DE19525292A1 - Vorrichtung zur Erfassung des Drehwinkels, der Drehzahl und/oder der Drehrichtung eines Drehantriebes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung des Drehwinkels, der Drehzahl und/oder der Drehrichtung eines Drehantriebes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 42 33 549 ist eine Vorrichtung zum Erfassen der Drehzahl eines Drehantriebes bekannt. Diese Vorrichtung weist ein mit dem Drehantrieb drehfest verbundenes signalge­ bendes Element auf, dem in radialem Abstand ein ortsfester Sensor zugeordnet ist. Dieser erfaßt bei Rotation des signalgebenden Elements ein periodisches, drehrichtungsco­ diertes Signal. Der Ausgang des Sensors ist mit einer elektronischen Auswerteinheit verbunden. Als signalgebendes Element wird vorzugsweise ein Permanentmagnet und als Sensor vorzugsweise ein Hallsensor verwendet. Im allgemei­ nen sitzt der signalgebende Permanentmagnet auf der Anker­ welle des Motors im Motor- oder Getrieberaum. Die Leiter­ platte mit dem Hallsensor ist nur über den Arbeitsluftspalt im Gehäuse vom Permanentmagneten entfernt.

Diese Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß die Schnitt­ stelle zum Magnetkreis immer in der Nähe der Ankerwelle, also im Motor- oder Getriebegehäuse liegt, wodurch auch die Dichtkontur geometrisch kompliziert und verlängert sowie für jeden Motor bzw. jedes Getriebe verschieden ist. Es ist auch eine komplizierte Leiterplattengeometrie notwendig und Getriebe- und Elektronikgehäuse sind nicht durchgängig standardisierbar.

Weiterhin muß der Permanentmagnet als ringförmiger Magnet bzw. als Ansatz an der Ankerwelle befestigt werden. Die Be­ festigung erfolgt durch Aufschrumpfen und/oder Kleben. Eine solche Verbindung ist teuer und in einem Temperaturbereich von beispielsweise -40°C bis +80°C wegen der unterschied­ lichen Ausdehnungskoeffizienten nicht völlig sicher. So kann sich im oberen Temperaturbereich die Verbindung lockern, während im unteren Temperaturbereich der aufgepreßte oder aufgeschrumpfte kunststoffgebundene Magnet sogar platzen kann.

Weiterhin ist aus der Literaturstelle "Data Book AMS 501 1993" der Firma Allegro MicroSystems, Inc. eine Vorrichtung bekannt, die einen stationär angeordneten Magneten mit einem zugehörigen stationären Hallsensor aufweist. Zwischen diesen ist ein mit einer Welle verbundener Rotor angeord­ net, der in Abhängigkeit von seiner Winkelstellung den Magnetfluß unterstützt oder unterbricht.

Der Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß bei seiner Anwendung in Verbindung mit Elektromotoren eine aufwendige Verkabelung durch das Motorgehäuse erfolgen muß. Bei einer Ausführung, bei der die Motorwelle aus dem Motor­ gehäuse herausgeführt ist, so daß auch die Meßvorrichtung außerhalb angeordnet werden kann, wird zusätzlicher Raum benötigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erfassung des Drehwinkels und/oder der Drehzahl eines Drehantriebes zu entwickeln, die eine Verlagerung der Schnittstelle zwischen Mechanik (angetriebene Getriebe- oder Motorwelle) und Elektronik (Stromversorgung, Motor­ steuerung, Signalerkennung und -auswertung) derart er­ laubt, daß sämtliche elektrischen und elektronischen Bautei­ le (einschließlich Sensoren und Magneten) direkt mit der Elektronik in Verbindung stehen, insbesondere auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine Verlagerung der Schnittstelle zwischen Mechanik und Elektronik, so daß sämtliche elektrischen und elektronischen Bauteile (ein­ schließlich Sensoren und Magnete) direkt mit der Elektronik in Verbindung stehen. Daraus ergibt sich, daß die Schnitt­ stelle zur Kontaktierung der Erfassungsvorrichtung und darüber hinaus auch zur Motorstromkontaktierung außerhalb des Motor- und Getrieberaumes angeordnet werden kann. Daraus wiederum ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Verkürzung der Ankerwelle des Drehantriebes um den Längenbe­ trag für die Erfassungsvorrichtungs- und Motorstromkontak­ tierung sowie eine Möglichkeit zur Standardisierung der Getriebe- und Elektronikgehäuse sowie die Schaffung einer einfachen Dichtungskontur für einen aus einem Motor und einem Getriebe zusammengesetzten Drehantrieb.

Der stationäre Magnetfeldsensor und das Flußänderungsele­ ment können wahlweise auf unterschiedlichen Seiten oder auf der gleichen Seite der stationären Magnetfeldquelle angeord­ net werden. Wesentlich ist lediglich, daß beide Elemente in unterschiedlichen Teilmagnetfeldern angeordnet sind, so daß zwei magnetische Kreise aufgebaut werden, in denen die magnetische Feldstärke von der Stellung des Flußänderungs­ elementes abhängt. In der einen Stellung leitet das Flußän­ derungselement den magnetischen Fluß optimal, indem ein kleiner Luftspalt in dem magnetischen Kreis des Flußände­ rungselementes aufgebaut wird, während im anderen Fall ein großer Luftspalt im magnetischen Kreis des Flußänderungsele­ mentes entsteht, der zu einem Anstieg des Streuflusses über den stationären Magnetfeldsensor führt. Die Anordnung des stationären Magnetfeldsensors und die durch das Flußände­ rungselement bewirkten Unterschiede der magnetischen Feld­ stärke bzw. des Streuflusses im Bereich des stationären Magnetfeldsensors sind so zu wählen, daß ein hinreichend großer Flußunterschied entsteht. Vorzugsweise werden Magnet­ feldsensoren mit einer Schaltschwelle verwendet, so daß ein digitales Signal entsteht.

Konstruktive Maßnahmen, die zu optimalen magnetischen Kreisen führen, in denen der Flußunterschied hinreichend groß ist, so daß der stationäre Magnetfeldsensor mit einem hinreichend großen Flußunterschied beaufschlagt wird, bestehen darin, daß zumindest das Flußänderungselement beabstandet zu der stationären Magnetfeldquelle und minde­ stens ein stationäres Flußleitelement zwischen dem Flußände­ rungselement und der stationären Magnetfeldquelle angeord­ net werden und daß der stationäre Magnetfeldsensor im Streufeld der stationären Magnetfeldquelle, vorzugsweise im Bereich des maximalen Streufeldes angeordnet ist.

In einer Variante sind das Flußänderungselement und der stationäre Magnetfeldsensor radial beabstandet zur stationä­ ren Magnetfeldquelle angeordnet und Flußleitelemente zwi­ schen dem Flußänderungselement, dem stationären Magnetfeld­ sensor und der stationären Magnetfeldquelle vorgesehen.

In dieser Ausführungsform wird der magnetische Fluß über das Flußleitelement in zwei magnetische Teilfelder aufge­ teilt, deren magnetische Feldstärke in Abhängigkeit von der Stellung des Flußänderungselementes wechselweise maximale oder minimale Werte aufweisen. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft dort anwendbar, wo die Verhältnisse nicht die Anordnung des stationären Magnetfeldsensors im Bereich des maximalen Streufeldes erlauben oder keine anderweitig definierte magnetische Verhältnisse vorliegen, so daß durch die Magnetleitelemente definierte magnetische Pfade aufgebaut werden, die bei Rotation des mit dem Drehan­ trieb verbundenen Flußänderungselementes eine hinreichend große Induktionsdifferenz gewährleisten.

Zur Gewährleistung eines für das Ansprechen des stationären Magnetfeldsensors hinreichend großen Induktionsunterschie­ des ist das Flußänderungselement so zu gestalten, daß wechselweise eine Konzentration auf den magnetischen Pfad des Flußänderungselementes bzw. eine Erhöhung des Streufel­ des im Bereich des stationären Magnetfeldsensors gewährlei­ stet wird. Zu diesem Zweck kann das Flußänderungselement aus einem Rotationskörper mit Sektoren unterschiedlicher Permeabilität bestehen, derart, daß in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Flußänderungselementes das von der stationären Magnetfeldquelle ausgehende und über das Flußän­ derungselement verlaufende Teilmagnetfeld über einen Pfad hoher Permeabilität oder einen Pfad niedriger Permeabilität verläuft.

Alternativ oder ergänzend kann das Flußänderungselement aus einem Rotationskörper mit den Luftspalt verringernden Abschnitten bzw. Sektoren bestehen, wobei der Umfang des Rotationskörpers vorzugsweise zur Bildung von Sektoren mit vergrößertem Luftspalt sektoriell abgeflacht ist, derart, daß ein von der Stellung des Flußänderungselementes abhängi­ ger Luftspalt zwischen einem rotierenden Teil des Flußände­ rungselementes und einem stationären Teil des Flußänderung­ selementes bzw. dem Flußänderungselement und den Flußleit­ elementen ausgebildet ist.

In einer weiteren Ausführungsform kann das Flußänderungsele­ ment aus einem Rotor mit mehreren Flügeln aus einem Mate­ rial hoher Permeabilität bestehen. Insbesondere kann der Rotor gabelförmig ausgebildet sein, so daß sich Gabeln aus einem Material hoher Permeabilität mit einem entsprechend großen Luftspalt abwechseln.

Dadurch wird eine solche Flußänderung in dem einen, das Flußänderungselement beinhaltenden magnetischen Pfad be­ wirkt, daß der stationäre Magnetfeldsensor im Bereich hinreichend großer Änderungen der magnetischen Feldstärke in Abhängigkeit von der Stellung des Flußänderungselementes liegt.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß daß sich die Radien der Sektoren erhöh­ ter Permeabilität bzw. der nicht abgeflachten Sektoren kon­ tinuierlich von einem größten Radius auf einen kleinsten Radius ändern, so daß neben einer Erfassung der Drehzahl bzw. des Drehwinkels des Drehantriebes auch eine Erfassung der Drehrichtung möglich ist. Durch die kontinuierliche Veränderung des Luftspaltes bzw. des Bereiches hoher Permea­ bilität des Flußänderungselementes kann bei bekannter Geometrie des Flußänderungselementes erfaßt werden, ob sich der mit der Erfassungsvorrichtung verbundene Drehantrieb in der einen oder anderen Richtung dreht.

Neben einer kontinuierlichen Veränderung der Permeabilität des Pfades, in dem sich das Flußänderungselement befindet, kann auch eine diskontinuierliche oder sprunghafte Verände­ rung vorgesehen werden, indem beispielsweise eine abgestuf­ te oder treppenartige Veränderung des Luftspaltes bzw. des Sektors hoher Permeabilität vorgesehen wird. Die geometri­ sche Ausgestaltung des Flußänderungselementes und dessen Materialzusammensetzung kann auf mannigfaltige Weise erfol­ gen.

Dem Ziel der Schaffung eines hinreichend großen Unterschie­ des der magnetischen Feldstärke im Bereich des stationären Magnetfeldsensors dient die entsprechende geometrische bzw. konstruktive Ausgestaltung des das Flußänderungselement beinhaltenden Flußpfades sowie dessen magnetische Eigen­ schaften. Vorzugsweise weist zu diesem Zweck die stationäre Magnetfeldquelle als Flußleitelemente ausgebildete Fortsät­ ze auf, die sich in Richtung des Flußänderungselementes er­ strecken, wobei die freien Enden der Fortsätze als Polschu­ he ausgebildet sind.

Dadurch wird eine Konfiguration geschaffen, die in ihrer Anordnung einem Elektromotor gleicht, so daß bei konstantem Luftspalt zwischen dem Flußänderungselement und den als Polschuhe ausgebildeten Flußleitelementen ein konstanter Luftspalt vorgegeben ist, so daß bei Drehung des Flußände­ rungselementes infolge der sich verändernden Permeabilität der Sektoren des Flußänderungselementes unterschiedlich große magnetische Widerstände und damit unterschiedliche magnetische Feldstärken im Flußpfad des Flußänderungselemen­ tes hervorgerufen werden. Entsprechend umgekehrt verhalten sich die Feldstärken, denen der Sensor ausgesetzt ist.

Durch eine Verbindung der Flußleitelemente und der Stromzu­ führung zum Drehantrieb kann die Anzahl der Steckkontakte an der Schnittstelle von Drehantrieb und Erfassungsvorrich­ tung bzw. Steuereinrichtung reduziert werden. Demzufolge werden in einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungs­ gemäßen Lösung die stationären ferromagnetischen Flußleit­ elemente zusammen mit paramagnetischen oder diamagneti­ schen, den elektrischen Strom zwischen dem Drehantrieb und einer Spannungsquelle gut leitenden Schienen als Schichtme­ tall ausgebildet und vorzugsweise als Kombination aus Weicheisen und Kupfer oder Aluminium ausgeführt. Die Fluß­ leitelemente und die Stromzuführungen können in dieser Ausführungsform als korrosionsgeschützte Schichtmetallver­ bindungen, als Falzverbindung oder dgl. ausgeführt werden. Die Schichtmetalle können dabei durch eine dünne Kunststoff­ schicht metallisch voneinander getrennt sein. Vorzugsweise ist der ferromagnetische (Eisen-)Pfad von der stromleiten­ den (Kupfer-)Schicht ummantelt.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spielen soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisch-perspektivische Darstellung einer auf einer Leiterplatte angeordneten Erfassungsvorrichtung, kombinierten Fluß- und Stromleitelementen sowie eines Flußände­ rungselementes mit rotierender, abgeflachter Kreisscheibenplatte;

Fig. 2 eine schematisch-perspektivische Darstellung einer Erfassungsvorrichtung mit einem gabel­ förmigen Flußänderungselement und seitlich der Längsachse der Welle des Drehantriebes angeordnetem Permanentmagneten;

Fig. 3 und 4 eine schematisch-perspektivische Darstellung einer Erfassungsvorrichtung mit einem zylin­ derförmigen rotierenden Teil des Flußände­ rungselementes mit segmentförmigen Bereichen unterschiedlicher Permeabilität in verschie­ denen Drehwinkelstellungen;

Fig. 5 und 6 eine schematisch-perspektivische Darstellung eines Drehantriebes mit einer Erfassungsein­ richtung mit kombinierten Fluß- und Strom­ leitelementen;

Fig. 7 eine schematisch-perspektivische Darstellung einer Erfassungsvorrichtung mit stabförmigem Permanentmagneten und aufgesetzten, quader­ förmigen Flußleitelementen;

Fig. 8 eine schematisch-perspektivische Darstellung einer Verbindung eines Flußleitelementes mit einem elektrischen Leiter in Schichtform;

Fig. 9 eine schematisch-perspektivische Darstellung einer Verbindung eines Flußleitelementes mit einem elektrischen Leiter in Hülsenform und

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Vorrich­ tung zur Erfassung eines Rechts- oder Links­ laufs eines Drehantriebes.

Fig. 1 zeigt in schematisch-perspektivischer Darstellung eine Vorrichtung zur Erfassung des Drehwinkels und/oder der Drehzahl eines Drehantriebes, der mit der Welle 1 in nicht näher dargestellter Weise verbunden ist. Auf der Welle 1 ist ein Flußänderungselement in Form einer abgeflachten Kreisscheibe 2 befestigt, die aus einem ferromagnetischen Material, vorzugsweise aus Weicheisen, besteht. Die Befesti­ gung des Flußänderungselementes 2 auf der Welle 1 erfolgt beispielsweise durch Aufschrumpfen, wobei gewährleistet ist, daß das ferromagnetische Material auch bei großen Temperaturunterschieden, wie sie in den verschiedenen Klimazonen der Erde auftreten können, sicher mit der Wel­ le 1 verbunden ist. Die Kreissegmentabschnitte des Flußände­ rungselementes 2 sind mit der Bezugsziffer 3 und die abge­ flachten Abschnitte mit der Bezugsziffer 4 versehen.

Dem Flußänderungselement 2 sind Abschnitte von stationären Flußleitelementen 5 zugeordnet, die in ihrer Kontur den Kreissegmentabschnitten 3 des Flußänderungselementes 2 angepaßt sind. Von den stationären Flußleitelementen 5 ist zur besseren Darstellung nur ein Element dargestellt, während das andere Element durch die gestrichelte Linie 7 angedeutet ist. Die Flußleitelemente 5 erstrecken sich durch eine Ausnehmung in einer Leiterplatte 6, auf der ein Permanentmagnet 8 als stationäre Magnetfeldquelle sowie ein Hallsensor 9 als stationärer Magnetfeldsensor befestigt sind. Der Hallsensor ist dabei im Bereich des maximalen Streuflusses des Permanentmagneten 8 angeordnet.

Die Leiterplatte 6 ist mittels federnder Kontakte 11 und 12 mit den Motorkontakten 13, 14 verbunden, zwischen denen das Flußleitelement 5 zur Ausnehmung 10 in der Leiterplatte 6 verläuft, wo sie mit dem Nord- bzw. Südpol des Permanent­ magneten 8 verbunden sind. Der Motorkontakt 14 ist mittels einer Stromschiene bzw. Litze 15 mit den Bürsten des nicht näher dargestellten Motors des Drehantriebes verbunden.

In der in Fig. 1 dargestellten Winkelstellung des auf der Welle 1 befestigten Flußänderungselementes 2, in der die kreissegmentförmigen Abschnitte 3 den in der Kontur angepaß­ ten Enden der Flußleitelemente 5 gegenüberstehen, wird ein Teilmagnetfeld ausgebildet, das in einem magnetischen Kreis hoher Permeabilität verläuft, da nur ein geringer und in der Länge konstanter Luftspalt zwischen den segmentförmigen Abschnitten 3 und den diesen Abschnitten gegenüberstehenden Enden der Flußleitelemente 5 ausgebildet ist. Daraus resul­ tiert eine große magnetische Feldstärke in dem Luftspalt zwischen den segmentförmigen Abschnitten 3 des Flußände­ rungselementes 2 und den diesen Abschnitten gegenüber stehen­ den Enden der Flußleitelemente 5. In diesem Fall gelangt ein nur schwacher Streufluß über den Hallsensor 9, dessen Ausgangssignal dementsprechend beispielsweise "0" ist.

Bei einer Drehung der Welle 1 und des darauf befestigten Flußänderungselementes 2 um 90° stehen den Enden der Fluß­ leitelemente 5 die abgeflachten Abschnitte 4 des Flußände­ rungselementes 2 gegenüber, so daß sich infolge des großen Luftspaltes zwischen den abgeflachten Abschnitten 4 und den Enden der Flußleitelemente 5 eine geringe magnetische Feldstärke in den Luftspalt und damit eine geringe Induk­ tion in dem Teilmagnetfeld ausbildet, das durch den magneti­ schen Kreis aus Permanentmagnet 8, Flußleitelementen 5, Flußänderungselement 2 und dem Luftspalt zwischen den abgeflachten Abschnitten 4 und den Enden der Flußleitelemen­ te 5 (sowie dem Übergang zwischen den Flußleitelementen 5 und dem Permanentmagneten 8) gebildet wird. In dem Maße, wie die Induktion in diesem magnetischen Kreis abgeschwächt wird, erhöht sich der Streufluß über den Hallsensor 9, dessen Ausgangssignal dementsprechend von "0" auf "1" bzw. "L" springt.

Der vorstehend beschriebene Vorgang wiederholt sich bei einer Drehung der Welle 1 mit dem darauf befestigten Flußän­ derungselement 2 um 180° bzw. 360°. Die in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Welle 1 bzw. des Flußänderungselementes 2 unterschiedlichen Ausgangssignale ("0" und "1" bzw. "High" und "Low") des Hallsensors 9 ermöglichen somit in Verbin­ dung mit einer entsprechenden Auswertelektronik eine genaue Bestimmung der Drehzahl des mit der Welle 1 verbundenen Drehantriebes.

Bei einer entsprechenden Segmentierung des Flußänderungsele­ mentes 2 kann zudem eine sehr genaue Drehwinkelbestimmung erfolgen, deren Auflösung von der Segmentzahl abhängt, wobei zu beachten ist, daß die variable magnetische Feld­ stärke solche Unterschiede aufweist, daß der im Teilmagnet­ feld des Hallsensors ausgebildete Streufluß eine ausreichen­ de Unterscheidung zwischen den Winkelstellungen des Flußän­ derungselementes ermöglicht.

Die schematisch-perspektivische Darstellung gemäß Fig. 1 verdeutlicht, daß die Schnittstelle zwischen der über den Motorkontakt 13, 14 erfolgenden Motorstromkontaktierung und der Kontaktierung der Erfassungsvorrichtung außerhalb des Motor- und Getrieberaumes des Drehantriebes angeordnet ist, so daß eine klare räumliche Trennung zwischen dem Drehan­ trieb und der Elektronikeinheit erfolgen kann. Dabei befin­ det sich die magnetische Quelle stationär in unmittelbarer Nähe des Magnetfeldsensors bzw. Hallsensors oder an jeder anderen geeigneten Stelle des magnetischen Kreises. Vorzugs­ weise werden dabei die Magnetfeldquelle (Permanentmagnet) und Magnetfeldsensor (Hallsensor) als ein Bauelement ausge­ bildet. Die Flußleitelemente 5 können in jeder magnetisch geeigneten Geometrie ausgeformt werden, wobei kurze Wege des magnetischen Flusses vorzuziehen sind.

Eine entsprechende Kombination der Flußleitelemente 5 und der stromführenden Teile (Motorkontakte 13, 14) verringert zudem die Anzahl der Steckkontakte zur Verbindung der Elektronikeinheit mit dem Drehantrieb. Damit ist die Posi­ tionierung der Leiterplatte einer Elektronikeinheit mit der darauf angeordneten Erfassungsvorrichtung nicht mehr zwin­ gend in unmittelbarer Nähe des rotierenden, aktiven Hall­ sensors im Getrieberaum eines Drehantriebes festgelegt. Die Elektronikeinheit bzw. das Elektronikmodul kann an jeder beliebigen Stelle in einem Trockenraum oder, wie in bisheri­ gen Ausführungsformen, mit kundenspezifischem Stecker am Getriebegehäuse angeordnet werden oder in Verbindung mit einer Zentralelektronik vorgesehen werden.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 besteht das Flußände­ rungselement 16 aus zwei sich in Längsrichtung der mit dem Drehantrieb verbundenen Welle 1 erstreckenden Gabeln 17, 18. Die stationäre Magnetfeldquelle besteht aus einem Permanentmagneten 19, dessen Pole an ihren Enden als Pol­ schuhe 19a, 19b ausgebildet sind. Der stationäre Magnet­ feldsensor oder Hallsensor 9 ist an der Stirnseite eines der beiden Pole 19a, 19b des Permanentmagneten 19 angeord­ net und somit im Bereich des maximalen Streuflusses. Die Au­ ßenkontur der Gabeln 17, 18 ist der Kontur der Polschuhen­ den des Permanentmagneten angepaßt, so daß sich bei einer Winkelstellung des Flußänderungselementes 16, in der eine der beiden Gabeln den Polschuhen des Permanentmagneten 19 gegenübersteht, ein konstanter Arbeitsluftspalt ergibt.

Bei Drehung des Flußänderungselementes um 90° gegenüber dieser Stellung, die in Fig. 2 dargestellt ist, liegt ein großer Arbeitsluftspalt zwischen dem Permanentmagneten 19 und dem Flußänderungselement 16 vor, so daß ein maximaler Streufluß durch den Hallsensor 9 tritt, da der magnetische Widerstand zwischen den Polschuhflächen des Permanentmagne­ ten 19 und den Gabeln 17, 18 des Flußänderungselementes 16 auf einen maximalen Wert angestiegen ist.

In den Fig. 3 und 4 ist eine Variante dargestellt, die ein auf der mit dem Drehantrieb verbundenen Welle 1 befe­ stigtes zylinderförmiges Flußänderungselement 23 in zwei verschiedenen Winkelstellungen zeigt. Der Grundkörper des zylinderförmigen Flußänderungselementes 23 besteht aus einem dia- oder paramagnetischen Werkstoff, beispielsweise Aluminium bzw. Kupfer, in den zwei Segmente aus einem Werkstoff hoher Permeabilität 24, 25, beispielsweise aus Weicheisen, eingesetzt sind.

Die Segmente hoher Permeabilität 24, 25 wechseln sich somit bei Rotation des Flußänderungselementes 23 mit Segmenten niedriger Permeabilität ab. Ist eine höhere Auflösung der Winkelstellung des Flußänderungselementes 23 und damit des Drehantriebes gewünscht, so kann eine größere Anzahl Segmen­ te in den zylindrischen Grundkörper des Flußänderungselemen­ tes 23 eingelegt werden.

Die stationäre Magnetfeldquelle besteht aus einem Permanent­ magneten 26, dessen Nord- und Südpol stirnseitig mit Fluß­ leitelementen 27, 28 verbunden sind, die eine Verbindung von der entfernt zum Flußänderungselement 23 angeordneten stationären Magnetfeldquelle herstellen, das heißt eine vorgegebene Distanz überbrücken. Die dem Flußänderungsele­ ment 23 zugewandten Oberflächen der Flußleitelemente 27, 28 weisen eine konkave Form auf, die dem Radius des zylinder­ förmigen Flußänderungselementes angepaßt ist, so daß sich gegenüber dem zylindrischen Flußänderungselement 23 ein konstanter Luftspalt ergibt.

Der stationäre Magnetfeldsensor 9 in Form eines Hallsensors ist auf der dem Flußänderungselement 23 abgewandten Seite des Permanentmagneten 26 angeordnet und vorzugsweise auf der dem Flußänderungselement 23 abgewandten Oberfläche des Permanentmagneten 26 mit dem Nord- oder Südpol des Perma­ nentmagneten 26 verbunden. Damit befindet sich der stationä­ re Magnetfeldsensor 9 im Bereich des maximalen Streuflusses und erfaßt Änderungen des vom Permanentmagneten 26 aufgebau­ ten Magnetfeldes, das sich in ein erstes Teilmagnetfeld, das von den Polen (N, S) des Permanentmagneten 26 über die Flußleitelemente 27, 28 und das Flußänderungselement 23 verläuft, und ein außerhalb dieses magnetischen Pfades verlaufendes Streufeld als zweites Teilmagnetfeld aufteilt.

Je nach Winkelstellung des Flußänderungselementes 23 und damit des mit dem Flußänderungselement 23 über die Welle 1 verbundenen Drehantriebes wird das erste Teilmagnetfeld über die Segmente hoher Permeabilität 24, 25 des Flußände­ rungselementes 23 zur Bildung eines magnetischen Pfades hoher Leitfähigkeit über die Flußleitelemente 27, 28 ge­ schlossen oder der Streufluß erhöht. In Fig. 3 steht das Segment 24 hoher Permeabilität des Flußänderungselemen­ tes 23 unmittelbar unter den ihm zugewandten Oberflächen der Flußleitelemente 27, 28 und bildet somit einen magneti­ schen Pfad hoher magnetischer Leitfähigkeit über die dazwi­ schen befindlichen Arbeitsluftspalte aus, so daß der Streufluß im Bereich des stationären Magnetfeldsensors 9 minimal ist.

Bei Drehung des Flußänderungselementes 23 um 90° befindet sich gemäß Fig. 4 ein Segment niedriger Permeabilität des Flußänderungselementes 23 unterhalb der dem Flußänderungs­ element 23 zugewandten Flächen der Flußleitelemente 27, 28, so daß ein magnetischer Pfad geringer magnetischer Leitfä­ higkeit aufgebaut wird, der sich über das Flußänderungsele­ ment 23 schließt, so daß das den stationären Magnetfeldsen­ sor 9 durchsetzende Teilmagnetfeld, das dem Streufluß entspricht, seine maximale Feldstärke annimmt.

In den Fig. 5 und 6 ist eine weitere Ausführungsform in zwei verschiedenen Winkelstellungen eines Flußänderungsele­ mentes 38 dargestellt. Das Flußänderungselement 38 besteht in dieser Ausführungsform ebenfalls aus einem zylindrischen Körper, der auf einer Ankerwelle 1 eines Drehantriebes befestigt ist. Von diesem Drehantrieb ist schematisch-per­ spektivisch der Kommutator eines Motors mit einem Kollek­ tor 37 und einer mittels einer Feder 36 gegen den Kollek­ tor 37 gedrückten Bürste 35 dargestellt.

Das Flußänderungselement 38 weist zwei Segmente hoher Permeabilität 39, 40 auf, zwischen denen Segmente 41, 42 niedriger Permeabilität angeordnet sind. Die Segmente hoher Permeabilität 39, 40 sind über einen zylindrischen, an die Ankerwelle 1 angrenzenden Ring aus einem Material hoher Permeabilität magnetisch gut leitend miteinander verbunden.

Das zylindrische Flußänderungselement 38 ist zwischen zwei Flußleitelementen 29, 30 angeordnet, die im Bereich des Flußänderungselementes 38 als Polschuhe ausgebildet sind, das heißt konkav gewölbt sind, so daß sich ein konstanter Luftspalt 46, 47 zwischen dem Zylindermantel des Flußände­ rungselementes 38 und der Innenfläche der Enden der Fluß­ leitelemente 29, 23 ergibt.

Die stationäre Magnetfeldquelle in Form eines Permanentma­ gneten 43 befindet sich zwischen den Flußleitelementen 29, 30 in einem vorgegebenen Abstand zum Flußänderungselement 38. Die schienenartig ausgebildeten Flußleitelemente 29, 30 schließen einen zur stationären Magnetfeldquelle 43 beab­ standeten stationären Magnetfeldsensor 9 in Form eines Hall­ sensors ebenfalls ein, wobei die Kontur der Flußleitelemen­ te 29, 30 im Bereich des stationären Magnetfeldsensors 9 der Breite des stationären Magnetfeldsensors 9 angepaßt ist.

Alternativ zu der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Anordnung kann das Flußänderungselement 38 zwischen dem stationären Magnetfeldsensor 9 und der stationären Magnet­ feldquelle 43 vorgesehen werden.

Analog zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispie­ len bilden sich auch in dieser Ausführungsform zwei Teilma­ gnetfelder aus, von denen das eine Teilmagnetfeld durch den magnetischen Pfad gebildet wird, der von dem Permanentmagne­ ten 43 über die Flußleitelemente 29, 30 und den Hallsensor 9 verläuft, während das andere Teilmagnetfeld durch den magnetischen Pfad gebildet wird, der vom Permanentmagne­ ten 43 über die Flußleitelemente 29, 30 über das Flußände­ rungselement 38 verläuft.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Winkelstellung des Flußän­ derungselementes 38 und damit des Drehantriebes stehen den als Polschuhe ausgebildeten Enden der Flußleitelemente 29, 30 die Segmente hoher Permeabilität 39, 40 des Flußände­ rungselementes 38 gegenüber, so daß sich ein magnetischer Pfad hoher magnetischer Leitfähigkeit über die Arbeits­ luftspalte 46, 47 ergibt und der magnetische Fluß über den magnetischen Rückschluß der Segmente hoher Permeabilität 39, 40 und die Arbeitsluftspalte 46, 47 geschlossen wird. Als Folge hiervon nimmt die Induktion im zweiten Teilmagnet­ feld, das über den Hallsensor 9 verläuft, ab und der Hall­ sensor 9 befindet sich in einem Magnetfeld geringer magneti­ scher Feldstärke bzw. magnetischer Induktion.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Winkelstellung des Flußän­ derungselementes 38 stehen den als Polschuhe ausgebildeten Enden der Flußleitelemente 29, 30 die Segmente niedriger Permeabilität 41, 42 des Flußänderungselementes 38 gegen­ über, so daß der magnetische Fluß durch den para- oder diamagnetischen Werkstoff des Flußänderungselementes 38 herabgesetzt wird. Als unmittelbare Folge davon steigt die Induktion im Bereich des Hallsensors 9 auf ihren maximalen Wert an.

Auch in dieser Ausführungsform sind die unterschiedlichen Permeabilitäten der Segmente des Flußänderungselementes 38, das heißt die ferro- oder para- bzw. diamagnetischen Berei­ che des Flußänderungselementes 38, sowie die Geometrie der gesamten Anordnung so zu dimensionieren, daß bei Rotation des Flußänderungselementes 38 die Differenz der Induktion im Bereich des Hallsensors 9 vorzugsweise mindestens 20 mT beträgt.

In dem in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbei­ spiel sind die Flußleitelemente 29, 30 mit Stromzuführungen 31, 32 für den Drehantrieb verbunden. Diese Stromzuführun­ gen bestehen vorzugsweise aus Kupferschienen, die der Kontur der Stromleitelemente 29, 30 angepaßt sind. Die Flußleitelemente 29, 30 und die Kupferschienen 31, 32 bilden eine Schichtmetallverbindung. Die Kupferschienen 31, 32 sind über Litzen 33, 34 mit den Bürsten 35 des Kommuta­ tors des Drehantriebes verbunden. Um einen Stromfluß über den Permanentmagneten 43 zu unterbinden, sind Isolations­ schichten 44, 45 zwischen den Stirnseiten des Permanentma­ gneten 43 und den Flußleitelementen 29, 30 vorgesehen.

In den Fig. 8 und 9 sind Varianten dargestellt, wie ein Flußleitelement und ein Stromleiter miteinander verbunden sein können. In Fig. 8 sind ein Flußleitelement 68 und ein Stromleiter 69 nach Art eines Bimetalls miteinander verbun­ den. In der Ausführungsform der Fig. 9 ist ein stabförmiges Flußleitelement 70 von einem hülsenförmigen Stromleiter 71 umgeben.

Fig. 7 zeigt in schematisch-perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform, bei der das Flußänderungselement 51 dem Flußänderungselement 38 der Fig. 5 und 6 entspre­ chend Segmente hoher Permeabilität 52, 53, die magnetisch gut leitend über einen zylindrischen Ring miteinander verbunden sind, sowie Segmente niedriger Permeabilität 54, 55 aufweist. Auch in dieser Ausführungsform bestehen die Segmente hoher Permeabilität 52, 53 sowie der zylindrische Ring vorzugsweise aus Weicheisen, während die Segmente niedriger Permeabilität 54, 55 aus Aluminium bestehen.

Die stationäre Magnetfeldquelle besteht aus einem stabförmi­ gen Permanentmagneten 48, auf dessen Nord- und Südpol Flußleitelemente 49, 50 aufgesteckt sind. Diese Flußleitele­ mente 49, 50 sind quaderförmig ausgebildet und weisen eine konkave Oberfläche auf, die auf die Oberfläche des Flußände­ rungselementes 51 gerichtet ist, so daß sich ein konstanter Luftspalt zwischen der konkaven Oberfläche der Flußleitele­ mente 49, 50 und der Oberfläche des Flußänderungselemen­ tes 51 ausbildet.

Der stationäre Magnetfeldsensor in Form eines Hallsensors 9 ist an der Stirnseite eines der beiden Pole des Permanentma­ gneten 48 angeordnet. Auch in dieser Ausführungsform bilden sich zwei Teilmagnetfelder aus, von denen das eine Teil­ magnetfeld durch den über den Hallsensor 9 verlaufenden Streufluß und das andere Teilmagnetfeld über das Flußände­ rungselement 51 gebildet wird. In der in Fig. 7 dargestell­ ten Winkelstellung des Flußänderungselementes 51 wird ein magnetischer Pfad vom Permanentmagneten 48 über die Fluß­ leitelemente 49, 50 und ein Segment hoher Permeabilität 52 des Flußänderungselementes 51 gebildet, der einen geringen magnetischen Widerstand, das heißt eine hohe magnetische Leitfähigkeit aufweist. Damit wird das Magnetfeld über diesen magnetischen Pfad gebündelt und der Streufluß über den Hallsensor 9 ist minimal.

Bei Drehung des Rotationskörpers um 90° steht eines der beiden Segmente niedriger Permeabilität 54, 55 des Flußände­ rungselementes 51 unterhalb der konkaven Oberflächen der Flußleitelemente 49, 50, so daß ein Pfad hohen magnetischen Widerstandes in dem Teilmagnetfeld aufgebaut wird, das über das Flußänderungselement 51 verläuft. Entsprechend steigt die durch den Streufluß hervorgerufene Induktion im Bereich des Hallsensors 9 auf ihren maximalen Wert an.

Die an eine nachgeschaltete Elektronik abgegebenen Ausgangs­ signale des stationären Magnetfeldsensors bzw. Hallsen­ sors 9 hängen von der magnetischen Feldstärke im Bereich des Hallsensors 9 ab. Infolge des Hall-Effektes gibt der Hallsensor 9 eine Ausgangsspannung ab, die von eben dieser magnetischen Feldstärke abhängt, so daß beispielsweise beim Auftreten eines maximalen Streuflusses im Bereich des Hallsensors 9 eine Ausgangsspannung U (Digital "L") bzw. keine Ausgangsspannung (Digital "0") abgegeben wird. Der Wechsel zwischen den verschiedenen Ausgangsspannungen des Hallsensors kann dann in einer nachgeschalteten Elektronik zur Erfassung der Drehzahl bzw. Drehwinkelstellung des mit dem Flußänderungselement verbundenen Drehantriebes ausgewer­ tet werden.

Durch eine besondere Konfiguration des Flußänderungselemen­ tes kann darüber hinaus auch eine Drehrichtungserkennung vorgenommen werden, was nachfolgend anhand der Fig. 10 näher erläutert werden soll.

In der schematischen Querschnittszeichnung gemäß Fig. 10 ist ein Flußänderungselement 56 dargestellt, dem als Pol­ schuh ausgebildete Flußleitelemente 63, 64 zugeordnet sind. Die Flußleitelemente 63, 64 sind sowohl mit einem Hallsen­ sor 9 als auch mit einem Permanentmagneten 65 verbunden, so daß sich analog zu den vorstehend dargestellten und be­ schriebenen Ausführungsbeispielen zwei Teilmagnetfelder ergeben, in denen der magnetische Fluß wechselseitig an­ steigt und absinkt.

Das Flußänderungselement 56 besteht aus einem Rotationskör­ per mit zwei gegenüberliegend angeordneten, als Pole ausge­ bildeten Segmenten 57, 58, die einen geringeren Luftspalt zwischen den als Polschuhe ausgebildeten Flußleitelementen 63, 64 ausbilden als die übrigen Bereiche 59, 60 des Flußän­ derungselementes 56. In Abhängigkeit von der Drehwinkelstel­ lung des Flußänderungselementes 56 werden daher in Abhängig­ keit von der Größe des Luftspaltes magnetische Pfade gerin­ ger oder großer Leitfähigkeit ausgebildet, so daß dement­ sprechend der Streufluß über den Hallsensor 9 maximal oder minimal ist.

Zur Drehrichtungserkennung weisen die gegenüberliegenden Pole 57, 58 des Flußänderungselementes 56, die sich über einen Winkelbereich von beispielsweise jeweils 30° erstrecken, eine Außenfläche auf, die sich kontinuierlich von einem kleinsten Radius r auf einen größten Radius R verän­ dert. An den Innenkanten der 30-Winkelgrade überstreichen­ den Pole 57, 58 erfolgt eine sprunghafte Durchmesserände­ rung auf die Segmente 59, 60, über deren Bereich der maxima­ le Luftspalt zwischen dem Flußänderungselement 56 und den Flußleitelementen 63, 64 ausgebildet wird.

Aus dieser Konfiguration der Pole 57, 58 und Segmente 59, 60 des Flußänderungselementes 56 ergibt sich bei Rechts- und Linkslauf des Drehantriebes und damit des Flußänderung­ selementes 56 ein sprunghafter Anstieg des magnetischen Flusses beim Übergang von einem der Segmente 59, 60 auf einen der Pole 57, 58 und nachfolgend ein der kontinuierli­ chen Zunahme oder Abnahme des Radius der Pole 57, 58 ent­ sprechender Verlauf des Flusses über das Flußänderungsele­ mentes 56, dem ein entgegengesetzter Streufluß im Bereich des Hallsensors 9 entspricht.

Zur Erfassung der entsprechenden Streuflußänderungen ist für diesen Anwendungsfall ein analoger Hallsensor erforder­ lich, der die unterschiedlichen Flußcharakteristika in entsprechende Ausgangssignale umsetzt. In Abwandlung der kontinuierlichen Radiusänderung der Pole 57, 58 des Flußän­ derungselementes 56 ist eine diskontinuierliche, stufenför­ mige Änderung der Kontur der Pole 57, 58 möglich, so daß sich ein stufenförmiges Fluß-Impulsdiagramm für Rechts- und Linkslauf des Drehantriebes bzw. Flußänderungselementes 56 ergibt.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Erfassung des Drehwinkels, der Drehzahl und/oder der Drehrichtung eines Drehantriebes mit einer stationären Magnetfeldquelle, einem stationären Magnet­ feldsensor und einem mit dem Rotor des Drehantriebes verbundenen Flußänderungselement, insbesondere für Fensterheber und Schiebedächer in Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußänderungselement (2) in einem ersten Teilma­ gnetfeld und der stationäre Magnetfeldsensor (9) in einem zweiten Teilmagnetfeld angeordnet sind und daß in Abhängigkeit von der Stellung des Flußänderungselementes (2) die magnetische Induktion bzw. magnetische Feldstär­ ke in dem einen Teilmagnetfeld erhöht und die magneti­ sche Induktion bzw. magnetische Feldstärke im anderen Teilmagnetfeld verringert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stationäre Magnetfeldsensor (9) und das Flußände­ rungselement (2) auf unterschiedlichen Seiten der statio­ nären Magnetfeldquelle (8) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stationäre Magnetfeldsensor (9) und das Flußände­ rungselement (2) auf derselben Seite der stationären Ma­ gnetfeldquelle (8) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das Flußänderungselement (2) radial beabstandet zu der stationären Magnetfeldquelle (8) und mindestens ein stationäres Flußleitelement (5) zwischen dem Flußände­ rungselement (2) und der stationären Magnetfeldquelle (8) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der stationäre Magnetfeldsensor (9) im Streufeld der sta­ tionären Magnetfeldquelle (8), vorzugsweise im Bereich des maximalen Streufeldes angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußänderungselement (2) einerseits und der stationäre Magnetfeldsensor (9) andererseits radial beabstandet zur stationären Magnetfeldquelle (8) angeordnet sind, und das Flußleitelemente (5) zwischen dem Flußänderungsele­ ment (2), dem stationären Magnetfeldsensor (9) und der stationären Magnetfeldquelle (8) derart angeordnet sind, daß zwei Teilmagnetkreise entstehen.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußänderungse­ lement (2) aus einem Rotationskörper mit Sektoren unter­ schiedlicher Permeabilität besteht, derart, daß in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Flußänderungsele­ mentes (2) das von der stationären Magnetfeldquelle (8) ausgehende und über das Flußänderungselement (2) verlau­ fende Teilmagnetfeld über einen Pfad hoher Permeabilität oder niedriger Permeabilität verläuft.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußänderungse­ lement (2) aus einem Rotationskörper mit den Luftspalt verringernden Abschnitten bzw. Sektoren besteht, wobei der Umfang des Rotationskörpers vorzugsweise zur Bildung von Sektoren mit vergrößertem Luftspalt sektoriell abgeflacht ist, derart, daß ein von der Stellung des Flußänderungselementes (2) abhängiger Luftspalt zwischen einem rotierenden Teil des Flußänderungselementes (2) und einem stationären Teil des Flußänderungselementes (2) bzw. dem Flußänderungselement (2) und den Flußleite­ lementen (5) ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die Radien der Sektoren erhöhter Permeabi­ lität bzw. der nicht abgeflachten Sektoren kontinuier­ lich von einem größten Radius (R) auf einen kleinsten Radius (r) ändern.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die Radien der Sektoren erhöhter Permeabi­ lität bzw. der nicht abgeflachten Sektoren diskontinu­ ierlich bzw. stufenförmig von einem großen Radius (R) auf einen kleinen Radius (r) ändern.

11. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußänderungs­ element (2) aus einem Rotor mit mehreren Flügeln aus einem Material hoher Permeabilität besteht.

12. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die stationäre Ma­ gnetfeldquelle als Flußleitelemente ausgebildete Fort­ sätze aufweist, die sich in Richtung des Flußänderungs­ elementes erstrecken, und daß die freien Enden der Fortsätze vorzugsweise als Polschuhe ausgebildet sind.

13. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die stationäre Ma­ gnetfeldquelle (8) und der stationäre Magnetfeldsensor (9) auf einer Leiterplatte (6) außerhalb des Drehantrie­ bes angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß para- oder diamagnetische, den elektrischen Strom zwischen dem Drehantrieb und einer Spannungsquelle gut leitende Stromzuführungen (11, 12; 31, 32) mit der Leiterplatte (6) verbunden sind.

15. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß stationäre ferroma­ gnetische Flußleitelemente (5; 68; 70) zusammen mit pa­ ra- oder diamagnetischen, den elektrischen Strom zwi­ schen dem Drehantrieb und einer Spannungsquelle gut leitenden Schienen (13, 14; 69; 71) zumindest teilweise als Schichtmetall ausgebildet sind, vorzugsweise als Kombination aus Weicheisen und Kupfer oder Aluminium.

16. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die stationä­ re Magnetfeldquelle (8) mit den stationären Flußleitele­ menten (5) sowie das Flußänderungselement (2) in Achs­ richtung des Drehantriebes erstrecken.

17. Vorrichtung nach mindestens einem vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußänderungsele­ ment (2) in Bereiche unterteilt ist, die bei Rotation durch Änderung der Permeabilität oder der Größe des Ar­ beitsluftspaltes den magnetischen Widerstand verändern.