DE19832090A1 - Drehwinkelsensor - Google Patents

Drehwinkelsensor

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Abstract

Der Drehwinkelsensor weist einen Permanentmagneten (2) auf, der beispielsweise die Form eines Quaders, einer Kreisscheibe oder eines Kreisringsegmentes hat. Der Permanentmagnet (2) ist an einem ersten Flußleitelement (4) befestigt und gegenüber einem in einem Abstand dazu angeordneten zweiten Flußleitelement (6) um eine Drehachse (1a) drehbar, wobei dieser Abstand als Primärluftspalt (8) bezeichnet wird. In Richtung der Drehachse (1a) gesehen erstrecken sich sowohl das erste als auch das zweite Flußleitelement (4, 6) mindestens über ein Kreisringsegment. Das zweite Flußleitelement (6) weist ferner einen radial verlaufenden Sekundärluftspalt (9) auf, in dem ein Magnetfeldsensor (11) angeordnet ist (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiger Drehwinkelsensor ist aus der EP 0 665 416 A1 bekannt. Dieser Drehwinkelsensor weist ein zylindrisches mit einer Drehachse verbundenes Rotorelement auf, an dessen Zylinderinnenwand ein ringförmiger Permanentmagnet befestigt ist. Ferner ist ein kreisförmiges aus zwei Zylinderhälften bestehendes Statorelement vorgesehen, das innerhalb des ringförmigen Permanentmagneten angeordnet und durch einen ringförmigen Primärluftspalt von diesem getrennt ist. Zwischen den beiden Zylinderhälften des Statorelementes befindet sich ein Sekundärluftspalt, in dem eine Hall-Sonde angeordnet ist. Je nach Drehstellung des Permanentmagneten relativ zum Stator ändert sich die magnetische Durchflutung der Hall-Sonde und damit das von dieser erzeugte elektrische Signal, welches einem zugeordneten Drehwinkel entspricht.
Ein ähnlicher Drehwinkelsensor ist aus der US 5,528,139 bekannt, bei dem der Drehwinkel ebenfalls mittels eines gegenüber einer Hall-Sonde verdrehbaren Ringmagneten bestimmt wird.
Ferner ist aus der US 5,532,585 ein Linearsensor bekannt, bei dem die Längsbewegung eines sich in einem Primärluftspalt bewegenden Stabmagneten mittels einer Hall-Sonde sensiert wird, die in einem zum Primärluftspalt senkrechten Sekundär­ luftspalt angeordnet ist.
Die oben beschriebenen Sensoren können beispielsweise im Kfz-Bereich zur Messung der Drosselklappenstellung oder der Gaspedalstellung eingesetzt werden. Hierbei ist es wünschenswert, daß sich das von der Hall-Sonde erzeugte elektrische Signal möglichst linear mit der Verdrehung bzw. Verschiebung ändert, wobei es bei manchen Anwendungen genügt, wenn der Sensor nur in einem begrenzten Meßbereich, z. B. von 0° bis 60° linear arbeitet.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drehwinkelsensor zu schaffen, der einfach aufgebaut ist und der in einem vor­ gegebenen Drehwinkelbereich möglichst gut linear arbeitet und kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, zur Drehwinkelbestim­ mung einen Permanentmagneten zu verwenden, dessen Länge senkrecht zur Nord-Süd-Richtung und senkrecht zur Drehachse des Drehwinkelsensors kleiner als die in Umfangsrichtung gemessene Länge eines Primärluftspaltes ist. Ein solcher Permanentmagnet hat beispielsweise die Form eines Quaders, einer Kreisscheibe oder eines Kreisringsegmentes.
Der Primärluftspalt ist durch ein erstes Flußleitelement, an dem der Permanentmagnet befestigt ist, und durch ein in einem Abstand dazu angeordnetes zweites Flußleitelement gebildet. Der Permanentmagnet ist drehbar in Bezug auf das zweite Flußleitelement angeordnet und so magnetisiert, daß die Nord-Süd-Richtung senkrecht zur Drehachse ist. In Richtung der Drehachse gesehen erstrecken sich sowohl das erste als auch das zweite Flußleitelement mindestens über ein Kreisringsegment. Das zweite Flußleitelement weist ferner einen radial verlaufenden Sekundärluftspalt auf, in dem ein Magnetfeldsensor wie z. B. eine Hall-Sonde angeordnet ist, welche die Stärke des vom Permanentmagneten erzeugten magnetischen Feldes sensiert und ein der Drehstellung des Magneten entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Die beiden Flußleitelemente sind aus ferromagneti­ schem Material, wodurch das Magnetfeld verstärkt bzw. gebündelt wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung hat eines der beiden Flußleitelemente die Form eines zweiteiligen geschlitzten Kreiszylinders und das andere ist als ein den Kreiszylinder umschließender Hohlzylinder ausgeführt, der mindestens einen radialen Luftspalt aufweist, durch den der Sekundärluft­ spalt gebildet ist.
Hinsichtlich der Gestaltung bzw. der Anordnung des Permanent­ magneten bestehen mehrere Möglichkeiten. Beispielsweise kann eines der beiden Flußleitelemente einen parallel zur Drehachse verlaufenden Schlitz aufweisen, in den der Permanentmagnet eingesetzt ist. Der Permanentmagnet bzw. der Schlitz können zentrisch an dem einen Flußleitelement angeordnet sein, d. h. in der Drehachse liegen, oder exzen­ trisch bzw. ganz außen, d. h. unmittelbar dem Primärluftspalt zugewandt angeordnet sein. Ist der Permanentmagnet außen an dem einen Flußleitelement befestigt, so kann er beispielsweise einen kreisringsegmentförmigen Querschnitt haben. Alternativ dazu ist aber hier auch eine Quaderform bzw. eine Kreisschreibe möglich.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Drehwinkelsensor, bei dem der Permanent­ magnet in der Drehachse liegt;
Fig. 1a und 1b den Drehwinkelsensor gemäß Fig. 1 in verschiedenen Drehstellungen;
Fig. 2 einen Drehwinkelsensor, bei dem der Permanent­ magnet exzentrisch angeordnet ist;
Fig. 3 einen Drehwinkelsensor, bei dem der Permanent­ magnet im Außenbereich des einen Flußleitelements angeordnet ist;
Fig. 4 einen Drehwinkelsensor, bei dem der Permanent­ magnet unmittelbar in den Primärluftspalt ragt; und
Fig. 5 einen Drehwinkelsensor, bei dem die Flußleit­ elemente sowie der Permanentmagnet kreisring­ segmentförmig gestaltet sind.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Drehwinkelsensor 1 mit einer zur Zeichenebene senkrechten Drehachse 1a. Der Drehwinkelsensor 1 weist einen Permanentmagneten 2 auf, der hier als Quader dargestellt und der in einer schlitzartigen Ausnehmung 3 eines ersten zylindrischen Flußleitelementes 4 angeordnet ist. Das vom Permanentmagneten 2 erzeugte Magnetfeld ist durch gestrichelte Magnetfeldlinien 5 angedeutet, wobei die Magnetisierung derart ist, daß die Nord-Süd-Richtung und damit die Magnetfeldlinien 5 senkrecht zur Drehachse 1a und senkrecht zur Oberfläche des Permanentmagneten 2 verlaufen. Die Nord-Süd-Richtung ist durch einen Doppelpfeil 5a dargestellt.
Das zylindrische erste Flußleitelement 4 ist von einem hülsenartigen zweiten Flußleitelement 6 umgeben, das hier durch zwei Halbzylinder 7a bzw. 7b gebildet ist. Die Halbzylinder 7a und 7b haben einen Innendurchmesser D1, der größer als ein Außendurchmesser D2 des ersten Flußleit­ elementes 4 ist, wodurch sich ein zwischen den beiden Flußleitelementen 4 bzw. 6 liegender ringförmiger Primärluftspalt 8 ergibt. Die beiden Halbzylinder 7a und 7b sind ferner in einem Abstand S1 voneinander angeordnet, wodurch zwei gegenüberliegende Sekundärluftspalte 9 bzw. 10 gebildet sind. Im Sekundärluftspalt 9 ist ein Magnetfeldsensor wie z. B. eine Hall-Sonde 11 angeordnet.
Charakteristisch für den gezeigten Drehwinkelsensor ist, daß die Länge L1 des Permanentmagneten 2, gemessen in einer Richtung, die senkrecht zur Nord-Süd-Richtung und gleichzeitig senkrecht zur Drehachse 1a ist, kleiner als die in Umfangsrichtung gemessene Länge des ringförmigen Primärluftspaltes 8 ist. Wird ein quaderförmiger Permanentmagnet 2 verwendet, so ist L1 eine Kantenlänge des Quaders, wohingegen L1 bei einem scheibenförmigen Permanentmagneten 2 gleich dem Durchmesser der Kreisscheibe ist. Die Dicke L2 des Permanentmagneten 2 in Nord-Süd- Richtung ist hier kleiner als die Länge L1.
In der gezeigten Drehstellung des Permanentmagneten 2 ist die Nord-Süd-Richtung parallel zu den Sekundärluftspalten 9 bzw. 10 und das resultierende magnetische Feld an der Hall-Sonde 11 ist aus Symmetriegründen Null. Durch Drehen des Permanentmagneten 2 vergrößert sich die resultierende magnetische Feldstärke (vgl. Fig. 1a) an der Hall-Sonde 11, wobei bei einer 90°-Drehung (vgl. Fig. 1b) die magnetische Durchflutung maximal wird. Die Hall-Sonde 11 mißt die Feldstärke und erzeugt ein dieser bzw. der Drehstellung des Permanentmagneten 2 entsprechendes elektrisches Signal, das an einer Meßleitung 12 abgreifbar ist.
Zur Messung eines vorgegebenen Drehwinkelbereichs von beispielsweise 60° kann der Drehwinkelsensor so eingebaut werden, daß der Permanentmagnet 2 an den Meßbereichsgrenzen 0° bzw. 60° um +30° bzw. -30° gegenüber der gezeigten Stellung gedreht ist (vgl. Fig. 1, 1a). Eine derartige "symmetrische Meßbereichsaufteilung" bezüglich der gezeigten Drehstellung hat den Vorteil, daß das von der Hall-Sonde 11 erzeugte elektrische Signal annähernd proportional zum Drehwinkel des Permanentmagneten 2 ist, d. h. daß der Drehwinkelsensor eine annähernd lineare Kennlinie aufweist. Für Anwendungen, bei denen ein größerer Meßbereich von beispielsweise ± 80° d. h. insgesamt 160° benötigt wird, kann eine elektrische Schaltung verwendet werden, die das von der Hall-Sonde 11 erzeugte Signal linearisiert.
Die beiden Flußleitelemente 4 bzw. 6 können beispielsweise aus einem ferromagnetischen Nickeleisenwerkstoff hergestellt sein. Als Permanentmagnetwerkstoffe können sowohl Ferrite wie z. B. kostengünstiges Ba-Ferritmagnet oder seltene Erd- Magnete verwendet werden, die in Kunststoff gebundener flexibler Form im Handel erhältlich ist. Alternativ zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist es möglich, auch im Sekundärluftspalt 10 eine Hall-Sonde vorzusehen, was eine redundante Drehwinkelbestimmung ermöglicht.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Drehwinkel­ sensors, bei dem der Permanentmagnet 2 exzentrisch bezüglich der Drehachse 1a angeordnet ist. Das Flußleitelement 4 ist hier durch die schlitzartige Ausnehmung 3 in zwei verschieden große Zylinderabschnitte geteilt, die als "magnetische Linsen" 13 bzw. 14 bezeichnet werden können. Durch die exzentrische Anordnung des Permanentmagneten 2 bzw. die unterschiedliche Größe der magnetischen Linsen 13 bzw. 14 ergibt sich gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ein anderer Feldlinienverlauf (nicht dargestellt), was für manche Anwendungen zweckmäßig sein kann.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Permanentmagnet 2 am äußeren Rand des Flußleitelementes 4 angeordnet ist, wobei die magnetische Linse 13 relativ klein ist. Alternativ dazu kann die magnetische Linse 13 auch fortgelassen sein.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Permanent­ magnet 2 unmittelbar am Rand des Flußleitelementes 4 angeordnet ist und somit in den Primärluftspalt 8 ragt. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Permanentmagnet 2 analog zu den Ausführungsbeispielen der Fig. 1-3 ebene Seitenflächen 15 bzw. 16 und eine ebene Grundfläche 17 auf. Im Unterschied zu den Ausführungsbei­ spielen 1-3 ist jedoch eine der Grundfläche 17 gegenüber­ liegende Fläche 18 konvex ausgeführt und zwar mit einem Krümmungsradius, der hier gleich dem halben Durchmesser D2/2 des ersten Flußleitelementes 4 ist. Alternativ dazu kann kann auch hier ein quaderförmiger Permanentmagnet 2, d. h. eine ebene Fläche 18 vorgesehen sein.
Alternativ zu den in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungs­ beispielen ist auch eine "umgekehrte Meßanordnung" möglich, bei der die Hall-Sonde am ersten Flußleitelement 4 und der Permanentmagnet 2 an einem der beiden Halbzylinder 7a bzw. 7b des zweiten Flußleitelementes angebracht ist.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Permanentmagnet 2 und das erste Flußleitelement 4 die Form eines Kreisringsegmentes haben. Das zweite Flußleitelement 6 ist hier ebenfalls kreisringförmig und in einem radialen Abstand S2 vom Permanentmagneten 2 angeordnet, wodurch der Primärluftspalt 8 gebildet ist. Der Sekundärluftspalt 9, in dem die Hall-Sonde 11 angeordnet ist, hat hier eine Breite S3.
Der Permanentmagnet 2 erstreckt sich über einen Winkel αund ist in einer Aussparung 19 des ersten Flußleitelementes 4 angeordnet, die sich über einen Winkel β erstreckt, der etwas größer als α ist. Die in Fig. 1 gezeigte Länge L1 des Permanentmagneten 2 ist hier also eine Bogenlänge. Die radiale Dicke D des Permanentmagneten 2 ist klein in Bezug auf seine Bogenlänge.
Der Permanentmagnet 2 ist radial magnetisiert, d. h. die Feldlinien (nicht dargestellt) treten in radialer Richtung ein bzw. aus. Folglich ist analog zu den Fig. 1 bis 4 in der gezeigten Stellung das magnetische Feld an der Hall-Sonde 11 Null.
Das erste Flußleitelement 4 erstreckt sich über einen Win­ kel δ, der beispielsweise doppelt so groß wie der Winkel α ist, was einen nutzbaren Drehwinkelbereich von ± 0,5 α d. h. insgesamt α ergibt. Der Winkel α kann beispielsweise 70° sein.
Die segmentartige Gestaltung der einzelnen Komponenten ermöglicht eine noch kompaktere Bauweise. Alternativ zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Permanentmagnet 2 auch hier eine andere Form haben, beispielsweise quaderförmig (Fig. 1 und 2) sein oder die Form einer Kreisscheibe haben. Ferner ist es möglich, ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3, auf der dem Primärluft­ spalt 8 zugewandten Seite des Permanentmagneten 2 eine magnetische Linse 13 vorzusehen.

Claims (11)

1. Drehwinkelsensor mit einem Permanentmagneten, der an einem ersten Flußleitelement befestigt ist, das sich bezüglich einer Drehachse des Drehwinkelsensors mindestens über ein Kreisringsegment erstreckt, wobei die Nord-Süd-Richtung des Permanentmagneten senkrecht zur Drehachse ausgerichtet ist,
einem zweiten sich ebenfalls mindestens über ein Kreisringsegment erstreckenden Flußleitelement, welches relativ zu dem ersten Flußleitelement um die Drehachse drehbar ist,
einem zwischen den beiden Flußleitelementen liegenden Primärluftspalt, wobei das zweite Flußleitelement einen radial verlaufenden Sekundärluftspalt aufweist, in dem ein Magnetfeldsensor angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L1) des Permanentmagneten (2) senkrecht zur Drehachse (1a) und senkrecht zur Nord-Süd-Richtung (5a) kleiner als die Länge des Primärluftspaltes (8) in Umfangsrichtung ist.
2. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Flußleitelement (4) zylinderförmig und das zweite Flußleitelement (6) hohlzylinderförmig ist und so angeordnet ist, daß es das erste Flußleit­ element (4) hülsenartig umschließt, wobei der Permanentmagnet (2) mindestens eine Fläche (17) aufweist, die eben und parallel zur Drehachse (1a) ist und über die der Permanentmagnet (2) fest mit dem ersten Flußleitelement (4) verbunden ist.
3. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Flußleitelement (4) einen parallel zur Drehachse (1a) verlaufenden Schlitz (3) aufweist, in dem der Permanentmagnet (2) angeordnet ist.
4. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (2) zentrisch bezüglich der Drehachse (1a) und in dieser liegend angeordnet ist.
5. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (2) exzentrisch bezüglich der Drehachse (1a) angeordnet ist.
6. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (2) außen am ersten Flußleitelement (4) dem Primärluftspalt (8) unmittelbar zugewandt angeordnet ist.
7. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (2) quaderförmig ist.
8. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (2) die Form einer Kreisscheibe hat.
9. Drehwinkelsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Primärluftspalt (8) zugewandte Fläche des Permanentmagneten (2) mit einem konvex ausgebilde­ ten Flußleitelement (13) verbunden ist.
10. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Flußleitelemente (4, 6) durch zwei halbe Hohlzylinder (7a, 7b) gebildet ist, wobei zwei einander gegenüberliegende Sekundärluftspalte (9, 10) vorgesehen sind.
11. Drehwinkelsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der beiden Sekundärluftspalte (9, 10) ein Magnetfeldsensor (11) angeordnet ist.
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