oder bewegen.
Die Konfigurationen der ersten Empfängerspule 714 und der zweiten Empfängerspule 716 der zweiteiligen Empfängerspule 704 können so gestaltet sein, dass sie bei einer gegebenen Magnetflussänderung durch die zweiteilige Empfängerspule 704 erste und zweite Spannungen mit entgegengesetzter Polarität erzeugen. Die zweiteilige Empfängerspule 704 kann so konfiguriert sein, dass das erste und das zweite Signal dazu neigen, sich bei Fehlen des Kopplers 600 gegenseitig aufzuheben. Der Koppler 600 kann auch eine Nullposition haben, in der er die Flussübertragung zur ersten Empfängerspule 714 und zur zweiten Empfängerspule 716 gleichermaßen blockiert, so dass sich das erste Signal und das zweite Signal effektiv gegenseitig auslöschen. Wenn sich der Koppler 600 in eine erste Richtung relativ zur Ausgangsposition bewegt, blockiert er mehr magnetischen Fluss, der das zweite Signal induziert, während er gleichzeitig weniger magnetischen Fluss blockiert, der das erste Signal induziert. Daher nimmt die Amplitude des ersten Signals zu, die Amplitude des zweiten Signals nimmt ab und das Empfängersignal nimmt an Amplitude zu. Der Koppler 600 kann auch in eine zweite Richtung beweglich sein, in der die Amplitude des zweiten Signals zunimmt und die des ersten Signals abnimmt. Es sollte gewürdigt werden, dass der Koppler 600 sich in einem Abstand von der Senderspule 702 und der zweiteiligen Empfängerspule 704 dreht oder bewegt. In einigen Ausführungsformen dreht sich der Koppler 600 konzentrisch mit der ersten und zweiten Empfängerspule 714, 716, wie hier im Detail beschrieben.
Die erste Empfängerspule 714 und die zweite Empfängerspule 716 können in der axialen Richtung oder in der vertikalen Richtung (das heißt, in der +/- Z-Richtung) in getrennten Lagen der Leiterplatte 708 positioniert werden, so dass eine Differenz im Abstand oder Luftspalt zwischen der Sensoranordnung 700 und dem Koppler 600 entsteht. Es sollte gewürdigt werden, dass die Tiefe der ersten Empfängerspule 714 und der zweiten Empfängerspule 716 in Bezug auf den Koppler 600 ausgewählt wird, basierend auf, in einigen Ausführungsformen, einer Stärke des Signals, die für den Luftspalt oder den Abstand erforderlich ist. Das heißt, in einigen Ausführungsformen kann sich die erste Empfängerspule 714 in einer Schicht der Leiterplatte 708 und die zweite Empfängerspule 716 in einer von der ersten Empfängerspule 714 verschiedenen oder einer anderen Schicht der Leiterplatte 708 befinden. In einigen Ausführungsformen können die erste Empfängerspule 714 und die zweite Empfängerspule 716 in benachbarten oder angrenzenden Schichten angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen können die erste Empfängerspule 714 und die zweite Empfängerspule 718 in Schichten positioniert sein, die voneinander beabstandet oder durch eine andere Schicht getrennt sind, die unbesetzt sein oder andere Spulen enthalten können (das heißt einen Teil der Senderspule und dergleichen).
So können Teile der ersten Empfängerspule 714 Teile der zweiten Empfängerspule 718 überlappen und Teile der zweiten Empfängerspule 718 Teile der ersten Empfängerspule 714 unterlappen. Dabei sollte gewürdigt werden, dass die Überlappungsabschnitte nicht mit dem Pfad der darüber und/oder darunter liegenden Spule verbunden sind, und dass diese Spulenanordnung eine Abtastung des Kopplers 600 aus unterschiedlichen Entfernungen oder Luftspalten ermöglicht und die erste Empfängerspule 714 und die zweite Empfängerspule 718 als unabhängige Spulen wirken können. In noch weiteren Ausführungsformen sind Teile der ersten Empfängerspule 714 und der zweiten Empfängerspule 718 innerhalb der gleichen Schicht der Leiterplatte 708 angeordnet, so dass sie in vertikaler Richtung (das heißt in der +/- Z-Richtung) oder im Luftspalt zum Koppler 600 die gleiche Tiefe haben.
Die erste Empfängerspule 714 und die zweite Empfängerspule 718 können koplanar mit der Senderspule 702 sein oder in parallelen Ebenen zueinander und/oder zur Senderspule 702 liegen. Es sollte gewürdigt werden, dass die zweiteilige Empfängerspule 704 in axialer oder vertikaler Richtung (das heißt in der +/- Z-Richtung) in Bezug auf den Koppler 600 oberhalb der Senderspule 702 liegt. In einigen Ausführungsformen ist der Koppler 600 koaxial entlang einer zentralen Achse 720 am Mittelpunkt 208 ausgerichtet. Es sollte auch gewürdigt werden, dass die Leiterplatte 708 mehr als drei Schichten haben kann und dass einige Schichten durch eine Spule oder ähnliches unbesetzt sein können.
Mit Rückbezug auf die 3-6 und weiterhin Bezug nehmend auf 7 und die obige Beschreibung sollte man sich darüber im Klaren sein, dass die Konfiguration der zweiteiligen Empfängerspule 704 so sein kann, dass am Ausgang der zweiteiligen Empfängerspule 704 eine Spannung entwickelt wird, die eine Funktion der Position des Kopplers 300, 400, 500 und/oder 600 ist. Der Koppler 300, 400, 500 und/oder 600 kann eine Ausgangsposition relativ zur zweiteiligen Empfängerspule 704 haben, in der das Empfängersignal ein Minimum ist. Wenn sich der Koppler 300, 400, 500 und/oder 600 aus der Ausgangsposition bewegt, verändert er die induktive Kopplung zwischen den Konfigurationen der Senderspule 702 und der zweiteiligen Empfängerspule 704. In einigen Ausführungsformen, der Anfangskonfiguration des Kopplers 300, 400, 500 und/oder 600, sind ein erstes und ein zweites Signal - eines für die erste Empfängerspule 714 und eines für die zweite Empfängerspule 716 - von ähnlicher Größe und mit entgegengesetzter Phase, so dass sie dazu neigen, sich gegenseitig aufzuheben. Mit der Bewegung des Kopplers 300, 400, 500 und/oder 600 nimmt die induktive Kopplung zwischen der Senderspule 702 und einer ersten Empfängerspule 714 zu und gleichzeitig nimmt die induktive Kopplung zwischen der Senderspule 702 und der zweiten Empfängerspule 716 ab, während der Signalausgang reduzierte Oberwellenfehler aufweist. Es sollte gewürdigt werden, dass der Koppler 300, 400, 500 und/oder 600 nicht die gesamte Flusskopplung zwischen der Senderspule 702 und der zweiteiligen Empfängerspule 704 verändern muss, sondern nur die räumliche Verteilung der Flusskopplung verändern kann.
Unter Bezugnahme auf die 8A-8B ist nun eine zweite Beispielsensoranordnung 800 schematisch dargestellt, die den zweipoligen kontinuierlichen Kurvenkonturkoppler 500 enthält. Die zweite Beispielsensoranordnung 800 ähnelt der ersten Beispielsensoranordnung 700 mit der Ausnahme, dass die zweite Beispielsensoranordnung 800 den zweipoligen Koppler 500 enthält und dass die erste und zweite Empfängerspule 714, 716 der zweiteiligen Empfängerspule 704 zusätzliche Schleifen enthält. So werden ähnliche Elementnummern verwendet. Der zweipolige kontinuierliche Konturkoppler 500 umfasst zwei einander gegenüberliegende Nocken 202, die jeweils einen äußersten Abschnitt 204 mit gleichem Abstand zum Mittelpunkt 208 aufweisen und jeweils durch Übergangsabschnitte 206 verbunden sind. In einigen Ausführungsformen kann der zweipolige kontinuierliche Konturkoppler 500 ein Cassini-Oval, ein Kardoid und/oder dergleichen sein. Der zweipolige Koppler 500 bewegt sich in der Regel, ob rotierend oder linear, innerhalb des Außendurchmessers 712 der Senderspule 702. In einigen Ausführungsformen kann der Koppler 500 oder ein Teil davon jedoch innerhalb des Innendurchmessers 710 und/oder über den Außendurchmesser 712 der Senderspule 702 hinaus rotieren.
Unter Bezugnahme auf 9 ist ein illustratives Diagramm 900 des Empfangssignals schematisch dargestellt. Das illustrative Diagramm 900 zeigt schematisch den Unterschied im Empfangssignal zwischen dem Koppler 100 gemäß dem Stand der Technik (1), der in 9 als gestrichelte Linie dargestellt ist, und dem Beispielkoppler 200 ( 2), der in 9 als durchgezogene Linie dargestellt ist.
Eine Ordinate 902 stellt eine Amplitude des Empfangssignals dar und ist in einem Bereich zwischen 1,5 und -1,5 dargestellt, und eine Abszisse 904 stellt Grad oder Zeit dar und liegt in einem Bereich zwischen 0 Grad und 360 Grad. Wie in 9 gezeigt, hat das Empfangssignal des Kopplers 100 aus dem Stand der Technik, das als gestrichelte Linie dargestellt ist, harmonische Komponenten hoher Ordnung, die dazu führen, dass die Wellenform von einer reinen Sinuswellenform abweicht. Das Empfangssignal des BeispielKopplers 200, dargestellt als durchgezogene Linie, hat keine harmonischen Komponenten hoher Ordnung und die Wellenform ist, oder ist fast, eine reine Sinuswellenform.
9 zeigt, dass die geometrische Form des Beispielkopplers 200 alle harmonischen Komponenten hoher Ordnung ausgeglichen hat, die in der Wellenform des Empfangssignals gefunden wurden.
So wird eine neuartige kontinuierliche Kopplerkontur für viele verschiedene Pole offenbart, einschließlich einer einpoligen, einer zweipoligen, einer dreipoligen und einer vierpoligen Sensoranordnung. Es sollte klar sein, dass die kontinuierliche Kopplerkontur ein glattes Profil hat, das zu einer verbesserten Linearität und Luftspaltleistung führt. Darüber hinaus verbessert das glatte Profil der kontinuierlichen Kopplerkontur die Herstellbarkeit, verringert den Werkzeugverschleiß durch die Reduzierung scharfer Ecken und reduziert die Spannungskonzentration auf den Koppler, die Sensoreinheit, eine Welle und/oder ähnliches. Dem Fachmann sollte klar sein, dass viele Varianten im Rahmen der Erfindung möglich sind.
Beansprucht wird:

Claims

Induktive Sensoranordnung umfassend: - einen Sensor umfassend: - eine Senderspule mit einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser, - eine Empfängerspule, die innerhalb des Außendurchmessers der Senderspule angeordnet ist, - ein Kopplerelement mit einer kontinuierlichen Kurvenform, wobei das Kopplerelement innerhalb des Außendurchmessers der Senderspule so positioniert ist, dass ein maximaler Durchmesser der kontinuierlichen Kurvenform dem Außendurchmesser der Senderspule entspricht, wobei, wenn das Kopplerelement bewegt wird, die kontinuierliche Kurvenform des Kopplerelements eine induktive Kopplung zwischen der Senderspule und der Empfängerspule modifiziert.
Induktive Sensoranordnung gemäß Anspruch 1, wobei die kontinuierliche Kurvenform des Kopplerelements anhand einer ersten Gleichung bestimmt wird: ${\begin{matrix} x (θ) = (a + b * c o s (N θ)) * c o s (θ) \\ y (θ) = (a + b * c o s (N θ)) * s i n (θ) \end{matrix}, 0 \leq θ \leq 360 °$
wobei „N“ gleich der Anzahl der Pole in der Sensoranordnung ist, „a“ ein Durchmesser des Kopplerelements ist, „b“ eine Differenz zwischen einem Radius eines mittleren Parameters der kontinuierlichen Kurvenform des Kopplerelements und einem maximalen und/oder minimalen Parameter der kontinuierlichen Kurvenform des Kopplerelements ist, und „θ“ eine Variable eines eingezeichneten Punkts zur Definition der kontinuierlichen Kurvenform ist.
Induktive Sensoranordnung gemäß Anspruch 2, wobei die kontinuierliche Kurvenform des Kopplerelements mindestens einen Nocken aufweist.
Induktive Sensoranordnung gemäß Anspruch 3, wobei der maximale Parameter der kontinuierlichen Kurvenform des Kopplerelements aus einer zweiten Gleichung bestimmt wird: cos (N θ) = 1.
Induktive Sensoranordnung gemäß Anspruch 4, wobei ein äußerster Abschnitt des mindestens einen Nockens durch den maximalen Parameter bestimmt wird, der aus der zweiten Gleichung bestimmt wird.
Induktive Sensoranordnung gemäß Anspruch 5, wobei der minimale Parameter der kontinuierlichen Kurvenform des Kopplerelements aus einer dritten Gleichung bestimmt wird: cos (N θ) = -1.
Induktive Sensoranordnung gemäß Anspruch 6, wobei ein Übergangsbereich zwischen dem mindestens einen Nocken durch den minimalen Parameter bestimmt wird, der aus der dritten Gleichung bestimmt wird.
Induktive Sensoranordnung gemäß Anspruch 7, wobei die kontinuierliche Kurvenform eines vierpoligen Kopplerelements vier Nocken, vier äußerste Abschnitte und vier Übergangsabschnitte zwischen jedem der vier Nocken umfasst.
Induktive Sensoranordnung gemäß Anspruch 7, wobei die kontinuierliche Kurvenform eines dreipoligen Kopplerelements drei Nocken, drei äußerste Abschnitte und drei Übergangsabschnitte zwischen jedem der drei Nocken umfasst.
Induktive Sensoranordnung gemäß Anspruch 7, wobei die kontinuierliche Kurvenform eines zweipoligen Kopplerelements zwei gegenüberliegende Nocken, zwei äußerste Abschnitte und zwei Übergangsabschnitte zwischen den beiden gegenüberliegenden Nocken umfasst.
Induktive Sensoranordnung gemäß Anspruch 2, wobei die kontinuierliche Kurvenform eines einpoligen Kopplerelements kreisförmig ist.
Induktive Sensoranordnung gemäß Anspruch 11, wobei der maximale Parameter der kontinuierlichen Kurvenform des einpoligen Kopplerelements durch eine zweite Gleichung bestimmt wird: cos (N θ) = 1.
Induktive Sensoranordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Empfängerspule eine zweiteilige Empfängerspule ist.
Induktive Sensoranordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Bewegung des Koppelelements rotierend ist.
Induktive Sensoranordnung gemäß Anspruch 1„wobei die Bewegung des Koppelelements linear ist.
Induktive Sensoranordnung gemäß Anspruch 1, wobei die kontinuierliche Kurvenform des Kopplerelements eine Vielzahl von harmonischen Komponenten hoher Ordnung, die in einer Wellenform eines Empfangssignals gefunden werden, kompensiert.
Induktive Sensoranordnung gemäß Anspruch 1, wobei die kontinuierliche Kurvenform des Kopplerelements eine Kontur bildet, die ein glattes Profil aufweist, wobei das glatte Profil eine Vielzahl von harmonischen Komponenten hoher Ordnung, die in einer Wellenform eines Empfangssignals gefunden werden, kompensiert.