DE4121805A1 - Drehwinkelgeber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelgeber mit mindestens zwei Spulen, mehreren stationären Koppel­ kernteilen und einem auf einer Welle angeordneten ferromagnetischen Koppelelement, mit dem die Kopp­ lung zwischen den Spulen drehwinkelabhängig verän­ derbar ist.

Es sind bereits Positionsgeber für lineare Bewegun­ gen bekannt, bei denen ein beweglicher ferromagneti­ scher Eisenkern gegenüber mehreren, meist hinterein­ ander angeordneten Spulen bewegbar ist. Je nach Stel­ lung des Kerns wird die Kopplung zwischen den Spulen verändert und diese Veränderungen werden durch ent­ sprechende Meßschaltungen ausgewertet. Häufig werden die Spulen zu einem Differentialtransformator zusam­ mengeschaltet, d. h., eine Spule dient als Primärspu­ le, während zwei andere, gegeneinander geschaltete Spulen als Sekundärspule angeschlossen werden. Es ist auch möglich, anstelle der Kopplung die Indukti­ vitätsänderungen der Spulen durch den beweglichen Ei­ senkern auszuwerten. Schließlich können solche Posi­ tionsgeber auch als Drehwinkelgeber ausgebildet wer­ den, bei denen der Eisenkern eine bogenförmige Be­ wegung ausführt, so daß der Drehwinkel einer Welle abgetastet werden kann.

Aus der DE-OS 31 41 015 ist ein solcher Drehwinkel­ geber bekannt, bei dem ein exzentrisch auf einer Welle gelagertes, ferromagnetisches Koppelelement bei Verdrehung den Abstand zu den Polen mehrerer Spulen verändert. An eine aus mehreren Teilspulen bestehende Primärspulenanordnung wird eine Wechsel­ spannung gelegt, während an einer anderen Spulenan­ ordnung aus mehreren Teilspulen die induzierte Aus­ gangsspannung gemessen wird. Diese Ausgangsspannung hängt von der Stellung des drehbaren Eisenkerns ab. Sowohl dieser bekannte Drehwinkelgeber als auch an­ dere bekannte Ausführungsformen haben einen verhält­ nismäßig aufwendigen Aufbau und hohen Platzbedarf, so daß häufig anstelle solcher berührungsloser oder verschleißloser Drehwinkelgeber Abtaster mit Wider­ standsbahnen eingesetzt werden, die jedoch höhere Betätigungskräfte und vor allem Verschleiß bedeuten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu­ grunde, einen Drehwinkelgeber zu schaffen, der berührungslos und damit praktisch verschleißfrei arbeitet, einfach aufgebaut ist und nur einen ge­ ringen Platzbedarf hat.

Diese Aufgabe wird bei einem Drehwinkelgeber der an­ fangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Spulen ringförmig und die Koppelkernteile ring- bzw. ring­ sektorförmig ausgebildet, konzentrisch zur Welle an­ geordnet und axial hintereinander gestapelt sind, und daß das ferromagnetische Koppelelement innerhalb des Innendurchmessers dieser ringförmigen bzw. ring­ sektorförmigen Teile vorgesehen ist und sich über im wesentlichen die gesamte axiale Länge dieser gesta­ pelten Teile erstreckt.

Ein solcher Aufbau hat den wesentlichen Vorteil, daß die einzelnen Bauteile, nämlich Spulen und statio­ näre Koppelkernteile in einfache Weise axial gesta­ pelt werden können, ohne daß etwa eine aufwendige Bewicklung von Polschuhen und komplizierte Montage der stationären Koppelkernteile erforderlich ist.

Das ferromagnetische Koppelelement ist vorzugsweise als ein konzentrisch auf der Welle angeordneter Halb­ zylinder ausgebildet und erstreckt sich axial von dem ersten bis zum letzten Koppelkernteil. Dieses ferromagnetische Koppelelement besteht vorzugsweise aus zwei spiegelbildlich hintereinander auf der Wel­ le befestigten Ziehblechteilen aus Dynamoblech. Es ist jedoch auch möglich, das Ganze einstückig aus Ferritmaterial herzustellen. Die Koppelkernteile be­ stehen zweckmäßigerweise aus mehreren axial geschichteten Blechen, die miteinander vernietet oder verschweißt sind.

Eine erste, vorteilhafte Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Drehwinkelgebers ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - ein erstes Koppelkernteil, das sich über einen Ringsektor von ca. 180° erstreckt,
• - eine erste ringförmige Spule,
• - ein zweites Koppelkernteil, das sich über einen Ringsektor von 360° erstreckt,
• - eine zweite ringförmige Spule und
• - ein drittes Koppelkernteil, das sich über einen Ringsektor von ca. 180° erstreckt, aber gegenüber dem ersten Koppelkernteil um 180° verdreht ist, axial hintereinander angeordnet sind.

Bei diesem Drehwinkelgeber wird die Kopplung zwischen zwei Spulen durch das bewegliche, ferromagnetische Koppelelement gesteuert.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform, bei der der Drehwinkelgeber nach dem Pinzip des Differential­ transformators arbeitet, ist dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein erstes Koppelkernteil,
• - eine erste ringförmige Spule,
• - ein zweites Koppelkernteil,
• - eine zweite ringförmige Spule,
• - ein drittes Koppelkernteil,
• - eine dritte ringförmige Spule, und
• - ein viertes Koppelkernteil

axial hintereinander angeordnet sind, daß die Koppel­ kernteile sich jeweils über einen Ringsektor von ca. 180° erstrecken, wobei das erste und das dritte Kop­ pelkernteil im gleichen Winkel zueinander, das zwei­ te und das vierte Koppelkernteil jedoch um 180° zu dem ersten und dritten Koppelkernteil versetzt ange­ ordnet sind, und daß die erste und dritte Spule zu­ sammen mit der zweiten Spule einen Differentialtrans­ formator bilden.

Diese Ausführungsform zeichnet sich durch eine sehr gute Linearität der Beziehung zwischen der Ausgangs­ spannung und dem Drehwinkel aus.

Die Spulen des Drehwinkelgebers lassen sich dann be­ sonders einfach herstellen und haltern, wenn die ringförmigen Spulen in etwa ringförmigen Spulen­ körpern aus Kunststoff angeordnet sind. Ist ein solcher Spulenkörper dann noch an einer ersten End­ fläche mit einem sektorförmigen, insbesondere halb­ sektorförmigen Ausschnitt zur Aufnahme eines sektor­ förmigen, insbesondere halbsektorförmigen Koppelkern­ teils versehen, so sind diese beiden Teile (Spule und Koppelkernteil) bereits sicher in ihrer gegensei­ tigen Position fixiert. Zweckmäßigerweise sind die Spulenkörper sowie die ring- bzw. ringsektorformigen Koppelkernteile durch formschlüssig aneinandergrei­ fende Vorsprünge bzw. Aussparungen winkelgerecht zueinander und gegenüber einem Gehäuse fixiert. Auf diese Weise können besondere Befestigungsmittel ent­ fallen; es ist lediglich erforderlich, die Teile in der richtigen Reihenfolge und Position zueinander axial hintereinander in dem Gehäuse zu stapeln.

Da die sektorförmigen, insbesondere halbsektorförmi­ gen Koppelkernteile abwechselnd in versetzter Posi­ tion montiert und gehaltert werden müssen, weisen die Spulenkörper gemäß einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung an der ersten Endfläche im Sektor neben dem Ausschnitt vorzugsweise einen axialen Vorsprung und an der anderen, zweiten Endflä­ che im Sektor des Ausschnittes eine zum Vorsprung komplementäre Aussparung auf, so daß die Spulenträ­ ger um 180° gegeneinander verdreht gestapelt und winkelgerecht zueinander fixiert sind.

Das Gehäuse besteht zweckmäßigerweise aus einem zy­ lindrischen Umfangsteil aus magnetisch leitfähigem Material und zwei kreisförmigen Lagerdeckeln aus nichtmagnetischem Material, in denen die Welle in entsprechenden Lagern gelagert ist.

Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform, teilweise im Schnitt und teilweise in auseinander­ gezogener Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise;

Fig. 2 eine Darstellung eines Spulenkörpers mit Spule und einem Koppelkernteil, teilweise im Schnitt und teilweise in auseinanderge­ zogener Darstellung;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Gehäuse des Drehwinkelgebers; und

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung zur Erläuterung der Funktionsweise einer weiteren Ausführungsform.

Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehwinkelgebers, wie in Fig. 1 gezeigt, besteht aus in Axialrichtung um jeweils 180° zueinander verdreht im Abstand voneinander gestapelten ferromagnetischen Koppelkernteilen 21, 22, 23 und 24, die die Form von Halbkreissegmenten haben, wie im oberen Teil der Fig. 1 angedeutet.

Zwischen den Koppelkernteilen 21, 22, 23, 24 sind ringförmige Spulen 11, 12, 13 angeordnet. Die beiden äußeren Spulen 11 und 13 bilden z. B. gegeneinander geschaltete Sekundärspulen eines Differentialtrans­ formator, während die mittlere Spule 12 dann als Primärwicklung wirkt.

Innerhalb des Innenradius der Koppelkernteile 21, 22, 23, 24, und auch innerhalb der Spulen 11, 12, 13, ist ein auf einer Welle 5 drehbar gelagertes ferromagnetisches Koppelelement 6 angeordnet, wie es im linken Teil der Fig. 1 sowohl im Längsschnitt als auch in Draufsicht dargestellt ist. Das magnetisch wirksame Teil des ferromagnetischen Koppelelementes 6 ist ein Halbzylinder 7, der über einen Halbkreisab­ schnitt 8 an der Welle 5 auf geeignete Weise befe­ stigt ist. Im Beispiel der Fig. 1 besteht das Koppel­ element 6 aus zwei spiegelbildlich zueinander ange­ ordneten Ziehblechteilen 6a und 6b aus Dynamoblech. Es ist jedoch auch möglich, das Koppelelement 6 einstückig aus Ferritmaterial zu formen und auf der Welle 5 zu befestigen.

Das Koppelelement 6 wurde der Übersichtlichkeit hal­ ber in Fig. 1 nicht im Innern des Innenradius der Koppelkernteile 21 bis 24 sowie der Spulen 11 bis 13 eingezeichnet. Aus der gegenseitigen Lage im unteren Teil der Fig. 1 geht jedoch hervor, daß sich der Halbzylinder 7 des Koppelelementes 6 in Axialrich­ tung über den vollen Abstand des ersten und vierten Koppelkernteils 21 bzw. 24 erstreckt. Wird die Welle 5 mit dem Koppelelement 6 aus der in Fig. 1 gezeich­ neten Stellung in eine dazu um 180° verdrehte Stel­ lung bewegt, so verändert sich die Kopplung zwischen der Spule 12 und den beiden gegeneinander geschalte­ ten Spulen 11 und 13. Werden diese Spulen 11 bis 13 als Differentialtransformator geschaltet, so verän­ dern sich also Amplitude und Phasenlage am Ausgang der Spulen 11 und 13, wenn an die Primärspule eine Wechselspannung angelegt wird. Es ist jedoch auch möglich, die Kopplungsänderungen zwischen den Spulen 11 bis 13 auf andere geeignete Weise auszuwerten. Denkbar ist auch eine Auswertung der Induktivitätsän­ derungen in den Spulen 11 bis 13.

Fig. 2 zeigt nun, wie jede der Spulen 11 bis 13 in je einem Wickelkörper 9 (Wickelkörper 9a bis 9d in Fig. 1) gehaltert werden kann. Der Spulenkörper 9 hat eine etwa ringförmige Form. Eine erste Endfläche 15 des Spulenkörpers 9 ist mit einem halbsektorför­ migen Ausschnitt 17 versehen, in den das zugehörige Koppelkernteil 21 bis 24 hineinpaßt. Darüber hinaus weist die erste Endfläche 15 einen Vorsprung 18 auf, während die gegenüberliegende, zweite Endfläche 16 eine dementsprechende Aussparung 19 hat. Werden nun mehrere Spulenkörper 9a bis 9d (siehe Fig. 1), je­ weils um 180° gegeneinander verdreht, axial gesta­ pelt, so greift jeweils ein Vorsprung 18 z. B. des Spulenkörpers 9a in eine Aussparung 19 des nächsten Spulenkörpers 9b, usw. Diese Vorsprünge 18 und Aus­ sparungen 19 fixieren also die genaue Winkelposition der Spulenkörper 9a bis 9d zueinander.

Die Spulenkörper 9 (siehe Fig. 2) sind mit einer ringförmigen Rinne 14 versehen, in die die zuge­ hörige Spule 11 bis 13 eingelegt und z. B. durch Kleben befestigt wird. Die Spulen 11 bis 13 sind mit Anschlüssen 10 versehen. Fig. 1 zeigt außerdem, daß der (in der Zeichnung) obere Spulenkörper 9a keine in die Rinne 14 eingelegte Spule aufweist, sondern nur die nachfolgenden drei Spulenkörper 9b, 9c und 9d. Der Spulenkörper 9a wird jedoch für die winkel­ gerechte Halterung des Koppelkernteils 21 benötigt.

Schließlich ist in den Fig. 1 und 2 auch noch ge­ zeigt, daß sowohl die Spulenkörper 9a bis 9d als auch die Koppelkernteile 21 bis 24 am Umfang mit Aus­ schnitten 20 versehen sind, die zur winkelgerechten Fixierung in einem Gehäuse verwendet werden und die Anschlußdrähte 10 der Spulen 11-13 aufnehmen können.

Fig. 3 zeigt nun das Beispiel eines Gehäuseaufbaus für den erfindungsgemäßen Drehwinkelgeber. Das Ge­ häuse 1 besteht aus einem zylindrischen Umfangsteil 2 aus magnetisch leitfähigem Material, insbesondere Stahl, in das an beiden Enden Lagerdeckel 3 aus nichtmagnetischem Material eingepaßt sind. Jeder der Lagerdeckel 3 trägt ein entsprechendes Lager 4 zur Lagerung der Welle 5 für das Koppelelement 6. Das zylindrische Umfangsteil 2 dient gleichzeitig als Eisenrückschluß für die magnetischen Kreise der drei Spulen 11 bis 13 im Zusammenhang mit den Koppelkern­ teilen 21 bis 24.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 besteht also aus einem ersten Koppelkernteil 21, einer ersten ringför­ migen Spule 11, einem zweiten Koppelkernteil 22, einer zweiten ringförmigen Spule 12, einem dritten Koppelkernteil 20, einer dritten ringförmigen Spule 13 und einem vierten Koppelkernteil 24, die axial hintereinander angeordnet sind. Die Koppelkernteile 21 und 23 sind in gleicher Winkelposition zueinander angeordnet, während die Koppelkernteile 22 und 24 diesen gegenüber jedoch um 180° versetzt angeordnet sind. Die ringförmigen Spulen 11 bis 13 sind hierbei auf Spulenkörpern 9b, 9c bzw. 9d angeordnet, während der obere Spulenkörper 9a keine Wicklung trägt. In dieser Konfiguration wird zusammen mit dem drehbaren Koppelelement 6 ein Differentialtrafo gebildet, wenn z. B. die Spule 12 als Primärspule dient und die Spu­ len 11 und 13 gegeneinander geschaltet die Sekundär­ spule darstellen.

Fig. 4 zeigt nun eine andere Ausführungsform in sche­ matischer Darstellung, die jedoch konstruktiv ebenso aufgebaut sein kann wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt.

Der Drehwinkelgeber nach Fig. 4 weist ein erstes Koppelkernteil 31 auf, das sich über einen Ringsek­ tor von ca. 180° erstreckt. Dann kommen eine erste ringförmige Spule 11 und ein zweites Koppelkernteil 32, das sich über einen Ringsektor von 360° er­ streckt, also einen vollen Ring bildet. Danach kommen eine zweite ringförmige Spule 12 sowie ein drittes Koppelkernteil 33, das sich wiederum über nur einen Ringsektor von ca. 180° erstreckt, aber gegenüber dem ersten Koppelkernteil 31 um 180° ver­ dreht ist. Innerhalb dieser Koppelkernteile 31 bis 33 und der Spulen 11 und 12 ist ein drehbares Kop­ pelelement 6 angeordnet (nicht gezeigt), wie es für das erste Ausführungsbeispiel in Fig. 1 gezeigt ist. Aufgrund der nur zwei Spulen 11 und 12 kann dieser Drehwinkelgeber nach Fig. 4 nicht als Differen­ tialtransformator, sondern nur als Transformator mit drehwinkelabhängiger Kopplung zwischen den beiden Spulen 11 und 12 betrieben werden.

Claims (11)

1. Drehwinkelgeber mit mindestens zwei Spulen, mehreren stationären Koppelkernteilen und einem auf einer Welle angeordneten ferromagnetischen Koppelelement, mit dem die Kopplung zwischen den Spulen drehwinkelabhängig veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spulen (11, 12, 13) ringförmig und die Kop­ pelkernteile ring- bzw. ringsektorförmig ausgebil­ det, konzentrisch zur Welle (5) angeordnet und axial hintereinander gestapelt sind, und
daß das ferromagnetische Koppelelement (6) innerhalb des Innendurchmessers dieser ringförmigen bzw. ring­ sektorförmigen Teile (11-13; 21-24; 31-33) vorgese­ hen ist und sich über im wesentlichen die gesamte axiale Länge dieser gestapelten Teile (11-13; 21-24; 31-33) erstreckt.

2. Drehwinkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Kop­ pelelement (6) als ein konzentrisch auf der Welle (5) angeordneter Halbzylinder (7) ausgebildet ist und sich axial von dem ersten bis zum letzten Koppel­ kernteil (21/24; 31/33) erstreckt.

3. Drehwinkelgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Kop­ pelelement (6) aus zwei spiegelbildlich hintereinan­ der auf der Welle (5) befestigten Ziehblechteilen (6a, 6b) aus Dynamoblech besteht.

4. Drehwinkelgeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der ring- oder ringsektorförmigen Koppelkernteile (21-24; 31-33) aus mehreren, axial geschichteten Blechen besteht.

5. Drehwinkelgeber nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein erstes Koppelkernteil (31), das sich über einen Ringsektor von ca. 180° erstreckt,
• - eine erste ringförmige Spule (11),
• - ein zweites Koppelkernteil (32), das sich über einen Ringsektor von 360° erstreckt,
• - eine zweite ringförmige Spule (12) und
• - ein drittes Koppelkernteil (33), das sich über einen Ringsektor von ca. 180° erstreckt, aber gegenüber dem ersten Koppelkernteil (31) um 180° verdreht ist, axial hintereinander angeordnet sind.

6. Drehwinkelgeber nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein erstes Koppelkernteil (21),
• - eine erste ringförmige Spule (11),
• - ein zweites Koppelkernteil (22),
• - eine zweite ringförmige Spule (12),
• - ein drittes Koppelkernteil (23),
• - eine dritte ringförmige Spule (13), und
• - ein viertes Koppelkernteil (24) axial hintereinander angeordnet sind,
  daß die Koppelkernteile (21-24) sich jeweils über einen Ringsektor von ca. 180° erstrecken, wobei das erste und das dritte Koppelkernteil (21, 23) im glei­ chen Winkel zueinander, das zweite und das vierte Koppelkernteil (22, 24) jedoch um 180° zu dem ersten und dritten Koppelkernteil (21, 23) versetzt angeord­ net sind, und
  daß die erste und dritte Spule (11, 13) zusammen mit der zweiten Spule (12) einen Differentialtransforma­ tor bilden.

7. Drehwinkelgeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Spulen (11-13) in etwa ringförmigen Spulenkörpern (9) aus Kunststoff gehaltert sind.

8. Drehwinkelgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenkörper (9) an einer ersten Endfläche (15) mit einem sektorförmi­ gen, insbesondere halbsektorförmigen Ausschnitt (17) zur Aufnahme eines sektorförmigen, insbesondere halb­ sektorförmigen Koppelkernteils (21-24; 31, 33) verse­ hen sind.

9. Drehwinkelgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenkörper (9) sowie die ring- bzw. ringsektorförmigen Koppelkern­ teile (21-24; 31-33) durch formschlüssig aneinander­ greifende Vorsprünge (18) bzw. Aussparungen (19, 20) winkelgerecht zueinander und gegenüber einem Gehäuse (1) fixiert sind.

10. Drehwinkelgeber nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenkörper (9) an der ersten Endfläche (15) im Sektor neben dem Aus­ schnitt (17) mit einem axialen Vorsprung (18) und an der anderen, zweiten Endfläche (16) im Sektor des Ausschnittes (17) mit einer zum Vorsprung (18) kom­ plementären Aussparung (19) versehen ist, so daß die Spulenkörper (9a-9d) um 180° gegeneinander verdreht gestapelt und winkelgerecht zueinander fixiert sind.

11. Drehwinkelgeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (1), das aus einem zylindrischen Umfangsteil (2) aus magnetisch leit­ fähigem Material und zwei kreisförmigen Lagerdeckeln (3) aus nichtmagnetischem Material bestehen, in denen die Welle (5) gelagert ist.