DE19719354C2 - Magneto-elektronischer Winkelsensor, insbesondere Reluktanz-Resolver - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen magneto-elektronischen Winkel­ sensor, insbesondere Reluktanz-Resolver,

• - mit einem rotationssymmetrischen, zumindest teilweise weichmagnetischen Stator und einem rotationssymmetrischen, zumindest teilweise weichmagnetischen Rotor, die einander unter Bildung eines ringförmigen Luftspaltes gegenüberste­ hen, wobei sich der magnetische Widerstand im Luftspalt aufgrund einer über den Umfang variierenden Gestaltung des Rotors periodisch ändert,
• - mit einem auf dem Rotor oder dem Stator angeordneten Ma­ gnetfluß-Sender, der über mindestens ein Polpaar eine vor­ gegebene Magnetflußverteilung in dem Luftspalt erzeugt,
• - mit einem auf dem Stator oder dem Rotor angeordneten Ma­ gnetfluß-Empfänger, der über mindestens zwei gegeneinander im Winkel versetzt angeordnete Signalpolpaare die Intensi­ tät des Magnetfeldes mißt, wobei aus den beiden Empfänger- Signalen ein Winkelwert für die Relativstellung des Rotors gegenüber dem Stator ableitbar ist.

Derartige Winkelsensoren, die auf dem Prinzip einer veränder­ lichen Magnetflußintensität im Luftspalt zwischen Stator und Rotor basieren, sind in vielfältiger Weise bekannt. Grund­ sätzlich kommen dabei unterschiedliche Prinzipien zur Erzeu­ gung der magnetischen Durchflutung im Sendeteil und auch un­ terschiedliche Prinzipien zur Magnetfeldmessung im Empfänger­ teil in Betracht. Bei Drehmeldern (Resolvern, Synchros), wer­ den elektromagnetische Spulen in Form von Primär- und Sekun­ därwicklungen verwendet. Daneben kann aber zur Felderzeugung auch ein Dauermagnet eingesetzt werden, während im Empfänger­ teil magnetfeldabhängige Halbleiterelemente, wie Hall- Elemente oder magnetoresistive Widerstände, für den Signalab­ griff in Betracht kommen.

Drehmelder in Form von Resolvern oder Synchros sind seit lan­ gem als genaue und robuste Winkelsensoren bekannt. Bei kon­ ventionellen aktiven Resolvern trägt der Stator normalerweise die Sekundärwicklungen, während die Primärwicklung auf dem Rotor angeordnet ist. Die Stromzufuhr zu der Rotorwicklung muß dabei entweder über Schleifringe oder berührungslos über einen Transformatorteil mit entsprechenden zusätzlichen Wick­ lungen erfolgen. Dieser Transformatorteil erhöht somit die Herstellkosten und die Baugröße.

Daneben sind auch bereits sogenannte (passive) Reluktanz- Resolver bekannt, bei denen sowohl die Primärwicklung als auch die Sekundärwicklungen im Stator untergebracht sind, während der Rotor wicklungslos (passiv) lediglich mit weichmagnetischen Teilen den Magnetflußkreis beeinflußt. Durch eine ungleichmäßige Gestaltung des weichmagnetischen Rotors wird so der Magnetfluß zwischen der Primärwicklung und den Sekundärwicklungen im Stator unterschiedlich beeinflußt, woraus sich über die Induktion die Winkelstellung des Rotors ableiten läßt. Solche Reluktanz-Resolver sind wegen des Feh­ lens eines aktiven, mit Wicklungen versehenen Rotors und der damit verbundenen Einsparung eines Transformatorteils kosten­ günstiger herzustellen; doch konnte man mit ihnen bisher kei­ ne vergleichbare Meßgenauigkeit wie bei den vorher genannten Resolvern mit aktiven Rotoren erreichen.

Ein Reluktanz-Resolver der eingangs genannten Art ist bei­ spielsweise aus der EP-0522941-B1 bekannt. Bei dem dort be­ schriebenen Resolver wird die Variation des magnetischen Wi­ derstandes durch einen keulen- oder nierenförmigen Rotor er­ reicht, wobei also die Höhe des Luftspaltes zwischen dem Ro­ torumfang einerseits und den Statorzähnen andererseits sich mit dem Umfangswinkel stark ändert. Da bei dieser Konstrukti­ on also die Luftspalthöhe in Radialrichtung allein maßgebend für die magnetische Kopplung der verschiedenen Wicklungen ist, wirken sich Toleranzen, insbesondere ein Radialversatz, besonders stark auf die Meßgenauigkeit aus. Daneben sind auch Resolver mit exzentrisch gestaltetem Rotor bekannt.

Aus DE 31 41 015 C2 ist ein Reluktanz-Resolver bekannt, bei welchem der Luftspalt zwischen Rotor und Stator über dem ge­ samten Umfang gleichbleibt und sich die Reluktanz zwischen Rotor und Stator mit dem Rotationswinkel nach einer sinusför­ migen Funktion verändert. Die DE 31 41 015 C2 bezieht sich jedoch nur auf passive Reluktanz-Resolver, nicht aber auch auf aktive Resolver mit auf dem Rotor angeordneter Erreger­ wicklung. In EP 0 709 648 A2 ist eine Vorrichtung zur Bestim­ mung der relativen Verdrehung zwischen einem Rotor und einem Stator beschrieben, wobei der Rotor einen Magnetfluß-Sender und der Stator einen Magnetfluß-Empfänger aufweist. Der Ma­ gnetfluß-Sender besteht im wesentlichen aus einer Erreger­ wicklung, deren Windungen in einem sinusförmigen Muster ent­ lang des Rotorumfanges angeordnet sind. Da die Luftspalthöhe zwischen Rotor und Stator entlang des Umfanges nicht konstant ist, weist der aus EP 0 709 648 A2 bekannte aktive Resolver eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber einem radialen Versatz des Rotors auf.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Winkelsensor zu schaffen, bei dem die Kopplung zwischen Stator und Rotor mit größerer Genauigkeit möglich ist. Vorzugsweise soll auf diese Weise ein Reluktanzresolver mit erhöhter Genauigkeit geschaf­ fen werden; doch ist auch eine Anwendung auf Resolver mit ak­ tivem Rotor oder auf Winkelsensoren mit anderen magneto­ elektronischen Meßprinzipien möglich.

Erfindungsgemäß wird das genannte Ziel dadurch erreicht, daß die Höhe des Luftspaltes zwischen dem Rotor einerseits und dem Stator andererseits über den gesamten Umfang gleich­ bleibt, während sich die Ausdehnung der den Luftspalt bilden­ den Rotoroberfläche in axiale Richtung des Rotors mit dem Um­ fangswinkel nach einer sinusförmigen Funktion verändert, wo­ bei sich die Breite zwischen einer endlichen minimalen Breite (a) und der maximalen Breite (b) mit mindestens zwei Perioden ändert.

Durch eine derartige Änderung der wirksamen Breite der Rotor­ oberfläche ändert sich ebenfalls der magnetische Widerstand in dem Luftspalt zwischen einem Maximalwert und einem Mini­ malwert nach einer stetigen Sinusfunktion.

Bei dem erfindungsgemäßen Winkelsensor wird also die Indukti­ on des durch den Sender erzeugten Flusses im Empfänger durch den winkelabhängigen magnetischen Widerstand (die Reluktanz) des Rotors moduliert. Dabei wird im Gegensatz zu herkömmli­ chen Reluktanz-Resolvern der Luftspalt nicht in seiner Höhe (Abstand zwischen Rotor und Stator), sondern in seiner Breite verändert, wodurch also die Luftspaltfläche entsprechend dem Drehwinkel variiert wird. Diese Änderung der Luftspaltfläche ist weniger empfindlich gegenüber einem radialen Versatz des Rotors (bei konzentrischer Anordnung von Stator und Rotor), und es läßt sich über den gesamten Drehwinkelbereich ein hochgenaues Winkelsignal erzeugen, da der Rotor über den ge­ samten Umfang dem Stator mit einem engen Luftspalt gegenüber­ steht, bei dem sich lediglich die Fläche verändert.

Die Erfindung wird bevorzugt bei einem (passiven) Reluktanz- Resolver angewendet, der in an sich bekannter Weise so aufge­ baut ist, daß der weichmagnetische Stator eine vorgegebene Anzahl von Nuten und Zähnen abwechselnd über den Umfang ver­ teilt aufweist, daß in den Nuten des Stators eine Primärwick­ lung angeordnet ist, welche durch in Reihe geschaltete, ab­ wechselnd gegensinnige Teilwicklungen eine vorgegebene Anzahl von Polpaaren bildet, daß in den Nuten ferner zwei Sekundär­ wicklungen angeordnet sind, welche gegeneinander im Winkel versetzt sind und durch in Reihe geschaltete, abwechselnd ge­ gensinnige Teilwicklungen jeweils Polpaare bilden, deren An­ zahl sich von derjenigen der Primärwicklung um einen ganzzah­ ligen Faktor unterscheidet, wobei der weichmagnetische Rotor die Breite seiner Oberfläche, welche den ringförmigen Luftspalt mit den Zähnen des Stators bildet, mit einer der Speed-Zahl (n) des Winkelsensors entsprechenden Periodenzahl ändert.

Die Speedzahl oder Signalpolpaarzahl n bezeichnet in bekann­ ter Weise die Zahl der vollständigen Perioden, die das an den Sekundärwicklungen abgreifbare elektrische Signal bei einer vollständigen mechanischen Umdrehung (360°) des Rotors durch­ läuft. Das bedeutet, daß bei einem Ein-Speed-Resolver der elektrische Winkel dem mechanischen Umdrehungswinkel ent­ spricht, während bei einem Drei-Speed-Resolver der elektri­ sche Winkel von 360° bereits bei einer mechanischen Umdrehung von 120° erreicht ist.

In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Resol­ vers sind die Primärwicklung und die Sekundärwicklungen je­ weils durch einzelne Teilwicklungen gebildet, welche als Ein­ zelspulen mit jeweils gleichen Windungszahlen auf die Zähne des Stators aufgebracht sind. In diesem Fall sind die Pole der Wicklungen jeweils bestimmten Zähnen des Stators zugeord­ net.

Bei den einzelnen Teilwicklungen kann man sich einen besonde­ ren Vorteil der erfindungsgemäßen Rotorform zunutze machen. Da durch das Abtasten der sinusförmig sich ändernden Rotor­ breite durch den jeweiligen Statorzahn in jedem Fall eine Si­ nus-Amplitudenfunktion entsteht, die unabhängig von der Nut­ breite bzw. von der Zahnbreite ist, ist die Gestaltung der Nuten und Zähne im Stator weniger kritisch als bei herkömmli­ chen Resolvern. Man kann deshalb relativ große Nutbreiten in Verbindung mit schlankeren Zähnen verwenden, die das Aufstec­ ken einzelner vorgefertigter Spulen ermöglichen. Dadurch er­ gibt sich eine preisgünstige Herstellungsmöglichkeit der Sta­ torwicklungen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgese­ hen, daß die Teilwicklungen der Primärwicklungen und der Se­ kundärwicklungen jeweils durch ungleich über den Umfang ver­ teilte Windungen zwischen den einzelnen Nuten gebildet sind, derart, daß die effektiven Windungszahlen in den aufeinander­ folgenden Nuten annähernd einer Sinuskurve mit einer der Pol­ paarzahl der jeweiligen Wicklung entsprechenden Anzahl von Perioden folgen. Auf diese Weise ergibt sich eine gewichtete Addition der induzierten Spannungen über den Umlaufwinkel des Stators. In diesem Fall ist auch keine direkte Zuordnung zwi­ schen den Wicklungspolen und den Zähnen des Stators erforder­ lich. Vorzugsweise ist in diesem Fall die Nutenzahl m ein nicht ganzzahliges Vielfaches der Signalpolpaarzahl (Speed- Zahl) n. Das nicht ganzzahlige Verhältnis von Nuten pro Pol­ paar ist dabei von Vorteil, da dadurch jedes Polpaar eine an­ dere Verteilung aufweist und, da stets alle Pole im Eingriff sind, eine Mittelwertbildung erfolgt.

Der Rotor besitzt vorzugsweise eine amagnetische Welle, ins­ besondere eine Hohlwelle, auf der ein Rotorkörper in Form ei­ nes weichmagnetischen Rings mit sich periodisch ändernder axialer Ausdehnung angeordnet ist. In anderer Ausgestaltung können anstelle eines durchgehenden weichmagnetischen Rings auch einzelne, annähernd linsenförmige Rotorkörper gegenein­ ander versetzt und möglicherweise teilweise überlappend der­ art angeordnet sein, daß ihre Luftspaltoberflächen in der Summe eine sich sinusförmig ändernde Ausdehnung quer zur Luftspalthöhe besitzen. Natürlich sind auch diese Einzel- Rotorkörper über einen weichmagnetischen Ringabschnitt unter­ einander magnetisch leitend verbunden. In jedem Fall kann der jeweilige Rotorkörper aus laminierten feinen Blechen gebildet sein.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an­ hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäß gestalteten Reluktanz-Resolver im Querschnitt,

Fig. 2 den Reluktanz-Resolver von Fig. 1 in einem Axial­ schnitt II-II;

Fig. 3 den Rotor aus den Fig. 1 und 2 in einer Ansicht III-III, zur Hälfte axial geschnitten;

Fig. 4 eine Abwicklung des Umfangs des Rotors von Fig. 3 über 360°;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines 3-Speed-Resolvers mit zwölf Nuten in der Abwicklung über 360°, wobei die räum­ liche Zuordnung der auf den einzelnen Zähnen angeordneten Einzelspulen zueinander und zum Rotor gezeigt ist;

Fig. 6 eine grundsätzliche Anordnung eines Stators, in des­ sen Nuten Teilwicklungen mit unterschiedlichen, gemäß einer Sinuskurve verteilten Windungszahlen angeordnet sind;

Fig. 7 eine graphische Darstellung des Verlaufes der Win­ dungszahlen aus Fig. 6 über der zugehörigen Nutenzahl;

Fig. 8 und 9 die annähernd sinusförmige Verteilung der Win­ dungszahlen für eine Primärwicklung und zwei Sekundärwicklun­ gen bei einem Resolver gemäß Fig. 1;

Fig. 10 den Verlauf der Rotorbreite im Luftspalt bei einem passiven Reluktanz-Resolver;

Fig. 11 die Transformation des Breitenverlaufs gemäß Fig. 10 auf einzelne linsenförmige Rotorkörper in einer Abwicklung über 360°;

Fig. 12 ein Eisenblech zur Herstellung eines Rotorkörpers gemäß Fig. 11;

Fig. 13 und 14 einen aktiven Rotor mit einer Sendewicklung und erfindungsgemäß gestalteten Zähnen in perspektivischer Darstellung und im Querschnitt (für einen Drei-Speed- Resolver);

Fig. 15 den Breitenverlauf einer erfindungsgemäß gestalteten Rotoroberfläche für einen aktiven Resolver mit einer Periode über den Umfang (für einen Ein-Speed-Resolver);

Fig. 16 die Transformation des Breitenverlaufs von Fig. 15 auf getrennte linsenförmige Rotorkörper (für einen Ein-Speed- Resolver);

Fig. 17 die schematische Darstellung eines Statorsegmentes eines erfindungsgemäßen Resolvers mit angedeuteten Umrissen eines linsenförmigen Rotorkörpers;

Fig. 18 ein abgewandeltes Statorsegment mit aufgesteckten Einzelspulen;

Fig. 19 einen Schnitt durch einen Zahn des Statorsegmentes von Fig. 18;

Der in den Fig. 1 und 2 im Schnitt gezeigte Drehmelder oder Resolver ist als Hohlwellen-Resolver ausgebildet. Er be­ sitzt einen Stator 101 in einem ringförmigen Gehäuse 102. In den Stator 101 sind über den Umfang verteilt Nuten 103 einge­ arbeitet, welche mit Wicklungen 104 versehen sind. Die Wick­ lungen sind als Primärwicklung und als Sekundärwicklungen ge­ schaltet, was im einzelnen später noch erläutert werden wird. Zwischen den Nuten 103 bildet der Stator Zähne 105. Innerhalb des Stators 101 ist koaxial ein Rotor 106 angeord­ net. Dieser besteht aus einer Hohlwelle 107 aus nichtferroma­ gnetischem Material und einem ringförmigen, weichmagnetischen Rotorkörper 108, dessen Außenumfang mit dem Innenumfang des Stators einen engen Luftspalt 109 bildet. Wie in der teilwei­ se geschnittenen Draufsicht von Fig. 3 und in der Abwicklung von Fig. 4 zu sehen ist, besitzt der Rotorkörper zwar über den gesamten Umfang eine gleichbleibende Höhe h, wodurch auch die Höhe des Luftspaltes 109 über den gesamten Umfang gleich bleibt, jedoch eine variable Breite. Diese Breite B des Ro­ torkörpers ändert sich über den Umfang des Rotors mit dem Winkel ϕ nach einer Sinusfunktion zwischen einer minimalen Breite a und einer maximalen Breite b, z. B. nach der folgen­ den Beziehung:

wobei n die Speedzahl des Resolvers ist.

Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um einen 3-Speed- Resolver, also mit einer Speedzahl oder Signalpolpaarzahl n = 3; dementsprechend hat auch der Breitenverlauf des Rotor­ körpers 108 drei Perioden über den Gesamtumfang von 360 Win­ kelgraden.

Die Schaltung und Funktion eines Drehmelders mit einem Rotor gemäß den Fig. 3 und 4 wird anhand von Fig. 5 allgemein erläutert, wobei im Beispiel von Fig. 5 der Stator anders als in Fig. 1 nur zwölf Nuten und zwölf Zähne besitzt. Die Primärwicklung und die Sekundärwicklungen sind bei dem Bei­ spiel von Fig. 5 als Einzelspulen mit jeweils gleichen Win­ dungszahlen auf die einzelnen Zähne gesetzt. Es gibt hierbei also eine genaue Zuordnung der einzelnen Zähne zu den durch die Wicklungen gebildeten Magnetpole.

Fig. 5 zeigt also im oberen Teil schematisch die Abwicklung eines Stators 201 mit zwölf Nuten 203, über denen jeweils die Nutenzahl 1 bis 12 angegeben ist, und mit zwölf dazwischen gebildeten Zähnen 205. Auf jedem Zahn sind zwei Teilwicklun­ gen in Form von Einzelspulen angeordnet, nämlich eine Primär­ spule S_prim und eine oder zwei Sekundärspulen S_sec (Zeile 5.1).

Es handelt sich bei dem dargestellten Beispiel um eine sog. Sparschaltung, wobei also jeder Zahn nur entweder eine Sinus­ wicklung oder eine Kosinuswicklung trägt. In gleicher Weise wäre es aber möglich, jeden Zahn mit jeweils einer Sinus- und einer Kosinuswicklung zu versehen. Das würde bedeuten, daß jeweils auf zwei benachbarten Zähnen zwei gleichsinnige Se­ kundärwicklungen säßen, so daß die Speedzahl gleich bliebe. Mit einer solchen Wicklungsanordnung ließe sich eine höhere Störsicherheit erzielen.

Die Verschaltung der Einzelspulen ist in den Zeilen 5.2 und 5.4 über der Winkelteilung (Zeile 5.5) gezeigt:

Die Zeile 5.2 zeigt die Primärwicklung (Erregerwicklung). Sie besteht aus vier mal drei in Reihe geschalteten Spulen S_prim mit jeweils gleicher Windungszahl, jedoch wechselt von Spule zu Spule der Wickelsinn (durch Pfeile dargestellt). Bei die­ sem Beispiel mit einem 3-Speed-Resolver (Signalpolpaarzahl 3) besitzt die Erregung also sechs Polpaare, d. h. doppelt so viele wie die Signalpolpaarzahl.

In Zeile 5.4 sind die Sekundärwicklungen S_sec, also die Sinus- Wicklung und die Kosinus-Wicklung, dargestellt. Pro Polpaar bestehen sie aus jeweils zwei gegensinnig gewickelten Spulen mit gleicher Windungszahl, die räumlich über einen Winkel von 180°/n (n = Signalpolpaarzahl) angeordnet sind. Die Sinus- Wicklung ist gegenüber der Kosinus-Wicklung um einen Winkel von 90°/n verschoben; ihre Einzelspulen sind also jeweils ab­ wechselnd zwischen den Kosinus-Spulen angeordnet. An der Pri­ märwicklung liegt die Erregerspannung U_E mit einer üblichen Wechselstromfrequenz an. An den Sekundärwicklungen werden die Sinus-Spannung U_sin und die Kosinus-Spannung U_cos als Winkelsi­ gnale abgegriffen.

In Zeile 5.3 ist der Rotor 105 dargestellt. Die weichmagneti­ sche, über den Umfang dreimal (entsprechend der Speed-Zahl n = 3) sinusförmig in ihrer Breite an- und abschwellende Rotor­ polfläche bewirkt eine variable Kopplung zwischen den einzel­ nen Primär- und Sekundärspulen. In Fig. 5.3 ist der Rotor­ körper 105 (etwas abweichend von Fig. 4) in einer Rotorlage von 0° gezeigt: Das Spulenpaar c⁺ erfährt eine maximale Kopp­ lung K_max, während die Kopplung K_min bei dem Spulenpaar c^- mi­ nimal ist; damit ist Kosinus 0° = +1. Die Kopplungen in den Spulenpaaren s⁺ und s^- sind dagegen gegensinnig gleich stark; die in den entsprechenden Sekundärspulen induzierten Spannun­ gen sind somit gleich groß und heben sich auf: sin0° = 0. Wird der Rotor verdreht bzw. in der Abwicklung in Pfeilrich­ tung verschoben, so nehmen die Kopplungen der Spulenpaare von c^- und s⁺ zu, während sie bei c⁺ und s^- abnehmen. U_cos = U_c+ - U_c- verringert sich somit, während U_sin = U_s+ - U_s- positiv wird.

Die Zeile 5.5 zeigt die zugehörige Abwicklung des vollen Win­ kelbereichs von 0° bis 360°. Wie erwähnt, ist im Beispiel von Fig. 5 ein 3-Speed-Resolver gezeigt. Für andere Signalpol­ paarzahlen ist die Winkelzuordnung entsprechend anzupassen.

Um nun die Genauigkeit der Winkelmessung noch zu verbessern, kann anstelle der genauen Zuordnung von Magnetpolen zu Sta­ torzähnen mit stets gleichen Einzelspulen auf den Zähnen auch eine andere Verteilung der Wicklungen gewählt werden. So hat es sich als zweckmäßig erwiesen, anstelle der in Fig. 5 ge­ zeigten diskreten Pole zu sinusverteilten Wicklungen überzu­ gehen und damit auch im Stator eine Sinus-Maßverkörperung zu schaffen. Hierzu werden statt der eben beschriebenen Primär- Sekundär-Spulenpaare, die auf mechanischen Einzelpolen (Zähnen) sitzen, sinusförmige Wicklungsverteilungen benutzt. So ist es zum Beispiel möglich, in einem Stator mit 16 Nuten, wie in Fig. 1 gezeigt, die verschiedenen Wicklungen so zu verteilen, daß drei oder sechs Polpaare mit näherungsweise sinusförmiger Verteilung der Windungszahlen und somit auch einer entsprechend sinusförmigen Verteilung des magnetischen Flusses bzw. der induzierten Spannungen entstehen, obwohl die Zahl 16 weder durch 3 noch durch 6 teilbar ist. Das nicht ganzzahlige Verhältnis von Nuten pro Polpaar ist sogar von Vorteil, da auf diese Weise jedes Polpaar eine andere Vertei­ lung aufweist und, weil stets alle Pole im Eingriff sind, ei­ ne Mittelwertbildung für die Flußverteilung und Spannungskur­ ven erfolgt.

Eine vereinfachte Art der Realisierung einer Sinusverteilung für eine Wicklung ist in Fig. 6 und 7 gezeigt. Zur Vereinfa­ chung ist in Fig. 6 ein Satz parallel angeordneter Teilwick­ lungen gezeigt. Die Nuten sind durchlaufend von 1 bis 16 (Nutenzahl N) numeriert. So ist von der Nut 1 zur Nut 15 eine Teilwicklung mit der Windungszahl w = 39, von der Nut 2 zur Nut 14 eine Teilwicklung mit 30 Windungen, von der Nut 13 zur Nut 3 eine Teilwicklung mit 16 Windungen usw. angeordnet. Trägt man gemäß Fig. 7 die einzelnen Windungszahlen über der Nutabwicklung auf, so läßt sich durch die einzelnen Punkte dieser Windungszahlen eine Sinuskurve mit drei Polpaaren zie­ hen. Würde man die einzelnen Punkte jeweils mit Geraden ver­ binden, so ergäbe sich natürlich eine von der Sinusform rela­ tiv stark abweichende Form, doch ergibt sich für den Magnet­ fluß und für die abzugreifenden Spannungen wegen der bereits erwähnten Mittelwertbildung über alle Polpaare eine brauchba­ re Sinusverteilung. Eine solche, in der Praxis für einen Sta­ tor gemäß Fig. 1 erreichbare Wicklungsverteilung ist in Fig. 8 für die Primärwicklung und in Fig. 9 für die Sekundär­ wicklungen (Sinus und Kosinus) gezeigt. Hierfür ist es zweck­ mäßig, von der parallelen Anordnung einzelner Spulen gemäß Fig. 6 abzugehen und auch die Teilwicklungen über verschie­ dene Nuten zu verteilen. Im Prinzip ist nämlich nur die ef­ fektive Anzahl der Windungen in den einzelne Nuten, d. h., die Summe der in eine Nut hineinführenden Windungen abzüglich der Summe der aus der Nut herauskommenden Windungen, maßgebend. Wie die effektiven Nutwindungszahlen gebildet werden, ist da­ gegen lediglich für den Fertigungsprozeß von Bedeutung, da manche Wickelschemata für bestimmte Wickelverfahren besser geeignet sind als andere.

Die Sinusform des Rotorkörpers kann nicht nur in der in den Fig. 4 und 5 gezeigten Gestalt, sondern auch auf andere Weise erreicht werden. So ist es beispielsweise möglich, an­ stelle des durchgehend an- und abschwellenden Bandkörpers je­ weils annähernd linsenförmige Einzelkörper zu verwenden, die jeweils allein oder einander überlappend gemeinsam die ge­ wünschte Breite der Polfläche des Rotors ergeben.

Um eine optimale Wirkung zu erzielen, wird die Sinusfunktion für die Breite des Rotorkörpers unterschiedlich gewählt, je nach dem, ob es sich um einen aktiven Rotor (mit Wicklungen) oder um einen passiven Rotor, bei dem alle Wicklungen im Sta­ tor liegen, handelt. Fig. 10 zeigt den Verlauf der Rotor­ breite nach der Funktion

aufgetragen über einem vollständigen Kreisumfang 2π, wie er für einen passiven Rotor in einem Reluktanz-Resolver zweckmä­ ßig ist. Es handelt sich dabei um einen Drei-Speed-Resolver (n = 3), wobei der passive Rotor drei vollständige Perioden des Sinusverlaufs über den Umfang von 2π besitzt. Da der passive Resolver keine negativen Polbereiche hat, liegt der ge­ samte Sinusverlauf auf der positiven Seite der Nullachse. Der Öffnungswinkel der einzelnen ferromagnetischen Bereiche ist in diesem Fall α = 0°.

In Fig. 11 ist die Transformation der Kurve von Fig. 10 auf einzelne linsenförmige Rotorkörper 208 schematisch darge­ stellt. Es ergeben sich also drei Rotorkörper 208, die über den Umfangsverlauf von ϕ = 2π auf einer Rotorwelle 207 ange­ ordnet sind. Diese Einzel-Rotorkörper 208 ergeben aneinander­ gereiht den Kurvenverlauf von Fig. 10. Dieser ist im Prinzip so wie in Fig. 4 dargestellt, wobei lediglich die Mindest­ breite a in Fig. 11 nicht berücksichtigt ist. Diese könnte jeweils am Rand an die dargestellten Rotorkörper 208 angefügt werden. Aufgrund des Öffnungswinkels α = 0° der einzelnen Ro­ torkörper 208 ergibt sich, daß die Fläche und der Verlauf dieser Rotorkörper 208 identisch ist mit den jeweils dazwi­ schenliegenden Luft-Abschnittsflächen 209. Das heißt, daß die ferromagnetischen Abschnitte 208, die den Luftspalt gegenüber dem Stator bilden, als auch die dazwischenliegenden Luftab­ schnitte 209 an jeder Stelle die gleiche Länge l in Umfangs­ richtung als auch an ihren Enden den gleichen Öffnungswinkel α = 0° aufweisen. So ist es möglich, einen derartigen Rotor aus lauter feinen Blechen 210 zu schichten, die an ihrem Um­ fang die vorstehenden ferromagnetischen Abschnitte 208 mit der Umfangslänge bzw. einem Umfangswinkel von 60° aufweisen, während die zwischenliegenden zurückgesetzten Luft-Abschnitte 209 denselben Winkelbereich von 60° einnehmen. Bei dem im Beispiel gezeigten Drei-Speed-Resolver handelt es sich also um drei gleiche ferromagnetische Abschnitte 208 und entspre­ chend drei gleiche Luftabschnitte 209. Durch leicht versetzte Aufeinanderstapelung einer Vielzahl derartiger Bleche 210 er­ gibt sich der in Fig. 11 gezeigte Formverlauf der linsenför­ migen Rotorkörper 208. Wie bereits vorher erwähnt, können der oder die Rotorkörper natürlich auch durch andere Bearbeitung gewonnen oder zum Feinabgleich nachträglich bearbeitet wer­ den. Auch im Fall einer solchen Bearbeitung wird die Luftspalthöhe gegenüber dem Stator nicht angetastet, vielmehr die Polfläche des Rotors in der Breite verändert.

Wie eingangs bereits erwähnt wurde, kann ein erfindungsgemäß gestalteter Rotor auch mit Wicklungen vesehen werden, so daß er als aktiver Rotor, vorzugsweise als Sender, mit einem ent­ sprechenden Stator zusammenwirken kann. In den Fig. 13 und 14 ist schematisch in perspektivischer Darstellung und in ei­ nem Schnitt der Aufbau eines derartigen Rotors gezeigt. Die­ ser Rotor 300 besitzt eine Rotor-Hohlwelle 301, auf der ein ferromagnetischer Rotorkörper 302 durch Nuten 303 in einzelne Zähne 304 unterteilt ist. Diese Zähne 304 sind wiederum nach einer Sinusfunktion, die später noch genauer erläutert wird, so geformt, daß ihre dem Luftspalt zugewandte Polfläche sich mit dem Winkel periodisch ändert. Jeder Zahn 304 trägt eine Teilwicklung 306, wobei die Wicklungen der aufeinanderfolgen­ den Zähne 304 jeweils abwechselnd entgegengesetzt gewickelt sind. In der Zeichnung sind die Wicklungen nur schematisch angedeutet, außerdem ist der jeweilige Wickelsinn in Fig. 13 durch Pfeile angezeigt. Die einzelnen Zähne 304 besitzen im Bereich der Nuten Hinterschneidungen 306, in denen die Wick­ lungen gehalten werden. Durch die sinusförmige Gestaltung der Zähne sind die Nuten verhältnismäßig breit, so daß eine auto­ matische Bewicklung möglich ist.

Ansonsten besitzt der Rotor 300 zur Stromzuführung für die Wicklungen 305 einen Transformatorteil 307 mit einer Trans­ formatorwicklung 308. Derartige Transformatorteile sind bei Drehmeldern üblich, so daß eine genauere Darstellung oder Be­ schreibung hier nicht erforderlich ist. Der Rotor 300 wird mit einem entsprechenden Stator, etwa gemäß Fig. 1, verbun­ den, wobei in diesem Fall, wenn der Rotor die Primärwicklung trägt, der Stator nur die Sekundärwicklungen des Empfängers aufzunehmen hat. Theoretisch wäre natürlich auf eine umge­ kehrte Anordnung - mit Senderwicklung auf dem Stator und Emp­ fängerwicklungen auf dem Rotor - denkbar, doch ist eine der­ artige Verteilung wegen der aufwendigen Stromzuführung zum Rotor unwirtschaftlich.

Die optimale Sinusform der Rotoroberfläche bei dem aktiven Rotor gemäß den Fig. 13 und 14 ist in den Fig. 15 und 16 gezeigt. Der Einfachheit halber ist in den Fig. 15 und 16 der Breitenverlauf für einen Ein-Speed-Resolver gezeigt, während in den Fig. 13 und 14 ein Drei-Speed-Resolver dar­ gestellt ist. Bei diesem aktiven Rotor ändert sich die Rotor­ breite am Luftspalt nach der Beziehung X = sinϕ bzw. bei ei­ nem Mehrspeed-Resolver X = sin nϕ. Eine Periode des Breiten­ verlaufs hat dabei jeweils einen positiven und einen negati­ ven Bereich, wobei der Öffnungswinkel α = 45° ist. Transfor­ miert man diese Form gemäß Fig. 16 auf einzelne linsenförmi­ ge Rotorkörper, so erkennt man, daß diese Rotorkörper 304 ei­ ne etwas andere Gestalt als die Rotorkörper 208 von Fig. 11 besitzen. Zwischen den einzelnen Rotorkörpern 304 liegt je­ weils ein Luft-Abschnitt 303, der in diesem Fall auch in der Fläche eine andere Form besitzt und kleiner ist als die be­ nachbarten ferromagnetischen Rotorkörper. Der Unterschied ist dadurch bedingt, daß bei diesem aktiven Rotor die Rotorkörper abwechselnd mit entgegengesetzten Wicklungen versehen werden, so daß jeweils zwei benachbarte Rotorkörper ein Polpaar erge­ ben. Bei dem in Fig. 16 eingestellten Ein-Speed-Rotor sind also zwei Rotorkörper 304 vorhanden, während bei einem Drei- Speed-Rotor entsprechend sechs Rotorkörper zur Erzeugung von drei Polpaaren vorhanden sind, wie in den Fig. 13 und 14 gezeigt.

Die Funktion des Rotors gemäß Fig. 13 und 14 ergibt sich ohne weiteres aus der vorhergehenden Beschreibung. Die aus den Teilwicklungen 305 zusammengesetzte Primärwicklung des Rotors wird mit einem Sendesignal einer bestimmten Frequenz beaufschlagt, wobei im Stator wie in herkömmlichen Drehmel­ dern entsprechende Sekundärsignale abgegriffen und ausgewer­ tet werden können. Durch die erfindungsgemäße sinusförmige Flächenverteilung der dem Luftspalt zugewandten Rotoroberflä­ chen, d. h. der Zahn-Oberflächen, wird jedoch das Rotorsignal entsprechend moduliert, wodurch sich eine genauere Abtastung der Winkelstellung vornehmen läßt.

Anhand der Fig. 17 bis 19 soll noch schematisch ein allge­ meiner Vorteil der erfindungsgemäßen Rotorgestaltung erläu­ tert werden. Fig. 17 zeigt schematisch ein Segment eines Stators 401 mit einzelnen Zähnen 402, die am Luftspalt die Breite D besitzen, während die zwischenliegenden Nuten 403 jeweils am Luftspalt eine Breite von d aufweisen. Auf den Zähnen sind Wicklungen 404 angeordnet, die in entsprechend aufwendiger Technik durch die engen Nuten 403 eingefädelt werden müssen. Außerdem ist in Fig. 17 schematisch der Si­ nusverlauf eines linsenförmigen Rotorkörpers 408 angedeutet, der erfindungsgemäß entweder gemäß Fig. 11 oder gemäß Fig. 16 gestaltet ist, je nach dem, ob es sich um einen aktiven oder passiven Rotor handelt. Es gilt nämlich die folgende Aussage grundsätzlich für beide Rotorformen. Durch das Abta­ sten eines Zahnes 402 an dem Breitenverlauf des Rotorkörpers 408 mit seiner Sinusfunktion entsteht in der Spule um den Zahn ein sinusförmiger Amplitudenverlauf, und zwar unabhängig von der Nutbreite d bzw. der Zahnbreite D. Das heißt, daß die Nut nicht in dem Maße wie bei herkömmlichen Resolvern als Fehler in das Empfängersignal eingeht. Es besteht deshalb auch nicht mehr der Zwang, wie bisher die Nut möglichst klein zu machen, um dadurch den Nutfehler gering zu halten.

Daraus ergibt sich, daß mit der erfindungsgemäßen Rotorge­ staltung breitere Nuten und entsprechend schlankere Zähne im Stator verwendet werden können, so daß auf diese schlankeren Zähne vorgefertigte Spulen in einfacher Weise aufgeschoben werden können. Eine derartige Gestaltung ist wiederum schema­ tisch in Fig. 18 gezeigt. Der Rotorkörper 501 besitzt gegen­ über Fig. 17 schlankere, gleichmäßige Zähne 502 mit verhält­ nismäßig geringer Breite D, während dazwischen breitere Nuten 503 mit größerer Breite d vorgesehen sind. Auf diese Zähne 502 sind entsprechend vorgefertigte Spulen 504 aufgeschoben. Der Stator 501 ist in einem Gehäuse 505 angeordnet.

Fig. 19 zeigt eine praktische Möglichkeit, die vorgefertig­ ten Spulen 504 von Fig. 18 zu kontaktieren. Wie in dem Schnitt von Fig. 19 dargestellt ist, wird auf das Gehäuse 505 über dem Rotorkörper 501 und über alle Spulen 504 eine scheibenförmige Leiterplatte 506 angeordnet, welche mit Löt­ punkten 507 zur Kontaktierung der Wicklungsenden 508 versehen ist.

Claims (14)

1. Magneto-elektronischer Winkelsensor

• - mit einem rotationssymmetrischen, zumindest teilweise fer­ romagnetischen Stator (101; 201) und einem rotationssymme­ trischen, zumindest teilweise ferromagnetischen Rotor (105; 205; 300), die einander unter Bildung eines ringförmi­ gen Luftspaltes (109) gegenüberstehen, wobei sich der ma­ gnetische Widerstand im Luftspalt aufgrund einer über den Umfang variierenden Gestaltung des Rotors periodisch än­ dert,
• - mit einem auf dem Rotor (105; 205; 300) oder dem Stator ange­ ordneten Magnetfluß-Sender, der über mindestens ein Polpaar eine vorgegebene Magnetflußverteilung in dem Luftspalt er­ zeugt,
• - mit einem auf dem Stator (101; 201) oder dem Rotor (105; 205; 300) angeordneten Magnetfluß-Empfänger, der über mindestens zwei gegeneinander im Winkel versetzt angeordne­ te Signalpolpaare die Intensität des Magnetfeldes mißt, wo­ bei aus den beiden Empfänger-Signalen ein Winkelwert für die Relativstellung des Rotors gegenüber dem Stator ableit­ bar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Luftspaltes (109) zwischen dem Rotor (105; 205; 300) einer­ seits und dem Stator (101; 201) andererseits über den gesamten Umfang gleichbleibt, während sich die Ausdehnung der den Luftspalt bildenden Rotoroberfläche in axialer Richtung des Rotors (105; 205; 300) mit dem Umfangswinkel nach einer sinus­ förmigen Funktion verändert, wobei sich die Breite zwischen einer endlichen minimalen Breite (a) und einer maximalen Breite (b) mit mindestens zwei Perioden ändert.

2. Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ferro­ magnetische Stator (101; 201) eine vorgegebene Anzahl von Nu­ ten (103; 203) und Zähnen (105; 205) abwechselnd über den Um­ fang verteilt aufweist,
daß in den Nuten (103; 203) des Stators (101; 201) eine Primär­ wicklung (S_prim) angeordnet ist, welche durch in Reihe ge­ schaltete, abwechselnd gegensinnige Teilwicklungen eine vor­ gegebene Anzahl von Polpaaren bildet,
daß in den Nuten (103; 203) ferner zwei Sekundärwicklungen (S_sec) angeordnet sind, welche gegeneinander im Winkel ver­ setzt sind und durch in Reihe geschaltete, abwechselnd gegen­ sinnige Teilwicklungen jeweils Signalpolpaare bilden, deren Anzahl sich von derjenigen der Primärwicklung um einen ganz­ zahligen Faktor unterscheidet, und
daß der weichmagnetische Rotor (105; 205) die Breite seiner Oberfläche, welche den ringförmigen Luftspalt (100) mit den Zähnen (105) des Stators (101; 201) bildet, mit einer der Si­ gnalpolpaarzahl des Winkelsensors entsprechenden Periodenzahl ändert.

3. Winkelsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite B der Rotoroberfläche sich mit dem Umfangswinkel ϕ nach der Beziehung B = (b - a) sin² (ϕ . n/2) + a ändert wobei n die Si­ gnalpolpaarzahl des Winkelsensors ist.

4. Winkelsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teil­ wicklungen (S_prim, S_sec)als Einzelspulen mit jeweils gleichen Windungszahlen auf die Zähne (205) des Stators (201) aufge­ bracht sind.

5. Winkelsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teil­ wicklungen (T1 bis T7) der Primärwicklung und der Sekundär­ wicklungen durch ungleich über den Umfang verteilte Windungen zwischen den einzelnen Nuten gebildet sind, derart, daß die effektiven Windungszahlen in den aufeinanderfolgenden Nuten stufenartig annähernd einer Sinuskurve mit einer der Polpaar­ zahl der jeweiligen Wicklung entsprechenden Anzahl der Peri­ oden folgen.

6. Winkelsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten­ zahl ein nicht ganzzahliges Vielfaches der Polpaarzahlen der Primärwicklung bzw. der Sekundärwicklungen ist.

7. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine nichtferromagnetische Welle (107) besitzt, auf der ein Rotorkörper (108) in Form eines ferromagnetischen Rings ange­ ordnet ist.

8. Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ferro­ magnetische Stator eine vorgegebene Anzahl von Nuten und Zäh­ nen über den Umfang verteilt aufweist,
daß der ferromagnetische Rotor eine vorgegebene Anzahl von Nuten und Zähnen über den Umfang verteilt aufweist, welche mit den Zähnen des Stators den ringförmigen Luftspalt bilden,
daß in den Nuten des Rotors eine Primärwicklung angeordnet ist, welche durch in Reihe geschaltete, abwechselnd gegen­ sinnnige Teilwicklungen eine vorgegebene Anzahl von Polpaaren bildet,
daß in den Nuten des Stators mindestens zwei Sekundärwicklun­ gen angeordnet sind, welche gegeneinander um einen vorgegebe­ nen Winkel versetzt sind und jeweils durch in Reihe geschal­ tete, abwechselnd gegensinnige Teilwicklungen Signalpolpaare bilden, deren Anzahl sich von derjenigen der Primärwicklung um einen ganzzahligen Faktor unterscheidet,
wobei die Zähne des Rotors durch gegeneinander versetzte Ro­ torkörper gebildet sind.

9. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine nicht-ferromagnetische Welle (207) besitzt, auf der meh­ rere Rotorkörper (208) gegeneinander versetzt und teilweise überlappend angeordnet sind.

10. Winkelsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Rotorkörper (108; 208) aus laminierten, in parallelen Ra­ dialebenen liegenden feinen Blechen gebildet ist bzw. sind.

11. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Rotorkörper aus einem verlustarmen Nickel-Eisen-Material besteht bzw. bestehen.

12. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Rotorkörper an seinen bzw. ihrem Außenkonturen punktuelle Aus­ nehmungen zum Ausgleich von Toleranzen und/oder Ungleichmä­ ßigkeiten des Magnetmaterials aufweisen.

13. Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sender eine in den Rotor oder den Stator integrierte Dauermagnet- Anordnung dient.

14. Winkelsensor nach Anspruch 1 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfän­ ger eine durch das Magnetfeld im Luftspalt steuerbare Halb­ leiter-Anordnung dient.