DE19731555A1 - Magnetic position sensor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen magnetischen Positionssensor, bei welchem in einem Magnetfeld mindestens zwei Statorelemente angeordnet sind, wobei sich im Luftspalt zwischen den Statorelementen eine Magnetfeld-Sonde befin det, wobei ein der Bewegung eines Objektes folgendes Mittel parallel zu der von den Statorelementen aufgespannten Ebene angeordnet ist.The invention relates to a magnetic position sensor, in which a magnetic field, at least two stator elements are arranged, wherein there is a magnetic field probe in the air gap between the stator elements det, a means following the movement of an object parallel to the is arranged by the stator elements spanned plane.
Aus der WO 92/10722 ist ein Hall-Winkelsensor bekannt, der in der Lage ist, winkelproportionale Signale abzugeben. Die Erfassung des Winkels erfolgt über eine Hall-Sonde, die sich in einem Luftspalt befindet, der zwischen zwei halb zylinder- oder schalenförmigen Statorhälften gebildet wird.A Hall angle sensor is known from WO 92/10722 which is capable of to emit signals proportional to the angle. The angle is recorded via a Hall probe, which is located in an air gap between two half cylindrical or shell-shaped stator halves is formed.
Ein Rotor besteht aus zwei in wechselnder Richtung magnetisierten Schei benmagneten, die über einer Rückschlußscheibe montiert sind. Der Rotor befindet sich in axialer Richtung vor den beiden Statorhälften. Dabei steht die Magnetisierungsrichtung der Magneten senkrecht zur Drehachse.A rotor consists of two disks magnetized in alternating directions benmagneten, which are mounted over a yoke. The rotor is located in the axial direction in front of the two stator halves. It says Magnetization direction of the magnets perpendicular to the axis of rotation.
Der magnetische Fluß, welcher aus dem Nordpol des Scheibenmagneten aus tritt, verteilt sich je nach Winkelstellung der Statorhälften zu den Magnethälften, bevor er in den Südpol des Magneten eintritt. The magnetic flux that comes from the north pole of the disc magnet occurs, depending on the angular position of the stator halves relative to the magnet halves, before entering the south pole of the magnet.
Steht die Nord/Süd-Achse des Magneten parallel zum Luftspalt, so wird jeweils ca. die Hälfte des magnetischen Flusses durch die beiden Statorhälften fließen. In diesem Fall tritt praktisch kein Fluß durch den Luftspalt. Die Meßinduktion wird zu Null.If the north / south axis of the magnet is parallel to the air gap, then approx. half of the magnetic flux flows through the two halves of the stator. In this case there is practically no flow through the air gap. The measurement induction becomes zero.
Steht die Nord/Süd-Achse des Magneten senkrecht zum Luftspalt, so tritt prak tisch der gesamte magnetische Fluß erst in die eine Statorhälfte ein, kreuzt den Luftspalt, tritt in die zweite Statorhälfte ein und von dort in den Südpol des Magneten. Folglich wird durch die Hall-Sonde ein Maximum der Meßinduktion registriert.If the north / south axis of the magnet is perpendicular to the air gap, then it comes in handy table the entire magnetic flux only in one stator half, crosses the Air gap, enters the second half of the stator and from there into the south pole of the Magnets. Consequently, a maximum of the measurement induction is achieved by the Hall probe registered.
Da der Magnetfluß auf seinem Weg außer dem Meß-Luftspalt noch zweimal den Luftspalt zwischen Magnet und Statorhälften in axialer Richtung durchque ren muß, erzeugen Schwankungen dieses Luftspalts, z. B. in Form eines mechanischen Axialspiels, eine starke Veränderung des Meßwertes.Since the magnetic flux on its way out of the measuring air gap two more times traverse the air gap between the magnet and the stator halves in the axial direction Ren must produce fluctuations in this air gap, for. B. in the form of a mechanical axial play, a strong change in the measured value.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde einen magnetischen Positions sensor anzugeben, der unempfindlich gegen Verschiebungen der beweglichen Mittel in einer anderen als der Meß-Richtung ist.The invention is therefore based on the object of a magnetic position Specify sensor that is insensitive to shifts in the moving Is in a direction other than the measuring direction.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, daß das mit dem beweg lichen Objekt verbundene Mittel zweiteilig ausgebildet ist, wobei jedes weich magnetische Teil mindestens ein Segment aufweist und die weichmagne tischen Elemente starr gegeneinander verschoben miteinander verbunden sind, so daß das Segment des ersten Elementes einer Segmentlücke des zweiten Elementes gegenübersteht, wobei die Statorelemente zwischen den weichma gnetischen Elementen angeordnet sind und ein das Magnetfeld senkrecht zu der von den Statorelementen aufgespannten Ebene erzeugender Magnet zwi schen den weichmagnetischen Elementen angeordnet ist.According to the invention the object is achieved in that with the move Lichen object connected means is formed in two parts, each soft magnetic part has at least one segment and the soft magna table elements are rigidly shifted against each other, so that the segment of the first element is a segment gap of the second Elementes faces, the stator between the soft dimensions Magnetic elements are arranged and the magnetic field perpendicular to the plane spanned by the stator elements generating magnet between the soft magnetic elements is arranged.
Durch diese unsymmetrische Struktur des mit dem beweglichen Objekt verbun denen Mittels wird ein magnetischer Ausgleichsfluß über den Meßluftspalt erzeugt. Due to this asymmetrical structure of the connected with the moving object which means a magnetic compensating flow across the measuring air gap generated.
In einer Ausgestaltung ist das mit dem beweglichen Objekt verbundene Mittel ein Rotor, der in axialer Richtung zu den Statorelementen angeordnet ist.In one embodiment, the means is connected to the movable object a rotor which is arranged in the axial direction of the stator elements.
Der Rotor ist zweiteilig ausgebildet, wobei jedes weichmagnetische Rotorele ment mindestens ein Kreissegment aufweist und die Rotorelemente starr gegeneinander verdreht miteinander verbunden sind, so daß das Kreissegment des ersten Rotorelementes einer Segmentlücke des zweiten Rotorelementes gegenübersteht, wobei die Rotorelemente zwischen den Statorelementen angeordnet sind und ein das Magnetfeld in axialer Richtung erzeugender Magnet sowohl zwischen den Rotorelementen als auch den Statorelementen angeordnet ist.The rotor is formed in two parts, each soft magnetic rotor element ment has at least one circle segment and the rotor elements rigid twisted against each other are connected so that the circle segment of the first rotor element of a segment gap of the second rotor element faces, with the rotor elements between the stator elements are arranged and a generating the magnetic field in the axial direction Magnet between both the rotor elements and the stator elements is arranged.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die starre zweiteilige Rotor gestaltung die Auswirkungen des Axialspiels auf das Sensorsignal unterbunden werden, da die beiden zwischen Rotor und Stator auftretenden Luftspalte gleichzeitig in entgegengesetzte Richtung verändert werden und somit die Summe der Luftspalte immer konstant ist.The advantage of the invention is that due to the rigid two-part rotor design prevents the effects of the axial play on the sensor signal because the two air gaps between the rotor and stator can be changed simultaneously in the opposite direction and thus the Sum of the air gaps is always constant.
Vorteilhafterweise ist die Summe der beiden Luftspalte, die sich in axialer Richtung zwischen den Rotorelementen und je einem Statorelement ausbilden, klein gegenüber der axialen Ausdehnung des Magneten, wodurch der Magnet fluß durch den Stator unterstützt wird.Advantageously, the sum of the two air gaps, which are in the axial Form the direction between the rotor elements and one stator element each, small compared to the axial extent of the magnet, making the magnet flow is supported by the stator.
In einer Ausgestaltung sind die Statorelemente ebenfalls kreissegmentähnlich ausgebildet.In one embodiment, the stator elements are also similar to a segment of a circle educated.
Der Außenradius des Kreissegmentes mindestens eines Rotorelementes ent spricht annähernd dem Außenradius des kreissegmentähnlichen Statorele mentes. Die Rotorelemente sind durch zwei Radien charakterisiert, wobei der erste Radius annähernd dem Außenradius eines Statorelementes und der zweite Radius annähernd dem Radius des Magneten entspricht.The outer radius of the circular segment ent of at least one rotor element speaks approximately the outer radius of the circular segment-like statorele mentes. The rotor elements are characterized by two radii, the first radius approximately the outer radius of a stator element and the second radius approximately corresponds to the radius of the magnet.
Die Magnetfeldsonde ist dabei radial zur Drehachse der Welle des Sensors im Luftspalt zweier Statorelemente angeordnet. The magnetic field probe is radial to the axis of rotation of the shaft of the sensor Air gap arranged between two stator elements.
In einer Weiterbildung ist der Außenradius des Kreissegmentes mindestens eines Rotorelementes kleiner als der Außenradius eines Statorelementes. Dies ermöglicht die Anordnung der Magnetfeldsonde axial zur Drehachse der Welle des Sensors im Luftspalt zwischen den beiden Statorelementen. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß der Magnet nun optimal dimensioniert werden kann, da der axiale Abstand der beiden Rotorteile frei variiert werden kann.In a further development, the outer radius of the circle segment is at least of a rotor element smaller than the outer radius of a stator element. This enables the magnetic field probe to be arranged axially to the axis of rotation of the shaft of the sensor in the air gap between the two stator elements. The advantage This arrangement is that the magnet is now optimally dimensioned can be because the axial distance between the two rotor parts can be varied freely can.
Eine Montagevereinfachung des Gesamtsensors wird erreicht, wenn das Kreis segment des ersten Rotorelementes einen geringeren Winkel als die Segment lücke zwischen zwei Statorsegmenten aufweist.An assembly simplification of the overall sensor is achieved if the circuit segment of the first rotor element has a smaller angle than the segment has gap between two stator segments.
Durch die unsymmetrische Gestaltung der Rotorscheibe wird der Magnetfluß gezielt über die beiden Statorhälften geführt.Due to the asymmetrical design of the rotor disc, the magnetic flux guided specifically over the two halves of the stator.
Da die Winkelabhängigkeit der Flußführung nicht über die Kontur oder Magne tisierung des Magneten erreicht wird, sondern durch die unsymmetrische Gestaltung des Rotors, sind die Anforderungen an den Magneten minimal.Because the angular dependence of the flow guide does not have the contour or magne tization of the magnet is achieved, but by the asymmetrical Design of the rotor, the requirements on the magnets are minimal.
Der Magnet muß lediglich ein axial gerichtetes Feld erzeugen. Dieses kann wahlweise von einem drehbar gelagerten Dauermagneten oder einem bezo gen auf den Stator ortsfesten Magneten erzeugt werden, der in diesem Fall sowohl als Dauer- oder auch als Elektromagnet ausgeführt sein kann.The magnet only has to generate an axially directed field. This can either a rotatably mounted permanent magnet or a bezo gene generated on the stator stationary magnet, which in this case can be designed both as a permanent or as an electromagnet.
In einer Weiterbildung ist der Magnet als dauermagnetischer Ringmagnet aus gebildet.In a further development, the magnet is in the form of a permanent magnetic ring magnet educated.
Der Ringmagnet ist im Sensor besonders einfach zu montieren, wenn er orts fest direkt mit den beiden Statorhälften verbunden ist.The ring magnet is particularly easy to install in the sensor when it is in place is firmly connected directly to the two stator halves.
In einer anderen Ausgestaltung ist der Magnet an einer durchgehenden Rotor welle befestigt, in dem er auf diese aufgesteckt ist. In another embodiment, the magnet is on a continuous rotor shaft attached by being attached to this.
In einer weiteren Ausführung sind die beiden Rotorscheiben über eine un magnetische Hülse starr gekoppelt, wobei je eine Rotorscheibe an einem Teil einer zweigeteilten Rotorwelle fest angeordnet ist.In a further embodiment, the two rotor disks are un magnetic sleeve rigidly coupled, each with a rotor disc on one part a two-part rotor shaft is fixed.
Die Statorsegmente sind dabei immer koaxial um die Drehachse der Rotorwelle angeordnet.The stator segments are always coaxial about the axis of rotation of the rotor shaft arranged.
Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsbeispiele zu. Eines davon soll an hand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.The invention allows numerous exemplary embodiments. One of them is said to hand of the figures shown in the drawing are explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 Eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen Winkelsensors mit einem Schnitt durch Gehäuse und Stator, Fig. 1 A first embodiment of the angle sensor according to the invention with a section through the housing and the stator,
Fig. 2 erste Ausführung des Rotors, Fig. 2 first embodiment of the rotor,
Fig. 3: Rotor-Stator-Anordnung, Fig. 3: rotor-stator arrangement,
Fig. 4 Eine zweite Ausführung des erfindungsgemäßen Winkelsensors, Fig. 4 shows a second embodiment of the angle sensor according to the invention,
Fig. 5 Rotor-Stator-Anordnung senkrecht zur Drehachse, Fig. 5 rotor-stator assembly perpendicular to the axis of rotation,
Fig. 6 zweite Ausführung der Rotor-Stator-Anordnung, Fig. 6 second embodiment of the rotor-stator arrangement,
Fig. 7 Signalverlauf über dem Drehwinkel, Fig. 7 waveform over the rotational angle,
Fig. 8 eine dritte Ausführung der Rotor-Stator-Anordnung, Fig. 8 shows a third embodiment of the rotor-stator arrangement,
Fig. 9 eine vierte Ausführung der Rotor-Stator-Anordnung, Fig. 9 shows a fourth embodiment of the rotor-stator arrangement,
Fig. 10 Anordnung des Winkelsensors auf einem Trägerelement, Fig. 10 arrangement, the angle sensor on a support member,
Fig. 11 Prinzipieller Aufbau eines linearen magnetischen Positionssensor, Fig. 11 Basic structure of a linear magnetic position sensor,
Fig. 12 Schnitt durch einen linearen magnetischen Positionssensor,
Gleiche Teile sind mit gleichem Bezugszeichen gekennzeichnet. FIG. 12 section of a linear magnetic position sensor,
Identical parts are identified by the same reference symbol.
Das Grundprinzip soll zunächst an einer Rotorgestaltung mit zwei halbkreis förmigen Rotorsegmenten erläutert werden. Diese Anordnung ist günstig für Einsatzfälle, wo Drehwinkel von 90° erfaßt werden sollen, wie z. B. bei einer Drosselklappe in Brennkraftmaschinen.The basic principle is to start with a rotor design with two semicircles shaped rotor segments are explained. This arrangement is favorable for Applications where angles of rotation of 90 ° are to be recorded, such as. B. at a Throttle valve in internal combustion engines.
In Fig. 1 ist ein Winkelsensor dargestellt, bei welchem in einem unmagneti schen Messinggehäuse 1 stoffschlüssig ein zweigeteilter Weicheisenring als Stator mit den Statorteilen 2a, 2b angeordnet ist. Die vorzugsweise schalen förmigen Statorteile 2a, 2b, die zusammen betrachtet einen hohlzylinderförmi gen Stator darstellen, sind koaxial um einen Dauermagneten 3 herum ange ordnet. Dabei ist der Magnet 3 axial magnetisiert.In Fig. 1, an angle sensor is shown, in which a two-part soft iron ring is arranged as a stator with the stator parts 2 a, 2 b in a non-magnetic brass housing 1 . The preferably shell-shaped stator parts 2 a, 2 b, which when viewed together represent a hollow stator gene, are arranged coaxially around a permanent magnet 3 . The magnet 3 is axially magnetized.
Der Magnet 3 befindet sich zwischen zwei Rotorscheiben 4a, 4b aus weich magnetischem Material, die um 180° gegeneinander verdreht sind.The magnet 3 is located between two rotor disks 4 a, 4 b made of soft magnetic material, which are rotated by 180 ° against each other.
Jede Rotorhälfte 4a, 4b ist dabei über 180° der Scheibe durch einen ersten Außenradius und über die weiteren 180° der Scheibe durch einen zweiten Außenradius charakterisiert. Der größere Außenradius R1 entspricht in etwa dem Außenradius des Stators 2, der kleinere Radius R2 ist auf den Magnet durchmesser abgestimmt (Fig. 2). Dabei ist R1 < R2, so daß jedes Rotorseg ment im wesentlichen halbkreisförmig erscheint.Each rotor half 4 a, 4 b is characterized by a first outer radius over 180 ° of the disk and by a second outer radius over the further 180 ° of the disk. The larger outer radius R1 corresponds approximately to the outer radius of the stator 2 , the smaller radius R2 is matched to the magnet diameter ( Fig. 2). R1 <R2, so that each rotor segment appears essentially semicircular.
Die Rotorhälften 4a, 4b weisen je eine mittige Bohrung 9 auf, die die durch gehende Rotorwelle 5 aufnehmen. Die Rotorhälften 4a, 4b sind dabei auf der durchgehenden Rotorwelle 5 fest arretiert. Die Rotorwelle 5 besteht aus un magnetischem Material.The rotor halves 4 a, 4 b each have a central bore 9 which receive the through rotor shaft 5 . The rotor halves 4 a, 4 b are firmly locked on the continuous rotor shaft 5 . The rotor shaft 5 is made of un magnetic material.
Die Rotorhälften 4a, 4b können aber auch als Teil der Rotorwelle 5 ausgebil det sein.The rotor halves 4 a, 4 b can also be ausgebil det as part of the rotor shaft 5 .
Die Rotorwelle 5 besteht dabei aus dem gleichen magnetischen Material wie die Rotorsegmente 4a, 4b. Die mechanische Ankopplung der zu überwachen den Welle erfolgt dabei unmagnetisch.The rotor shaft 5 consists of the same magnetic material as the rotor segments 4 a, 4 b. The mechanical coupling of the shaft to be monitored is non-magnetic.
Der Magnet 3 ist vorteilhafterweise ebenfalls hohlzylindrisch als Ringmagnet ausgebildet und auf der Rotorwelle 5 befestigt. The magnet 3 is advantageously also hollow cylindrical as a ring magnet and fastened on the rotor shaft 5 .
Das ebenfalls hohlzylinderförmige Gehäuse 1 ist an beiden Seiten mit Ab deckungen 6 und 7 verschlossen, in welchen die Rotorwelle 5 gelagert ist.The also hollow cylindrical housing 1 is closed on both sides with covers 6 and 7 , in which the rotor shaft 5 is mounted.
Eine Magnetfeld-Sonde 12, z. B. eine Hall-Sonde oder sonstige Magnetfeld sonden (induktive Systeme) wird durch die Öffnungen 10 im Gehäuse 1 in den dahinterliegenden Luftspalt 11 zwischen den beiden Statorhälften 2a, 2b einge führt.A magnetic field probe 12 , e.g. B. a Hall probe or other magnetic field probes (inductive systems) is through the openings 10 in the housing 1 in the underlying air gap 11 between the two stator halves 2 a, 2 b leads.
Dies ist noch einmal prinzipiell in Fig. 3 dargestellt. Um den Hall-Sensor 12 sichtbar zu machen, wurde auf die Darstellung der zweiten Statorhälfte 2a ver zichtet. Diese wäre dem Hallsensor 12 vorgelagert.This is shown again in principle in FIG. 3. In order to make the Hall sensor 12 visible, the representation of the second stator half 2 a was omitted. This would be upstream of the Hall sensor 12 .
Gemäß Fig. 4 ist der Magnet 3 zylindrisch oder quaderförmig ausgebildet und in einer unmagnetischen Hülse 8 untergebracht. Der Magnet 3 kann in die Hülse 8 eingeklebt sein.According to Fig. 4, the magnet is cylindrical or cuboidal 3 and housed in a non-magnetic sleeve 8. The magnet 3 can be glued into the sleeve 8 .
In vorliegendem Fall ist die Rotorwelle 5 zweiteilig ausgebildet. An jedem Teil der Rotorwelle 5a, 5b ist eine Rotorscheibe 4a, 4b befestigt. Die Hülse 8 greift in eine Ausfräsung 13 a, 13b der Rotorscheibe 4a, 4b ein und verbindet somit starr die beiden Teile der Rotorwelle 5a, 5b miteinander.In the present case, the rotor shaft 5 is formed in two parts. A rotor disk 4 a, 4 b is attached to each part of the rotor shaft 5 a, 5 b. The sleeve 8 engages in a cutout 13 a, 13 b of the rotor disk 4 a, 4 b and thus rigidly connects the two parts of the rotor shaft 5 a, 5 b to one another.
Die Hülse 8 ist zusätzlich durch einen Arretierstift 14 gesichert.The sleeve 8 is additionally secured by a locking pin 14 .
Zum Höhenausgleich zwischen Magnet 3 und Hall-Sonde 12 befindet sich auf den Rotorscheiben 4a, 4b ein erhöhter weichmagnetischer Bereich 17 (Fig. 2).To compensate for the height between the magnet 3 and the Hall probe 12, there is an increased soft magnetic area 17 on the rotor disks 4 a, 4 b ( FIG. 2).
Zwischen den beiden Rotorhälften befindet sich der Stator 2a, 2b. Die beiden Statorhälften 2a, 2b sind gut magnetisch leitfähig. Ferner ist die Summe der beiden Luftspalte 15,16, die sich in axialer Richtung zwischen Rotor und Stator ausbilden, klein gegenüber der Länge des Magneten 3. Hierdurch wird erreicht, daß der größere Anteil des magnetischen Flusses über die beiden Statorhälften fließt.The stator 2 a, 2 b is located between the two rotor halves. The two stator halves 2 a, 2 b have good magnetic conductivity. Furthermore, the sum of the two air gaps 15 , 16 , which are formed in the axial direction between the rotor and the stator, is small compared to the length of the magnet 3 . This ensures that the greater part of the magnetic flux flows over the two stator halves.
In einer speziellen Ausführungsform wird als magnetisches Material Sa marium-Kobalt verwendet. Bei einer axialen Ausdehnung des Magneten 3 von 3 mm, betragen die Luftspalte 15, 16 zwischen Rotorscheiben 4a, 4b und den Statorhälften 2a, 2b annähernd 0,5 mm.In a special embodiment, Sa-cobalt is used as the magnetic material. With an axial expansion of the magnet 3 of 3 mm, the air gaps 15 , 16 between the rotor disks 4 a, 4 b and the stator halves 2 a, 2 b are approximately 0.5 mm.
Mit Hilfe von Fig. 5 soll nun die Funktionsweise des beschriebenen Winkelsen sors erläutert werden. Zum besseren Verständnis wurden über den Sensor 4 Quadranten gelegt.With reference to FIG. 5, the operation is now described the Winkelsen be sors explained. For better understanding, 4 quadrants were placed over the sensor.
Prinzipiell tritt der magnetische Fluß aus dem Nordpol des Magneten in die erste Statorhälfte ein. Ein kleinerer Teil schließt sich als Streufluß über den Luftraum zum Südpol des Magneten hin, und tritt dort in die zweite Rotorhälfte und anschließend in den Südpol ein.In principle, the magnetic flux from the north pole of the magnet enters the first half of the stator. A smaller part closes as a leakage flux over the Airspace to the south pole of the magnet, and enters the second half of the rotor there and then into the South Pole.
Der Rotor ist zunächst wie in Fig. 5a dargestellt, ausgerichtet. Die Schnittlinie ("Sehne" der halbkreisförmigen Scheiben 4a, 4b) steht senkrecht zum Meß luftspalt 11. In dieser Stellung wird jeweils etwa die Hälfte des magnetischen Nutzflusses im ersten Quadranten aus der oberen Rotor-Halbscheibe 4a austre ten, über die rechte Statorhälfte 2a zum vierten Quadranten fließen und dort in die untere Rotorhalbscheibe 4b eintreten. Die andere Hälfte des Flusses wird im zweiten Quadranten aus der oberen Rotor-Halbscheibe 4a austreten, über die linke Statorhälfte 2b zum dritten Quadranten fließen und dort in die untere Rotor-Halbscheibe 4b eintreten.The rotor is initially aligned as shown in FIG. 5a. The cutting line ("chord" of the semicircular discs 4 a, 4 b) is perpendicular to the measuring air gap 11th In this position, approximately half of the magnetic useful flux in the first quadrant will emerge from the upper rotor half disk 4 a, flow via the right stator half 2 a to the fourth quadrant and enter the lower rotor half disk 4 b there. The other half of the flow will emerge in the second quadrant from the upper rotor half disk 4 a, flow via the left stator half 2 b to the third quadrant and enter the lower rotor half disk 4 b there.
Die Induktion im Meßluftspalt 11 wird zu Null. Da der Fluß den Luftspalt 11 nicht kreuzt, ergibt sich der minimale magnetische Widerstand des Gesamt kreises, und folglich der maximale magnetische Fluß. Der Rotor 4a, 4b wird sich also ohne äußere Krafteinwirkung bevorzugt in diese Position stellen.The induction in the measuring air gap 11 becomes zero. Since the flux does not cross the air gap 11 , there is the minimum magnetic resistance of the entire circuit, and consequently the maximum magnetic flux. The rotor 4 a, 4 b will therefore preferably be in this position without external force.
Die gleichen Verhältnisse ergeben sich, wenn der Rotor um 180° weitergedreht wird.The same conditions result when the rotor rotates through 180 ° becomes.
Im nächsten Schritt sei der Rotor um 90° im mathematisch positiven Sinn wei tergedreht, wie es in Fig. 5b dargestellt ist. Damit befindet sich die mit dem Nordpol verbundene Rotor-Halbscheibe 4a über der linken Statorhälfte 2b. Die mit dem Südpol verbundene Rotor-Halbscheibe 4b steht über der rechten Sta torhälfte 2a.In the next step, the rotor is turned further through 90 ° in a mathematically positive sense, as shown in FIG. 5b. The rotor half disk 4 a connected to the north pole is thus located above the left stator half 2 b. The rotor half disk 4 b connected to the south pole is above the right half of the gate 2 a.
Praktisch tritt der gesamte Fluß gleichmäßig über den 2. und 3. Quadranten verteilt aus der linken Halbscheibe 4a (Nordpol) in die linke Statorhälfte 2b über, kreuzt den Luftspalt 11 und tritt dann, im Bereich des 1. und 4. Quadran ten in die rechte Rotorhalbscheibe 4b (Südpol) ein.Practically, the entire flow is evenly distributed over the 2nd and 3rd quadrants from the left half disk 4 a (north pole) into the left stator half 2 b, crosses the air gap 11 and then occurs in the area of the 1st and 4th quadrants into the right half rotor disc 4 b (south pole).
Die Induktion im Meßluftspalt 11 hat damit ein Maximum. Da der magnetische Fluß den Luftspalt kreuzt, ergibt sich der maximale magnetische Widerstand des Gesamtkreises und folglich der minimale magnetische Fluß. Es ergibt sich eine instabile kraftfreie Stellung. Links und rechts von dieser Stellung tritt das maximale Rückstellmoment auf.The induction in the measuring air gap 11 thus has a maximum. Since the magnetic flux crosses the air gap, the maximum magnetic resistance of the overall circuit and consequently the minimum magnetic flux are obtained. An unstable, force-free position results. The maximum restoring torque occurs to the left and right of this position.
Die gleichen Verhältnisse ergeben sich, wenn der Rotor um 180° weitergedreht wird. Dabei kehrt sich das Vorzeichen des Magnetflusses durch den Meßluftspalt 11 um.The same conditions result when the rotor is turned through 180 °. The sign of the magnetic flux through the measuring air gap 11 is reversed.
Das Ausgangssignal ist periodisch mit 360° und damit in einem Bereich von bis zu 180° eindeutig. Ferner ist das Ausgangssignal im Bereich von 120° weitge hend linear. Bei Anwendungen, wo ein redundantes Signal benötigt wird, kann ein 2. Sensor im Luftspalt 11 zwischen den Statorelementen 2a, 2b plaziert werden.The output signal is periodic with 360 ° and therefore in a range of up to 180 °. Furthermore, the output signal is largely linear in the range of 120 °. In applications where a redundant signal is required, a second sensor can be placed in the air gap 11 between the stator elements 2 a, 2 b.
Da die Statoraußenflächen aufgrund der hohen Permeabilität Äquipotential flächen darstellen, ist die Induktion in den linearen Bereichen des Luftspaltes 11 überall gleich groß. Hierdurch ergibt sich eine sehr gute Konformität zwi schen den beiden Kanälen, so daß z. B. die Fehlfunktion eines der beiden Kanäle sehr früh detektiert werden kann.Since the stator outer surfaces represent equipotential surfaces due to the high permeability, the induction in the linear regions of the air gap 11 is the same everywhere. This results in a very good conformity between the two channels, so that z. B. the malfunction of one of the two channels can be detected very early.
Bei dem beschriebenen Winkelsensor bleibt die Summe der Luftspalte, die axial zu beiden Seiten zwischen Rotor-Halbscheiben 4a, 4b und Statorhälften 2a, 2b bestehen, stets konstant. In the described angle sensor, the sum of the air gaps that exist axially on both sides between the rotor half disks 4 a, 4 b and stator halves 2 a, 2 b always remains constant.
Dadurch ergibt sich eine sehr gute Unterdrückung des Axialspieleinflusses auf das Meßsignal.This results in a very good suppression of the axial play influence the measurement signal.
Sollen Verdrehwinkel von beispielsweise 30° oder kleiner detektiert werden, wie es beispielsweise an einem Gaspedal eines Kraftfahrzeuges notwendig ist, muß der Signalhub für kleine Meßbereiche erhöht werden.Should twist angles of, for example, 30 ° or less be detected, such as it is necessary, for example, on an accelerator pedal of a motor vehicle, the signal swing must be increased for small measuring ranges.
Dazu wird eine Rotoranordnung gewählt, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Die Rotorelemente 4a und 4b sind jetzt so ausgebildet, daß sie aus einer ganz zahligen Anzahl jeweils um die eigene Breite gegeneinander versetzter Seg mente bestehen, die in Richtung des Drehzentrums magnetisch gekoppelt sind.For this purpose, a rotor arrangement is selected, as is shown in FIG. 6. The rotor elements 4 a and 4 b are now designed so that they consist of a whole number of segments each offset by their own width Seg elements that are magnetically coupled in the direction of the center of rotation.
Auch diese Rotorelemente 4a, 4b werden starr miteinander gekoppelt.These rotor elements 4 a, 4 b are also rigidly coupled to one another.
Im einfachsten Fall weist jedes Rotorelement zwei Segmente auf, die sich gegenüberliegend angeordnet sind. Das erste Rotorelement 4a weist um 180° gegeneinander verschobene Segmente 4a1, 4a2 auf, das zweite Rotorelement 4b weist ebenfalls zwei Segmente 4b1, 4b2 auf. Die beiden Rotorelemente 4a, 4b sind so gegeneinander versetzt, daß dem Segment 4a1 des Rotorelementes 4a eine Segmentlücke des Rotorelementes 4b gegenüberliegt. Das gleiche gilt für die Segmente 4b1, 4b2 des zweiten Rotorelementes 4b, welchen immer eine Segmentlücke des ersten Rotorelementes 4a gegenüberliegen. Als Seg mentlücke wird dabei jeweils der Abstand zwischen zwei Segmenten 4a1, 4a2 bzw. 4b1, 4b2 eines Rotorelementes 4a bzw. 4b bezeichnet.In the simplest case, each rotor element has two segments which are arranged opposite one another. The first rotor element 4 a has segments 4 a1, 4 a2 which are displaced relative to one another by 180 °, the second rotor element 4 b likewise has two segments 4 b1, 4 b2. The two rotor elements 4 a, 4 b are offset from one another such that the segment 4 a1 of the rotor element 4 a is opposite a segment gap of the rotor element 4 b. The same applies to the segments 4 b1, 4 b2 of the second rotor element 4 b, which are always opposite a segment gap of the first rotor element 4 a. The segment gap is the distance between two segments 4 a1, 4 a2 and 4 b1, 4 b2 of a rotor element 4 a and 4 b, respectively.
Es ist aber auch vorstellbar, daß die Rotorelemente 4a, 4b N Segmente auf weisen. Dann werden die Rotorelemente um 180°/N gegeneinander versetzt angeordnet. Wie bereits erläutert, beträgt die Breite jedes Flügels dabei ent sprechend 180°/N. Dadurch wird die Periodizität des Signals gegenüber der halbkreisförmigen Variante um 1/N reduziert.But it is also conceivable that the rotor elements 4 a, 4 b have N segments. Then the rotor elements are arranged offset from each other by 180 ° / N. As already explained, the width of each wing is accordingly 180 ° / N. This reduces the periodicity of the signal by 1 / N compared to the semicircular variant.
In Fig. 7 ist der Signalverlauf in Abhängigkeit vom Drehwinkel dargestellt. Dabei zeigt die Kurve A den Flußverlauf in den Meßluftspalten für eine Rotoranordnung wie sie gemäß Bild 6 dargestellt ist. Bei zwei Segmenten wird eine Periode von 180° erreicht.In Fig. 7, the waveform in dependence is represented by the angle of rotation. Curve A shows the flow profile in the measuring air gaps for a rotor arrangement as shown in Figure 6. A period of 180 ° is achieved with two segments.
Der Signalverlauf für die halbkreisförmigen Rotoranordnungen ist durch die Linie B dargestellt. Bei dieser Einsegmentanordnung wird eine Periode von 360° erreicht.The signal curve for the semicircular rotor arrangements is through the Line B shown. In this one-segment arrangement, a period of Reached 360 °.
Die wirksamen Flächen der Rotoranordnung 4a, 4b und der Statoranordnung 2a, 2b, über welchen der Fluß eingekoppelt wird, ist proportional 1 : 2 N. Die Anzahl der Luftspalte beträgt 2 N.The effective areas of the rotor arrangement 4 a, 4 b and the stator arrangement 2 a, 2 b, via which the flux is coupled in, is proportional 1: 2 N. The number of air gaps is 2 N.
Das in Bild 6 dargestellte System weist eine Statoranordnung auf, welche aus zwei nebeneinander angeordneten 90° Segmenten 2a, 2b besteht, die zusam men einen Bereich von 180° bilden. Die Statorsegmente 2a, 2b sind zwischen den Rotorelementen 4a, 4b angeordnet und bilden gegeneinander einen Luftspalt, in welchem die Hallsonde 12 radial zur Welle 5 angeordnet ist.The system shown in Figure 6 has a stator arrangement, which consists of two 90 ° segments 2 a, 2 b arranged side by side, which together form an area of 180 °. The stator segments 2 a, 2 b are arranged between the rotor elements 4 a, 4 b and form an air gap against one another, in which the Hall probe 12 is arranged radially to the shaft 5 .
Ein redundantes System ist in Fig. 8 dargestellt. Jeweils 2 als 90° Segmente ausgebildete Statorelemente 2a1, 2b1 bzw. 2b2, 2a2, bilden den Meßluftspalt 11, in welchen jeweils eine Magnetsonde 12 angeordnet ist. Bei dieser Ausfüh rung sind die Statorsegmente 2a1, 2a2, 2b1, 2b2, mit einem größeren Außen radius versehen, als die Rotorsegmente 4a1, 4a2, 4b1 und 4b2. Die Magnetsonden 12 können in diesem Fall um 90° gedreht, d. h. axial zur Dreh richtung des Sensors im Meßluftspalt 11 angeordnet werden. Beide Magnet feldsonden können aufgrund dieser Ausführung auf ein und derselben Leiter platte angeordnet werden.A redundant system is shown in FIG. 8. 2 stator elements 2 a1, 2 b1 and 2 b2, 2 a2, respectively, formed as 90 ° segments form the measuring air gap 11 , in each of which a magnetic probe 12 is arranged. In this embodiment, the stator segments 2 a1, 2 a2, 2 b1, 2 b2 are provided with a larger outer radius than the rotor segments 4 a1, 4 a2, 4 b1 and 4b2. In this case, the magnetic probes 12 can be rotated through 90 °, ie they can be arranged axially to the direction of rotation of the sensor in the measuring air gap 11 . Both magnetic field probes can be arranged on one and the same circuit board due to this design.
Der Magnet 3 kann nun optimal dimensioniert werden, da der axiale Abstand der beiden Rotorelemente 4a, 4b frei wählbar ist.The magnet 3 can now be dimensioned optimally, since the axial distance between the two rotor elements 4 a, 4 b can be freely selected.
Bei den bisher betrachteten Anordnungen wird die Periodizität des Signals an den Meßbereich angepaßt. In the arrangements considered so far, the periodicity of the signal is on adjusted the measuring range.
Hierzu wurde eine ganzzahlige Teilung von Rotor und Stator durch N vorge nommen. Weicht man vom ganzzahligen Teilungen ab, so ergeben sich Berei che mit Steigung 0 oder doppelte Steigung innerhalb einer vollen Umdrehung um 360°.For this purpose, an integer division of rotor and stator by N was made. If one deviates from the integer divisions, there are areas with a gradient of 0 or a double gradient within a full revolution of 360 °.
Für Anwendungen mit eingeschränktem Winkelbereich sind aber auch nicht ganzzahlige Teilungen von Rotor und Stator denkbar.For applications with limited angular range, however, are also not integer divisions of rotor and stator possible.
In Bild 9 ist ein Beispiel dargestellt, bei dem eine Segmentierung in 57° vorge nommen wurde und ein redundantes Signal erzeugt wird. Figure 9 shows an example in which segmentation was carried out in 57 ° and a redundant signal is generated.
Zu diesem Zweck sind vier Statorelemente 2a1, 2b1, 2a2, 2b2 vorgesehen, von denen jeweils zwei Statorsegmente 2a1, 2b1 bzw. 2a2, 2b2 annähernd parallel aneinandergrenzen. Zwischen diesen beiden Statorpaaren 2a1, 2b1; 2a2, 2b2 ergeben sich offene Bereiche von hier beispielsweise 66°.For this purpose, four stator elements 2 a1, 2 b1, 2 a2, 2 b2 are provided, of which two stator segments 2 a1, 2 b1 and 2 a2, 2 b2 adjoin each other approximately in parallel. Between these two pairs of stators 2 a1, 2 b1; 2 a2, 2 b2 there are open areas of, for example, 66 °.
Das Rotorelement 4a weist zwei Segmente 4a1, 4a2 von einfacher Stator breite (57°) auf. Das Rotorelement 4b ist komplementär aufgebaut, d. h. die Lücken haben eine Ausdehnung, welche der Breite der Kreissegmente 4a1, 4a2 des Rotorelementes 4a entsprechen.The rotor element 4 a has two segments 4 a1, 4 a2 of simple stator width (57 °). The rotor element 4 b has a complementary structure, ie the gaps have an extent which corresponds to the width of the circular segments 4 a1, 4 a2 of the rotor element 4 a.
Bringt man das Rotorpaket 4a, 4b in eine geeignete Stellung, die ±90° zur dar gestellten Stellung entspricht, so kann dieses als ganzes axial gefügt bzw. zer legt werden.If you bring the rotor package 4 a, 4 b into a suitable position, which corresponds to ± 90 ° to the position shown, this can be added as a whole or put down zer.
Hierdurch läßt sich eine wesentliche Montagevereinfachung erreichen, da nun die Statorseite (Leiterplatte 17) mit Statoren und Elektronik ebenso wie die Rotorseite (Rotorelemente 4a, 4b, Magnet 3 und Welle 5) als vormontierte Einheiten gehandhabt werden können.This allows a significant simplification of assembly to be achieved, since the stator side (circuit board 17 ) with stators and electronics as well as the rotor side (rotor elements 4 a, 4 b, magnet 3 and shaft 5 ) can be handled as pre-assembled units.
Beispielsweise kann die Rotorseite auf einem unmagnetischen Körper, der z. B. aus Kunststoff besteht, vormontiert werden, welche dann auf die Welle 5 auf gepreßt wird. Durch den Kunststoffkörper läßt sich eine magnetische Entkopp lung der Welle 5 herstellen, welche dann aus weichmagnetischem Werkstoff bestehen kann. Auch braucht die Welle dann nicht mehr abgesetzt sein, was ebenfalls eine Vereinfachung bedeutet.For example, the rotor side on a non-magnetic body, the z. B. consists of plastic, pre-assembled, which is then pressed onto the shaft 5 . A magnetic decoupling of the shaft 5 can be produced by the plastic body, which can then consist of soft magnetic material. The shaft then no longer needs to be offset, which also means simplification.
In Bild 10 ist die Anordnung des Sensors auf der Leiterplatte dargestellt. Zur vereinfachten Darstellung sind hier die Rotorelemente mit halbkreisförmiger Ausgestaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 gewählt. Bild 10a zeigt die Draufsicht auf die Leiterplatte 17, während in Bild 10b die entspre chenden Schnittdarstellungen gezeigt sind. Figure 10 shows the arrangement of the sensor on the circuit board. To simplify the illustration, the rotor elements with a semicircular configuration are selected according to the exemplary embodiment in FIG. 1. Figure 10a shows the top view of the circuit board 17 , while the corresponding sectional views are shown in Figure 10b.
Die Rotorelemente 4a, 4b werden auf eine unmagnetische, zweifach abge setzte Welle 5 aufgepreßt. Die Statorsegmente 2a, 2b werden über Bohrungen 20 mittels Hohlnieten 18 und Scheiben 19 auf der Leiterplatte 17 befestigt, auf welcher auch die sich im Meßluftspalt zwischen den Statorsegmenten 2a, 2b angeordneten Magnetfeldsensoren 12 und evtl. auch weitere Bauelemente zu Signalkonditionierung angeordnet sind (vgl. Schnitt B-B).The rotor elements 4 a, 4 b are pressed onto a non-magnetic, double abge set shaft 5 . The stator segments 2 a, 2 b are attached via holes 20 by means of hollow rivets 18 and washers 19 on the printed circuit board 17 , on which the magnetic field sensors 12 arranged in the measuring air gap between the stator segments 2 a, 2 b and possibly also further components for signal conditioning are arranged are (see section BB).
Wie in der Draufsicht erkennbar, befinden sich die Bohrungen 20 in den Stator elementen 2a, 2b außerhalb des äußeren Rotorradius R1. Eine zusätzliche Linearisierung der Sensorkennlinie kann über eine winkelabhängige Gestaltung der Radien erreicht werden.As can be seen in the plan view, the bores 20 are in the stator elements 2 a, 2 b outside the outer rotor radius R1. Additional linearization of the sensor characteristic curve can be achieved by designing the radii as a function of the angle.
Wie aus Fig. 10 ersichtlich, ist auch hier der Magnet 3 als Ringmagnet um die Welle 5 ausgeführt, der axial magnetisiert ist und direkt auf die Welle 5 zwi schen den beiden Rotorscheiben 4a, 4b aufgesteckt ist.As can be seen from Fig. 10, the magnet 3 is also designed as a ring magnet around the shaft 5 , which is axially magnetized and is directly plugged onto the shaft 5 between the two rotor disks 4 a, 4 b.
In Fig. 11 ist der erfindungsgemäße Positionssensor als linearer Sensor dar gestellt.In Fig. 11, the position sensor according to the invention is presented as a linear sensor.
Dieser lineare Sensor weist zwei bewegliche, weichmagnetische Schiebe elemente 20a und 20b auf. Das Schiebeelement 20a besitzt ein rechteckförmi ges Segment 23 , dessen magnetisch wirksame Fläche F so dimensioniert ist, das sie genau der ebenfalls rechteckförmigen Segmentlücke 24 der zweiten Schiebeelementes 20b angepaßt ist. This linear sensor has two movable, soft magnetic sliding elements 20 a and 20 b. The sliding element 20 a has a rectangular segment 23 , the magnetically effective surface F is dimensioned such that it is precisely adapted to the also rectangular segment gap 24 of the second sliding element 20 b.
Auf dem ersten Schiebeelement 20a ist eine Magnetaufnahme 22 montiert. Diese Magnetaufnahme 22 trägt einen quaderförmigen Magnet 3 so, daß bei der Montage der Magnetaufnahme 22 mit dem ersten Schiebeelement 20a der Magnet 3 außerhalb der wirksamen Fläche F des ersten Elementes 20a ange ordnet ist.A magnetic receptacle 22 is mounted on the first sliding element 20 a. This magnet holder 22 carries a parallelepiped magnet 3 so that during assembly of the magnet holder 22 with the first slide member 20 a of the magnet 3 outside of the effective area F of the first member 20 a is arranged.
Wie in Fig. 12 dargestellt, ist die Magnetaufnahme 22 mit dem Magnet 3 und den beiden Schiebeelementen 20a und 20b über eine Nietverbindung (Öffnungen 25 und Niet 26) verbunden und dient gleichzeitig als Abstandshalter zwischen den beiden Schiebeelementen 20a und 20b.As shown in Fig. 12, the magnet receptacle 22 is connected to the magnet 3 and the two sliding elements 20 a and 20 b via a rivet connection (openings 25 and rivet 26 ) and simultaneously serves as a spacer between the two sliding elements 20 a and 20 b.
Die auf einer nicht weiter dargestellten Leiterplatte befestigten Statorelemente 21a und 21b werden in die vormontierte Einheit aus den Schiebeelementen 20a und 20b sowie der Magnetaufnahme 22 so eingeschoben, daß der Luftspalt 28 zwischen den beiden Statorelementen 21a und 21b von der akti ven Fläche F des ersten Schiebeelementes 20a teilweise überdeckt wird, wobei die Statorelemente 21a, 21b räumlich nahe dem zweiten Schiebeelement 20b angeordnet sind.The stator elements 21 a and 21 b fastened on a printed circuit board (not shown) are inserted into the preassembled unit from the sliding elements 20 a and 20 b and the magnetic receptacle 22 such that the air gap 28 between the two stator elements 21 a and 21 b from the acti ven surface F of the first sliding element 20 a is partially covered, the stator elements 21 a, 21 b being arranged spatially close to the second sliding element 20 b.
Steht das Segment 23 des ersten Schiebeelementes 20a symmetrisch zur Mittellinie M des Sensors, so ergibt sich kein Ausgleichsfluß über den Meß luftspalt 28 zwischen den Statorelementen 21a und 21b. Werden die Schiebe elemente 20a, 20b in y-Richtung aus dieser Position ausgelenkt, so stellt sich ein Ausgleichsfluß über den Luftspalt 28 zwischen den Statorelementen 21a, 21b ein, welcher von der Magnetfeldsonde 12 registriert wird, die im Luftspalt 28 der beiden Statorelemente 21a, 21b angeordnet ist.If the segment 23 of the first sliding element 20 a is symmetrical to the center line M of the sensor, there is no equalizing flow across the measuring air gap 28 between the stator elements 21 a and 21 b. If the sliding elements 20 a, 20 b are deflected in the y direction from this position, a compensating flow is established via the air gap 28 between the stator elements 21 a, 21 b, which is registered by the magnetic field probe 12 which is in the air gap 28 two stator elements 21 a, 21 b is arranged.
Der lineare Meßbereich des Sensors entspricht knapp der aktiven Länge des Segmentes 23 des ersten Schiebeelementes 20a. Das bedeutet, daß der Sen sor mindestens dreimal länger ist als der Meßbereich.The linear measuring range of the sensor corresponds almost to the active length of the segment 23 of the first sliding element 20 a. This means that the sensor is at least three times longer than the measuring range.
Der beschriebene lineare Sensor kann beispielsweise zur Erfassung der Stel lung eines Fahrpedals in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Zu diesem Zweck ist der Sensor über eine Fahrpedalanbindung 29 mit diesem verbun den. Die Anbindung an die Rückstellfeder erfolgt über die Einrichtung 30, die mit Hilfe der Niete 26 einfach am Sensor, vorzugsweise an dem zweiten Schie beelement 20b angeordnet ist.The linear sensor described can be used, for example, to detect the position of an accelerator pedal in a motor vehicle. For this purpose, the sensor is connected to the accelerator pedal connection 29 . The connection to the return spring is made via the device 30 , which is arranged with the aid of the rivet 26 simply on the sensor, preferably on the second sliding element 20 b.
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