DE4307544A1 - Anordnung zur Erfassung der Drehstellung eines Rotationskörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung der Drehstellung eines Rotationskörpers.

Durch die DE-A-15 48 591 ist ein Gerät zur Bestimmung der Drehwinkellage eines Rotationskörpers bekannt, bei dem ein von einem Ständer konzentrisch umgebener Rotor vorgesehen ist. Der Rotor weist einen zwischen zwei Polschuhen angeordneten Magneten auf. Die Polschuhe sind an ihrem Umfang so geformt, daß in der Polschuhmitte der Luftspalt zwischen den Polschuhen und dem umgebenden Ständer am kleinsten ist und zu den Enden der Polschuhe hin stetig zunimmt. Der Ständer ist durch axial verlaufende Längs­ schlitze in gleiche Teile unterteilt. In den Längsschlitzen sind Hallsonden angeordnet. Durch eine solche Gestaltung des Rotors und des Ständers wird ein sinusförmiger Verlauf der von den Hallsonden abgegebenen Hallspannungen erreicht. Durch einen räumlichen Versatz der Längsschlitze und damit der Hallsonden von 90° wird bei einer zweipoligen Ausbil­ dung des Rotors auch eine Phasenverschiebung von 90° zwischen den von den in den verschiedenen Längsschlitzen angeordneten Hallsonden abgegebenen Hallspannungen erreicht, d. h. in bezug zueinander ergibt sich ein sinus- und ein kosinusförmiger Verlauf der Hallspannungen. Damit ist es möglich, aus zwei derartigen um 90° phasen­ verschobenen Hallspannungen die genaue Lage des Rotors bzw. eines mit diesem rotationsmäßig gekoppelten Rotations­ körpers zu bestimmen.

Zur Erzielung des sinus- und kosinusförmigen Verlaufs der Hallspannungen ist eine vom kreisbogenförmigen Verlauf abweichende Umfangskontur der Polschuhe erforderlich, wodurch sich ein erhöhter Herstellungsaufwand für die Pol­ schuhe ergibt. Der magnetische Kreis, in dem die Hallsonden liegen, weist zwei Luftspalte auf, nämlich den Luftspalt zwischen Rotor und Ständer sowie den Luftspalt zwischen dem Ständereisen und den in den Längsschlitzen angeordneten Hallsonden. Damit läßt sich ein exakter sinus- und kosinus­ förmiger Verlauf der Hallspannungen nur mit entsprechendem Aufwand erreichen. Durch die Luftspalte ergibt sich außerdem eine Schwächung der für die Hallsonden wirksamen Induktion. Dies führt zu kleinen Hallspannungen der Hall­ sonden. Gegenüber solch kleinen Hallspannungen fallen auf­ tretende Störspannungen stärker ins Gewicht, so daß sich leicht Ungenauigkeiten ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Erfassung der Drehstellung eines Rotationskörpers zu schaffen, die einfach in ihrem mechanischen Aufbau ist und dennoch Signalspannungen liefert, die nur wenig oder gar nicht durch Störspannungen beeinflußbar sind.

Eine Lösung der Aufgabe gelingt mittels einer im Anspruch 1 beschriebenen Anordnung. Die bei einer solchen Anordnung notwendigen Magnete weisen eine einfache geometrische Form, nämlich die Form eines Kubus auf. Gesonderte, mit den Magneten zu verbindende Polschuhe sind nicht erforderlich. Die Geberkörper sind ebenfalls von einer geeigneten einfachen Gestalt. Infolge ihrer plattenförmigen Ausbildung können diese Geberkörper aus entsprechendem weichmagneti­ schem Plattenmaterial, z. B. Blech, ausgestanzt werden.

Eine weitere Lösung der Aufgabe ist mit einer gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 ausgeführten Anordnung möglich. Diese Anordnung zeichnet sich durch einen sehr geringen Bauteileaufwand aus. Zur genauen Bestimmung des jeweiligen Drehwinkels wird nur ein B-Feldsensor, ein Magnet und ein Geberkörper benötigt.

Bei dieser Anordnung ist es besonders vorteilhaft, einen Geberkörper vorzusehen, der eine spiralförmige Umfangs­ kontur nach Art einer Schnecke aufweist. Aufgrund dieser Umfangskontur ergibt sich eine dem jeweiligen Drehwinkel entsprechende Eintauchtiefe des Geberkörpers zwischen dem B-Feldsensor und den Magneten. Aus der in ihrer Größe von der Eintauchtiefe des Geberkörpers abhängigen Signalspan­ nung des B-Feldsensors kann dann die jeweilige Drehwinkel­ lage des Rotationskörpers bestimmt werden.

Einen guten Sinus- bzw. Kosinusverlauf der vom B-Feldsensor abgegebenen Signalspannung erhält man bei der Anordnung nach Anspruch 1 dadurch, daß die Geberkörper als runde Scheiben ausgebildet sind. Eine optimale Spannungshöhe läßt sich bei derartig ausgebildeten Geberkörpern dadurch erzielen, daß deren Exzentrizität gegenüber ihrer Rotationsachse gleich der halben radialen Dicke der Magnete ist. Hierdurch wird der jeweilige Magnet in der einen Exzenterlage gegenüber dem B-Feldsensor vollständig abgedeckt und in der anderen Exzenterlage vollkommen frei­ gegeben. Damit wird das Feld des Magneten im einen Falle vollständig gegenüber dem B-Feldsensor abgeschirmt und im anderen Falle voll wirksam.

Vorteilhaft ist es ferner, die Geberkörper auf der Welle des Rotationskörpers anzuordnen.

Handelt es sich bei dem Rotationskörper um den Läufer einer elektrischen Maschine, dann kann eine störende Beeinflus­ sung der Anordnung durch die vom Läufer ausgehenden Streu­ felder dadurch verhindert werden, daß die Geberkörper gegenüber der Welle des Läufers magnetisch isoliert ange­ ordnet sind.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spielen wird die Erfindung nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Anordnung zur Erfassung der Drehstellung eines Rotationskörpers im Längsschnitt,

Fig. 2 die Anordnung nach Fig. 1 im Schnitt entlang der Linie II-II,

Fig. 3 eine weitere Anordnung zur Erfassung der Drehstellung eines Rotationskörpers im Längsschnitt

Fig. 4 die Anordnung nach Fig. 3 im Schnitt entlang der Linie IV-IV.

Mit 1 ist ein Rotationskörper, z. B. der Läufer einer elektrischen Maschine, bezeichnet, dessen Drehwinkellage erfaßt werden soll. Hierzu sind auf der Welle 2 des Rotationskörpers 1 zwei runde Scheiben 3 und 4 als Geber­ körper angeordnet. Wie aus der Fig. 2 zu erkennen ist, sind die Scheiben 3 und 4 exzentrisch gegenüber der Wellenmitte 5 der Welle 2 angeordnet, wobei die beiden Scheiben 3 und 4 in bezug zueinander entgegengesetzt exzentrisch auf der Welle 2 angebracht sind.

An einer Trageinrichtung 6 sind zwei Magnete 7 und 8 zuein­ ander axial beabstandet befestigt. Wie die Fig. 2 weiter zeigt, sind um einen Winkel von 90° versetzt zwei weitere Magnete 9 und 10 in der gleichen Weise wie die Magnete 7 und 8 an der Trageinrichtung 6 vorgesehen. Die Magnete 7 und 8 und die weiteren Magnete 9 und 10 sind so an der Trageinrichtung angebracht, daß sie sich jeweils mit Polen gleicher Polarität einander gegenüberstehen. D.h., bei den jeweiligen Magnetpaaren 7 und 8 bzw. 9 und 10 sind jeweils die Nordpole N oder die Südpole S einander zugewandt. In der Mitte zwischen den axial beabstandeten Magneten 7 und 8 bzw. den weiteren Magneten 9 und 10 ist jeweils ein B-Feld­ sensor 11 bzw. 12, z. B. einer Hallsonde, angeordnet, der ebenfalls an der Trageinrichtung 6 gehaltert ist. Die Signalleitungen 13 der B-Feldsensoren 11 und 12 sind zu einer elektronischen Auswerteeinrichtung 14 geführt, die ebenfalls an der Trageinrichtung 6 angeordnet ist.

Die Scheiben 3 und 4 sind in einem solchen axialen Abstand zueinander angeordnet, daß die eine Scheibe 3 in den Raum zwischen dem einen Magneten 7 bzw. dem einen Magneten 9 der weiteren Magnete 9 und 10 und den B-Feldsensoren 11 und 12 und die andere Scheibe 4 in den Raum zwischen dem anderen Magneten 8 bzw. dem anderen Magneten 10 der weiteren Magnete 9 und 10 und den B-Feldsensoren 11 und 12 eingreifen kann.

Dieses Eingreifen erfolgt während der Rotation der Scheiben 3 und 4 infolge ihrer exzentrischen Anordnung auf der Welle 2. Die Exzentrizität e der Scheiben 3 und 4 gegenüber der Wellenmitte 5 ist so bemessen, daß sie der halben radialen Höhe 15 der Magnete 7 bis 10 entspricht. Hierdurch wird erreicht, daß die in entsprechendem radialen Abstand zur Wellenmitte angeordneten Magnete 7 bis 10 in der einen Exzenterlage der jeweiligen Scheibe 3 bzw. 4 in radialer Richtung voll überdeckt und somit praktisch vollständig gegenüber den B-Feldsensoren 11 und 12 abgeschirmt sind. In der anderen Exzenterlage der jeweiligen Scheibe 3 bzw. 4 werden die Magnete 7 bis 10 entsprechend vollständig frei­ gegeben, so daß deren magnetisches Feld voll auf die B- Feldsensoren 11 und 12 wirken kann. Durch das vollständige Überdecken und die vollständige Freigabe der Magnete 7 bis 10 ergibt sich für die von den B-Feldsensoren 11 und 12 abgegebenen Signalspannungen eine größtmögliche Amplitude.

Einen einwandfreien sinusförmigen Verlauf der Signalspannung wird mit Hilfe der kreisrunden Form der Scheiben 3 und 4 erreicht. Infolge des räumlichen Versatzes von 90° zwischen den Magneten 7 und 8 und den weiteren Magneten 9 und 10 sowie der diesen zugeordneten B-Feld­ sensoren 11 und 12 ergibt sich auch zwischen den von diesen B-Feldsensoren 11 und 12 abgegebenen Signalspannungen eine Phasenverschiebung von 90°. In bezug zueinander entsprechen die von den B-Feldsensoren 11 und 12 gelieferten Signal­ spannungen somit einem Sinus und einem Kosinus.

Aufgrund dieser Sinus-Kosinus-Beziehung der Signalspan­ nungen der beiden B-Feldsensoren 11 und 12 kann die genaue Drehwinkellage des Rotationskörpers 1 mittels der elektro­ nischen Auswerteeinrichtung 14 ermittelt werden. Die Ermittlung der jeweiligen Drehwinkellage ist unabhängig von der Bewegung des Rotationskörpers 1 möglich, also auch bei Stilltand desselben.

Bei der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Anordnung ist ein eine spiralförmige Umfangskontur 16 aufweisender Geberkörper 17 vorgesehen, wie dies insbesondere aus Fig. 4 erkennbar ist. Mittels eines derart gestalteten Geber­ körpers 17 kann während einer Umdrehung desselben für jede Winkellage ein eindeutiges Signal erzeugt werden. Daher ist zur Erfassung der jeweiligen Drehwinkellage nur ein einzelner Magnet 18 und ein diesem zugeordnet er einzelner B-Feldsensor 19 erforderlich.

Aufgrund der spiralförmigen Umfangskontur 16 des Geber­ körpers 17 ergibt sich eine von der jeweiligen Drehwinkel­ lage abhängige radiale Eintauchtiefe des Geberkörpers 17 in den zwischen dem einzelnen Magnet 18 und dem einzelnen B-Feldsensor 19 bestehenden Zwischenraum. Damit wird das magnetische Feld des Magneten 18 gegenüber dem B-Feldsensor 19 entsprechend mehr oder weniger abgeschirmt, so daß aus der vom B-Feldsensor 19 gelieferten Signalspannung mittels der elektronischen Auswerteeinrichtung 14 die jeweilige Drehwinkellage bestimmt werden kann.

Durch ein Differenzieren der jeweiligen Signalspannung nach der Zeit läßt sich aus dem Signal für die Drehwinkellage ein Signal für die Drehgeschwindigkeit des Rotationskörpers 1 gewinnen. Somit kann durch die Anordnung neben der Dreh­ winkellage des Rotationskörpers 1 auch dessen Drehzahl ermittelt werden.

Claims (7)

1. Anordnung zur Erfassung der Drehstellung eines Rota­ tionskörpers, welche Anordnung mindestens zwei räumlich um 90° gegeneinander versetzte B-Feldsensoren (11 und 12) auf­ weist, die jeweils mittig zwischen zwei mit gleicher Polarität (N bzw. S) einander gegenüberstehenden und zueinander beabstandeten Magneten (7 und 8 bzw. 9 und 10) angeordnet sind, bei welcher Anordnung ferner zwei vom Rotationskörper (1) angetriebene, weichmagnetische Geber­ körper (3 und 4) vorgesehen sind, die gegenüber einer gemeinsamen Rotationsachse (5) entgegengesetzt exzentrisch angeordnet und gegeneinander derart axial beabstandet sind, daß der eine Geberkörper (3) in den Raum zwischen den einen Magneten (7 und 9) und den B-Feldsensoren (11 und 12) und der andere Geberkörper (4) in den Raum zwischen den anderen Magneten (8 und 10) und den B-Feldsensoren (11 und 12) ragt.

2. Anordnung zur Erfassung der Drehstellung eines Rota­ tionskörpers, welche Anordnung mindestens einen B-Feld­ sensor (19) und einen gegenüber diesem parallel zur Rotationsachse des Rotationskörpers (1) beabstandeten Magneten (18) aufweist, bei welcher Anordnung ferner ein vom Rotationskörper (1) angetriebener, aus weichmagnetischem Material bestehender und in den zwischen dem B-Feldsensor (19) und dem Magneten (18) bestehenden Zwischenraum eintauchender Geberkörper (17) vorgesehen ist, dessen Umfangskontur derart gestaltet ist, daß sich die radiale Eintauchtiefe des Geberkörpers (17) in den Zwischenraum während einer Umdrehung des Geberkörpers (17) zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert kontinuierlich verändert.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Geberkörper (17) eine spiralförmige Umfangskontur (16) nach Art einer Schnecke aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geberkörper als runde Scheiben (3 und 4) ausgebildet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizität (e) der Scheiben (3 und 4) gegenüber ihrer Rotationsachse (5) gleich der halben radialen Dicke (15) der Magnete (7 bis 10) ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Geberkörper (3, 4 bzw. 17) auf der Welle (2) des Rotationskörpers (1) angeordnet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Geberkörper (3, 4 bzw. 17) gegenüber der Welle (2) des Rotationskörpers (1) magnetisch isoliert angeordnet sind.