DE4139194C2 - Impulsdrehzahlsensor, insbesondere für Antiblockierregelsysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Impulsdrehzahlsensor, insbesondere einen Raddrehzahlsensor für Antiblockierregelsysteme mit einem massiv ausgebildeten Polkern und einem Permanentmagneten, dessen magnetische Feldlinien im wesentlichen parallel zur Längsachse des Polkerns verlaufend aus dem Sensorgehäuse nach einem Impulsgeber­ zahnrad austreten, und mit einer den Polkern wenigstens über einen Teil ihrer axialen Länge umschließenden Abnehmerspule.

Derartige Sensoreinrichtungen arbeiten ohne Fremderregung, d. h. das Magnetfeld, welches durch den sich ändernden Luftspalt am Impulsgeberzahnrad geändert wird, wird allein durch den Permanentmagneten erzeugt, und die Flußänderungen werden über die Abnehmerspule abgenommen. Der Stirnseite des aus einem weichmagnetischen Material bestehenden Polstiftes steht das Impulsgeberzahnrad oder eine Lochscheibe gegenüber, wobei der Luftspalt zwischen Rotor und Sensor etwa 0,5 bis 1 mm beträgt. Die Magnetfeldänderung in der Abnehmerspule, hervorgerufen durch den sich ändernden Luftspalt, induziert eine Induktionsspannung, deren Frequenz proportional zur Rotordrehzahl ist. Die Induktionsamplitude ist dabei abhängig von Drehzahl und Luftspalt. Da derartige Sensoren extremen Umweltbedingungen ausgesetzt sind (Temperatur, Feuchtigkeit, Vibrationen, Störeinstrahlungen, usw.), müssen Aufbau, Kontaktierung und Spannungsabgabe optimiert werden. Bei Raddrehzahlsensoren besteht weiter die wichtige Forderung nach einer möglichst geringen Abmessung des Sensors.

Ein gattungsgemäßer Impulsdrehzahlsensor ist aus der DE 36 28 585 A1 bekannt. Hierbei liegt der Permanentmagnet stirn­ seitig der hinteren, d. h. der dem Impulsgeberzahnrad abgewandten Stirnseite des Polkerns an und wird teilweise von der Abnehmer­ spule umschlossen. Die dem Polkern abgewandte Stirnseite des Permanentmagneten liegt einer Rückschlußscheibe an. Der Polkern ist gestuft ausgebildet, um weiteren Wicklungsraum zu schaffen.

Durch diesen Stufenaufbau bedingt kann die Montage nur von der Rückseite her vorgenommen werden, so daß hierbei Platz freige­ lassen werden muß, der z. B. für automatengerechte Kontaktie­ rungsanordnungen nicht mehr zur Verfügung steht, bzw. nur über eine Vergrößerung des Bauvolumens erreicht werden kann.

Die US-PS 40 45 738 beschreibt eine Sensoranordnung, bei der in ein zylinderförmiges Gehäuse mit Mittelpolstift eine Abnehmer­ spule eingebaut ist. An der dem Zahnrad zugewandten Seite ist am Mittelpolstift ein Permanentmagnet befestigt. Der Magnetfluß gelangt so über den Mittelpolstift, den Topfrand und den Arbeitsluftspalt in den Rotor, wird dort aufgrund des wechseln­ den magnetischen Widerstandes moduliert und induziert dadurch eine Induktionsspannung in der Abnehmerspule. Dies erfordert einen hohen Montageaufwand, insbesondere was die Kontaktierung und Zugentlastung des Anschlußkabels betrifft. Bei kleinen Zähnen ist nur ein kleiner Magnet einsetzbar, d. h. eine größere Ausgangsspannung ist nur über längere Magnete zu erreichen.

Die DE 39 27 007 A1 beschreibt einen Sensor zur Erfassung von Bewegungen, insbesondere der Drehzahl einer umlaufenden Zahn­ scheibe, bei welchem ein zentraler Polkern vorgesehen ist, der stirnseitig den Zähnen der Zahnscheibe gegenüberliegt. Die Zahnscheibe ist dabei als innenverzahnter Ring oder als außen­ verzahnte Scheibe ausgebildet. Im ersteren Fall erstreckt sich der Polkern fast über den Innendurchmesser der Zahnscheibe und steht mit seinen beiden Enden in geringem Abstand den Zähnen gegenüber. Im letzteren Fall steht der Sensor nach außen vor. Diesem Polkern liegen in dem der Zahnscheibe benachbarten End­ abschnitt bzw. den Endabschnitten diametral gegenüberliegend Permanentmagnete an, die bezüglich der Achse des Polkerns radial gepolt sind, wobei gleichnamige Pole der beiden diametral gegen­ überliegenden Permanentmagnete dem Polkern anliegen. Die Abneh­ merspule umschließt den Polkern, nicht aber die Permanentmagne­ te, die axial an die Abnehmerspule anschließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Impulsdrehzahlsensor zu schaffen, der unter Vermeidung der beschriebenen Nachteile bei kleinen äußeren Abmessungen zuver­ lässig hohe Signalamplituden liefert.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungs­ teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß ein Teil der magnetischen Feld­ linien sich über den zylindrischen Abschnitt des Polkerns schließt, der den Permanentmagneten umgibt und seinerseits wenigstens teilweise von der Abnehmerspule umgeben ist, so daß die Magnetfeldänderungen in diesem zylindrischen Abschnitt durch die Spulenwicklung erfaßt werden kann.

Der Einbau des Magneten in den topfartigen Endabschnitt des Polkerns bewirkt, daß ein für ein bestimmtes Ausgangssignal notwendiges Magnetvolumen effizienter wirkt als bei axialer Hintereinanderschaltung von Polkernstift und Permanentmagnet.

Durch die bei der Hintereinanderschaltung sich ergebenden Ab­ standsvergrößerung zum Rotor wird die induzierte Ausgangsspan­ nung reduziert. Dadurch, daß erfindungsgemäß der Permanentmag­ net in den Polkern eingelassen ist, wird diese Abstandsvergröße­ rung wieder kompensiert und die Ausgangsspannung erhöht. Durch geeignete Ausbildung der Bohrungskonturen kann bei gegebenen Rotorabmessungen ein Maximum an Ausgangsspannung erreicht werden.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß aufgrund der optimalen Permanentmagnetanordnung ein kleiner, preiswerter Magnet aus­ reicht und dieser keinen zusätzlichen Raum benötigt, wobei er durch den zylindrischen Abschnitt des Polkerns seitlich weit­ gehend abgeschirmt ist.

Weiterhin kann, da die Magnetflußkonzentration im wesentlichen im vorderen Bereich erfolgt, der hintere Teil des Polkerns mit einer Bohrung versehen werden, ohne daß die Ausgangsspannung wesentlich verringert wird, und in diese axiale Bohrung kann beispielsweise eine Toleranzausgleichsfeder eingesetzt werden, wodurch die Sensorabmessungen nochmals reduziert werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Magnet-Polstift­ anordnung beliebig von vorn oder hinten her montiert werden kann. Bei einer Montage von der Rotorseite her ist der gegen­ überliegende Raum für Kontaktierung, Abdichtung usw. voll verfügbar.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1A und 1B zwei Axialschnitte von erfindungsgemäß ausgebildeten Impulsdrehzahlsensoren;

Fig. 2A-2C unterschiedliche Polkernformen, betrachtet in einer axialen Ansicht in Richtung des in Fig. 1A angegebenen Pfeiles II.

Fig. 3A-3F Teilschnitte des Polkerns mit eingesetztem Permanentmagneten mit unterschiedlicher Formgebung.

In den Fig. 1A und 1B sind nur die für die Erfindung wesentlichen Teile des Impulsdrehzahlsensors schematisch dargestellt. Es sind dies der Polkern 10 mit in eine axiale Ausnehmung 12 der vorderen Stirnseite eingesetztem Permanentmagneten 14 und eine Abnehmerspule 16, die auf einem den Polkern umschließenden Spulenträger 18 aufgewickelt ist. Dieser Aufbau ist in üblicher Weise in einem nicht dargestellten Gehäuse derart untergebracht bzw. eingegossen, daß die in Fig. 1A und 1B untere Stirnfläche 20 von Polkern 10 bzw. der hiermit fluchtenden Stirnfläche des Permanentmagneten 14 einer dünnen, nicht ferromagnetischen, in der Zeichnung nicht dargestellten Gehäusewand anliegt, die dem Impulsgeber, z. B. einem am Rad befestigten Zahnrad oder einer Lochscheibe mit geringem Luftspalt gegenübergestellt werden kann. Die Stirnseiten von Permanentmagnet und Polkern fluchten mit dem Spulenträger.

Der Permanentmagnet 4 liegt mit seiner hinteren Stirnfläche (gemäß Fig. 1A und 1B oberen Stirnfläche) dem Boden der Ausnehmung 12 ohne Luftspalt an, so daß die von ihm ausgehenden magnetischen Feldlinien störungsfrei in den Polkern 10 übergehen können. Innerhalb der Ausnehmung 12 ist der Permanentmagnet 14 unter Belassung eines radialen Ringspaltes 22 angeordnet. Dieser Ring­ spalt kann ein Luftspalt sein, oder er kann durch eine nicht­ ferromagnetische Büchse ausgefüllt sein. Gemäß den Ausführungs­ beispielen nach Fig. 1A und 1B und Fig. 3A bis 3E fluchtet die vordere Stirnringfläche 20 des Polkerns 10 mit der vorderen Stirnseite des Permanentmagneten 14. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, die vordere Stirnfläche des Permanentmagneten gegenüber der vorderen Stirnringfläche 2 zurückzuversetzen oder über diese nach vorn vorstehen zu lassen.

Wie aus den Fig. 1A und 1B ersichtlich, umschließt die Spule 16 den Polkern 10 und einen Teil des in die Ausnehmung einge­ setzten Permanentmagneten. Der Polkern 10 schließt im Idealfall vorn und unten bündig mit der Spule ab. Der Polkern 10 kann je­ doch auch vorn oder/und hinten über den Bereich der Spule vor­ stehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1A ist die Ausnehmung 12 in der vorderen Stirnfläche des Polkerns 10 zylindrisch und der Permanentmagnet 14 wird unter Belassung des Luftspalts 22 topfartig von dem Polkern umschlossen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1B ist in der Stirnseite des Polkerns 10 eine ringförmige Eindrehung 12c vorgesehen, und in dieser Ausnehmung ist ein ringförmiger Permanentmagnet 14c konzentrisch so eingesetzt, daß nach dem mittleren Polstift 10c und nach dem äußeren Topf des Magnetkerns ein Ringspalt ver­ bleibt.

Die Fig. 2A bis 2C zeigen verschiedene Querschnittsformen von Polkern und Permanentmagnet. Nach Fig. 2A sind Polkern 10, Permanentmagnet 14 und der dazwischen verbleibende Ringspalt 22 quadratisch ausgebildet. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 1 und Fig. 2B sind Polkern und Permanentmagnet kreis­ förmig unter Belassung eines kreisringförmigen Ringspaltes 22 ausgebildet.

Nach Fig. 2C sind Polkern und Permanentmagnet im Querschnitt rechteckig gestaltet.

Bei allen Ausführungen ist der Permanentmagnet in Richtung der Längsachse magnetisiert.

Die Feldlinien treten aus der bodenseitigen Stirnfläche, z. B. dem Nordpol des Permanentmagneten heraus, gelangen über den ringförmigen, magnetisch niederohmigen, Querschnitt des Polkerns zu einem Teil über den Luftspalt zum Zahnrad und von dort über einen Zahn zurück zum gegenüberliegenden Pol (hierbei Südpol), zu einem anderen Teil direkt über den Ringspalt zu diesem zurück.

Beide Magnetflußanteile werden durch die Zahn-Lücken-Anordnung beeinflußt, so daß durch die Spule ein Fluß wechselnder Intensi­ tät entsteht, welcher in der Abnehmerspule 16 eine Spannung induziert. Durch die starke Konzentration des Magnetflusses auf die aktive Zahnradseite (hohe Induktion, da Magnet nahezu im Kurzschlußbetrieb), wird trotz des geringen Magnetvolumens ein hoher Wirkungsgrad erreicht.

Die Fig. 3A bis 3F zeigen unterschiedliche Polkernformen, wobei der Querschnitt bevorzugt jeweils kreisförmig ist, jedoch auch polygonal, z. B. entsprechend den Fig. 2A und 2C ausge­ bildet sein kann. Die Fig. 3A entspricht der Ausbildung nach Fig. 1A, wobei der Polkern 10 zylindrisch ausgebildet ist und eine zylindrische stirnseitige Eindrehung 12 aufweist, in der der Permanentmagnet 14 unter Belassung eines zylindrischen Ringspaltes 22 angeordnet ist.

Gemäß Fig. 3B ist die Ausdrehung 12 kegelförmig gestaltet, so daß sich der Luftspalt zwischen dem zylindrischen Permanent­ magneten von der Stirnseite nach innen hin verkleinert. Der Boden der Ausdrehung 12 hat die gleiche Querschnittsfläche wie der Magnet 14, wodurch der Magnet sicher zentriert wird.

Gemäß Fig. 3C ist der zylindrische Abschnitt des Polkerns, der den Permanentmagneten 14 umgibt, kegelförmig nach vorn verjüngt ausgebildet.

Gemäß Fig. 3D ist der Polkern 10 in seinem hinter dem hohl­ zylindrischen Abschnitt liegenden Teil nach der dem Impulsgeber gegenüberliegenden Ende konisch verjüngt ausgebildet. Bei der Ausführung nach Fig. 3E erweitert sich der Polkern 10 von seiner vorderen Stirnringfläche 20 nach seiner hinteren Stirnfläche.

Fig. 3F zeigt eine Eindrehung 24 in der hinteren Stirnfläche des Polkerns. Diese Eindrehung 24 nimmt eine Druckschrauben­ feder 26 auf, die sich axial an einem nicht dargestellten Gehäuseteil abstützt und den Polkern 10 nach vorn vorspannt.

Die Polstift-Permanentmagnetanordnung kann mehrfach vorhanden sein, d. h. es können zwei oder mehrere Polkerne mit einer oder mehreren Spulen vorhanden sein, die in entsprechenden axialen Ausnehmungen Permanentmagnete mit radialem Ringspalt aufweisen.

Gemäß den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Polkern außen glatt, insbesondere zylindrisch ausgebildet. Statt dessen kann er auch stufenförmig abgesetzt sein.

Gemäß den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1A und 1B ist der Polkern stirnseitig mit der Abnehmerspule bündig. Statt dessen kann der Polkern beidseitig über die Abnehmerspule vor- bzw. zurückstehen.

Claims (18)

1. Im Pulsdrehzahlsensor, insbesondere Raddrehzahlsensor für Antiblockierregelsysteme, mit einem massiv ausgebildeten Polkern (10) und einem Permanentmagneten (14), dessen magnetische Feld­ linien im wesentlichen parallel zur Längsachse des Polkerns (10) verlaufend aus dem Sensorgehäuse nach einem Impulsgeberzahnrad austreten und mit einer den Polkern (10) wenigstens über einen Teil ihrer axialen Länge umschließenden Abnehmerspule (16), dadurch gekennzeichnet, daß der dem Impulsgeberzahnrad zugewand­ te Vorderabschnitt des Polkerns (10) eine axiale Ausnehmung (12) innerhalb des Polkernquerschnitts aufweist, die den Permanent­ magneten (14) koaxial unter Belassung wenigstens eines radialen Ringspaltes (22) aufnimmt.

2. Impulsdrehzahlsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Ausnehmung eine zylindri­ sche Ausdrehung (12) ist und der Permanentmagnet (14) als Voll­ zylinder ausgebildet ist (Fig. 1A).

3. Impulsdrehzahlsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Ausnehmung des Polkerns (10) als ringförmige Eindrehung (12c) ausgebildet ist, in die ein Ringmagnet (14c) mit äußerem und innerem Luftspaltabstand eingebaut ist (Fig. 1B).

4. Impulsdrehzahlsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der an dem Boden der Ausnehmung des Polkerns (10) anliegende Permanentmagnet (14) nach vorn über den Spulenträger (18) der Abnehmerspule (16) vorsteht und im hinte­ ren Abschnitt von der Abnehmerspule (16) umschlossen ist.

5. Impulsdrehzahlsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Stirnfläche des Perma­ nentmagneten (14) mit der Stirnringfläche (20) des Vorderab­ schnitts des Polkerns (10) fluchtet.

6. Impulsdrehzahlsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere und/oder die hintere Stirnfläche des Polkerns (10) mit dem vorderen bzw. hinteren Flansch des Spulenträgers (18) fluchtet.

7. Impulsdrehzahlsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung rotationssymmetrisch bezüglich der Achse des Polkerns (10) ausgebildet ist und Pol­ kern (10) und Permanentmagnet (14) kreisförmigen Querschnitt be­ sitzen.

8. Impulsdrehzahlsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Polkern (10), Permanentmagnet (14) und Ringspalt (22) einen polygonalen Querschnitt besitzen.

9. Impulsdrehzahlsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (12) sich nach innen konisch verjüngt und die Bodenfläche der Ausnehmung der hinteren Stirnfläche des anliegenden Permanentmagneten (14) entspricht.

10. Impulsdrehzahlsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung stufenförmig abge­ setzt ist.

11. Impulsdrehzahlsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Polkern (10) außen wenigstens über einen Teil seiner Länge konisch ausgebildet ist.

12. Impulsdrehzahlsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die die axiale Ausnehmung (12) um­ schließende Wand des Polkerns (10) sich außen nach vorn konisch ver­ jüngt (Fig. 3C).

13. Impulsdrehzahlsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Polkern (10) sich in dem hinter der Ausnehmung (12) befindlichen Abschnitt konisch nach hinten verjüngt (Fig. 3D).

14. Impulsdrehzahlsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Polkern (10) nach hinten konisch erweitert (Fig. 3E).

15. Impulsdrehzahlsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Polkern (10) im hinteren Ab­ schnitt eine zusätzliche axiale Ausnehmung (24) zur Aufnahme einer Ausgleichsfeder (26) aufweist (Fig. 3F).

16. Impulsdrehzahlsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch eine Mehrfach-Anordnung der Polstift-Perma­ nentmagnetanordnung.

17. Impulsdrehzahlsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnehmerspule (16) die gesamte axiale Länge des Polkerns (10) mit Permanentmagnet (14) über­ deckt.

18. Impulsdrehzahlsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Polkern (10) im hinteren Bereich länger als die Abnehmerspule (16) ist.