DE3919749A1 - Induktiver drehwinkelsensor - Google Patents
Induktiver drehwinkelsensorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Drehwinkelsensor
mit einer Primärspule und wenigstens einer vom Magnetfluß der
Primärspule durchsetzten Sekundärspule, deren Ausgangssignal ein
Maß der Winkelversetzung darstellt. Derartige Sensoren zur
berührungslosen Erfassung von Drehwinkeln und deren Umsetzung in
ein lineares elektrisches Ausgangssignal sind in den
verschiedensten Ausführungsformen bekannt geworden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach und
reproduzierbar genau herstellbaren Drehwinkelgeber zu schaffen,
der bei kleiner Baugröße eine hohe Empfindlichkeit und gute
Linearität besitzt.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im
Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Die mit Wechselspannung gespeiste Primärspule erzeugt ein
konstantes Magnetfeld, von dem die Sekundärspule(n) durchflutet
wird, in denen jeweils eine sekundäre Wechselspannung erzeugt
wird. Die Koppelspule, die als geschlossene flächenhafte
Schleife ausgebildet sein kann, wirkt als dritte
kurzgeschlossene Sekundärspule vorzugsweise mit der Windungszahl
1 und diese Koppelspule wird ebenfalls vom primär erzeugten
Magnetfluß durchsetzt. Der dadurch induzierte Kurzschlußstrom
erzeugt ein Magnetfeld, welches dem primären Magnetfeld
entgegengesetzt überlagert ist.
Bei symmetrischem Aufbau mit zwei beidseitig der Primärspule
angeordneten Sekundärspulen wird die Nullstellung dann erreicht,
wenn die Koppelspule beide Sekundärspulenflächen gleich
überdeckt. Dann sind die durch das Magnetfeld der Koppelspule
erzeugten Sekundärspannungen gleich. Bei einer Relativverdrehung
vergrößert sich in der einen Sekundärspule die von der
Koppelspule überdeckte Fläche der einen Sekundärspule, während
in der anderen Sekundärspule die überdeckte Fläche reduziert
wird.
Die Änderung der Flächenüberdeckung ist linear proportional zum
Drehwinkel. Da die induzierte Spannung über die Beziehung
proportional zur Fläche ist, ergibt sich bei linearer
Flächenänderung eine proportionale Spannungsänderung.
Die in den Sekundärspulen induzierten Spannungen werden
gleichgerichtet und die Differenz dieser Spannungen ergibt ein
drehwinkelproportionales Ausgangssignal.
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Durch die Erfindung ergeben sich die folgenden Vorteile:
Durch das Differenzprinzip ergibt sich ein symmetrischer
Aufbau, der eine Gleichtaktfehlerkompensation bewirkt. Der
Sensor ist magnetisch abgeschirmt und gegen Fremdsignale
gesichert.
Durch den Ferritschalenkern sind hohe Oszilatorfrequenzen im
Bereich vom ca. 1 MHz möglich. Dadurch ergibt sich eine hohe
Dynamik bei geringem Siebaufwand und geringer Windungszahl.
Das für die Erfindung wesentliche Koppelelement kann auf
einfache Weise aus flexiblem kupferkaschiertem
Leiterplattenmaterial reproduzierbar genau hergestellt werden.
Durch Wahl des Spulenquerschnitts ist eine einfache stabile
Kennlinienanpassung möglich und es ergibt sich eine einfache
Verstärkungsanpassung an die Drehwinkel. Eine relative
Axialverschiebung des Koppelelementes ergibt eine geringe
Beeinflussung des Anzeigewertes. Bei hoher Empfindlichkeit
kann der Sensor mit kleinen Abmessungen hergestellt werden,
beispielsweise mit einem Ferritkern von einem Durchmesser von
14 mm. Trotzdem ist die Herstellung einfach und preisgünstig.
Der erfindungsgemäße Sensor ist in erster Linie zur exakten
Messung von Drehwinkeln geeignet, es ist jedoch auch möglich,
das angegebene Koppelprinzip zur Messung linearer Verschiebungen
anzuwenden.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Axialschnitt und einen Radialschnitt eines
erfindungsgemäß ausgebildeten Drehwinkelsensors;
Fig. 2 eine Abwicklung der relativ zur Koppelspule
verdrehbaren Primär- und Sekundärspulen;
Fig. 3 eine Abwicklung der Innenseite des
Koppelelementes;
Fig. 4 einen Axialschnitt und einen Radialschnitt eines
erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors mit
umfangsmäßig überlappenden Sekundärspulen;
Fig. 5 eine Abwicklung der Spulen des Drehwinkelsensors
gemäß Fig. 4;
Fig. 6 eine Abwicklung des Koppelelementes.
Der erfindungsgemäße Drehwinkelsensor weist einen, einen Kern
(10) umgebenden Spulenkörper (12) auf, der drei Abschnitte
(12A, 12B, 12C) besitzt. Der mittlere Abschnitt (12A) erstreckt
sich über einen möglichst kleinen Teil des Umfangs und trägt die
Primärspule (14). Die beiden symmetrisch hierzu angeordneten
Seitenabschnitte (12B und 12C) erstrecken sich jeweils über ca.
120 Grad und tragen die Sekundärspulen (16B bzw. 16C). Dieses
Spulenkörpersystem ist demgemäß zylinderrohrförmig ausgebildet
und weist rahmenförmige Wickelkanäle für die Primärwicklung (14)
bzw. die Sekundärwicklung (16B, 16C) auf.
Bei einer Ausführungsform als Differentialdrossel mit zwei
fremderregten Wicklungen könnten diese sich jeweils über knapp
die Hälfte des Umfanges erstrecken.
Dieses Spulenkörpersystem wird von einem topfkernförmigen
Leitelement (18) aus ferritischem Material umschlossen, welches
die innerhalb des Leitelementes befindlichen Spulen abschirmt
und den magnetischen Rückschluß bewirkt. Im Luftspalt zwischen
dem Spulenkörper und dem zylindrischen Leitelement befindet sich
ein Koppelelement, welches aus einer kupferkaschierten flexiblen
Platte (20) besteht, auf der die Koppelspule (22) aufkaschiert
ist. Diese Leiterplattenfolie (20) ist auf der Innenseite des
Leitelementes (18) festgelegt und die Koppelspule in Gestalt
einer einzigen kurzgeschlossenen Windung (22) (vgl. Fig. 2 und
3) erstreckt sich über einen Teil des Umfanges. In der in Fig. 1
dargestellten Mittelstellung werden gleiche Flächenabschnitte
der Koppelspule (22) von den Sekundärspulen (16B, 16C) bedeckt.
Der ausnutzbare Drehwinkel umfaßt jenen Bereich, in welchem sich
die Primärspule (14) innerhalb des von der Koppelspule (22)
umschlossenen Bereichs bewegt, d. h. solange der von der
Primärspule (14) erzeugte Magnetfluß die Koppelspule (22)
vollständig durchsetzt.
Die Primärspule (14) wird mit Wechselspannung gespeist und die
beiden Sekundärspulen (16B und 16C) werden von dem durch die
Primärspule erzeugten konstanten Magnetfeld durchflutet und in
ihnen wird eine sekundäre Wechselspannung erzeugt. Der in der
Koppelspule (22) durch den Magnetfluß induzierte Kurzschlußstrom
erzeugt seinerseits in den Sekundärwicklungen eine Spannung, die
sich der induzierten Spannung überlagert. In der in Fig. 1
dargestellten Stellung überdeckt die Koppelspule (22) beide
Sekundärspulen (16B, 16C) flächengleich und daher sind auch die
Ausgangsspannungen der Sekundärspulen einander gleich, d. h. die
Differenz wird Null. Die Änderung der Flächenüberdeckung ist
linear proportional zum Drehwinkel und da die induzierte
Spannung proportional zur Fläche ist, ergibt sich bei linearer
Flächenänderung eine lineare Spannungsdifferenzänderung. Die in
den Sekundärspulen (16B und 16C) induzierten Spannungen werden
gleichgerichtet und die Differenz der beiden Spannungen ergibt
ein drehwinkelproportionales Ausgangssignal.
Mit dem in Fig. 1 dargestellten rechtwinklig ausgeführten
Spulensystem können Drehwinkel bis +/- 45 Grad mit
Linearitätsabweichungen mit nur 1% bis 2% erreicht werden. Zur
Vergrößerung des Drehwinkelbereiches kann eine Anordnung gemäß
Fig. 4-6 vorgesehen werden, wobei die Sekundärspulen (116B und
116C) dreieckförmig (Fig. 5) ausgebildet sind und sich in
Umfangsrichtung überlappen. Diese Sekundärspulen werden über
ihren vollen Bereich von einer rechteckig ausgeführten
Primärspule (114) überdeckt und hierbei können Drehwinkel bis
zu ca. 240 Grad mit Linearitätsfehler von nur ca. 2% erfaßt
werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die
Koppelspule (122) des Koppelelementes nur über einen relativ
schmalen Winkelbereich und der Drehwinkel ist durch die Breite
der Primärspule (114) bestimmt. Hier ist jener Winkelbereich
ausnutzbar, bei dem die Koppelspule (122) innerhalb der
Primärspule (114) befindlich ist und immer die gleiche Spannung
in der Koppelspule induziert wird. Durch eine vorbestimmte
Formgebung der Koppelschleife können Linearitätsabweichungen
verringert und die Linearität verbessert werden.
Für kleine Drehwinkel kann durch Anpassung von Schleifenlänge,
Schleifenbreite und Schleifendicke eine optimale Empfindlichkeit
eingestellt werden. Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße
Drehwinkelsensor mit einer Frequenz von ca. 1 MHz gespeist.
Claims (16)
1. Induktiver Drehwinkelsensor mit einer Primärspule und
wenigstens einer vom Magnetfluß der Primärspule durchsetzten
Sekundärspule, deren Ausgangsspannung ein Maß der
Winkelversetzung darstellt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspule (14)
und die Sekundärspule(n) (16) drehfest miteinander verbunden und
relativ zu einer vom Magnetfluß der Primärspule (14)
durchsetzten kurzgeschlossenen Koppelspule (22) drehbar sind und
daß die magnetische Kopplung zwischen Koppelspule (22) und
Sekundärspule(n) (16) und/oder Primärspule (14)
drehwinkelabhängig veränderbar ist.
2. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß in jeder auswertbaren
Winkelstellung der die Primärspule (14) und die Koppelspule
gleichzeitig durchsetzende Magnetfluß konstant ist.
3. Drehwinkelsensor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspule (14)
im gesamten auswertbaren Winkelbereich innerhalb der Koppelspule
(22) liegt.
4. Drehwinkelsensor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelspule (122)
im gesamten auswertbaren Winkelbereich zwischen den seitlichen
Begrenzungen der Primärspule (114) liegt.
5. Drehwinkelsensor nach den Ansprüchen 1-4,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sekundärspulen
(16B, 16C) symmetrisch gegenüber der Primärspule (14) und der
Koppelspule (22) derart angeordnet sind, daß bei Relativdrehung
die Kopplung zwischen Koppelspule (22) und der einen
Sekundärspule (16B) fester und der anderen Sekundärspule (16C)
loser wird.
6. Drehwinkelsensor nach den Ansprüchen 1-5,
dadurch gekennzeichnet daß die Sekundärspulen
(116B, 116C) sich gegenseitig in Umfangsrichtung überlappen.
7. Drehwinkelsensor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspulen
(116B, 116C) dreieckförmig ausgebildet sind.
8. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1 - 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung
(14) und die Sekundärwicklungen (16) einen zentralen
Magnetkern (10) umgeben und von einem relativ hierzu verdreh
baren ringförmigen, den magnetischen Rückschluß bewirkenden
Leitelement (18) umschlossen sind, das auf seiner Innenseite die
Koppelspule (22) trägt.
9. Drehwinkelsensor nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelspule (22)
aus einer einzigen kurzgeschlossenen Windung besteht.
10. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1-9,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die Koppelspule
(22) über einen Teil des Umfangs erstreckt.
11. Drehwinkelsensor nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement aus
einem topfförmigen Ferritkörper (18) besteht.
12. Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement
(20) aus einer mit Kupfer kaschierten flexiblen
Leiterplattenfolie (20) besteht.
13. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1-12,
dadurch gekennzeichnet, daß die in den
Sekundärspulen (16B, 16C) induzierten Spannungen gleichgerichtet
und die Differenz dieser beiden Spannungen ein
drehwinkelproportionales Ausgangssignal liefert.
14. Drehwinkelsensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet daß die Koppelspule (122)
im Bereich einer breiten Primärspule (114) derart versetzbar
ist, daß der Anteil des die Koppelspule (122) durchsetzenden,
von der Primärspule induzierten Magnetflusses immer gleich ist.
15. Drehwinkelsensor nach einem der Ansprüche 1-14,
dadurch gekennzeichnet, daß durch geometrische
Formgebung der Koppelspule (22, 122) eine
Linearisierungskorrektur erfolgt.
16. Distanzsensor,
gekennzeichnet durch eine lineare Abwicklung des
Spulen- und Trägeraufbaus nach einem oder mehreren der Ansprüche
1-15.
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Publications (2)
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DE3919749A1 true DE3919749A1 (de) | 1991-01-03 |
DE3919749C2 DE3919749C2 (de) | 1992-07-23 |
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ID=6382903
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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