DE60200499T2

DE60200499T2 - Stellungsfühler, besonders zur Feststellung von Verdrehung einer Lenksäule

Info

Publication number: DE60200499T2
Application number: DE60200499T
Authority: DE
Inventors: Pierre Gandel; Didier Frachon; Didier Angleviel; Claude Oudet; Daniel Prudham
Original assignee: Moving Magnet Technologie SA
Current assignee: Moving Magnet Technologie SA
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: WO2002071019A1; US7028545B2; FR2821668A1; ATE267392T1; FR2821668B1; US20060123903A1; US20040011138A1; DE60200499T3; EP1269133B1; DE60200499D1; JP5247545B2; EP1269133B2; JP2004519672A; JP2009133872A; EP1269133A1; JP4691313B2

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Stellungsfühler, besonders von Stellungsfühlern zur Messung der Verdrehung einer Lenksäule, ohne daß damit eine Beschränkung auf diese Anwendung erfolgt.
Bekannt ist das amerikanische Patent US-A-4,984,474, das einen Stellungsfühler nach dem Stand der Technik beschreibt, der einen Statorteil aufweist, der aus einem ferromagnetischen Teil besteht, das auf zwei Stufen radiale Zähne bildet, die gegenüber von multipolaren Magneten angeordnet sind, die radial in wechselndem Sinn magnetisiert sind.
Ein zusätzliches ferromagnetisches Stück ist gegenüber dem Statorteil angeordnet und weist einen Luftspalt auf, in dem eine Hall-Sonde angeordnet ist.
Diese Lösung des Standes der Technik ist nicht befriedigend, da sie zu einem Verlust des Magnetsignals zwischen dem Statorteil und dem die Hall-Sonde aufweisenden Teil führt. Im übrigen führt das von den Magneten erzeugte Magnetfeld zu Verlusten in Folge der Struktur des Fühlers.
Im Stand der Technik kennt man auch einen Fühler, der im Patent US-A-4,784,002 beschrieben ist, das einen anderen Stellungsfühler beschreibt, der aus einem Teil mit einer Mehrzahl von Magneten besteht, die axial ausgerichtet sind und mit radialen Zähnen eines Statorteils zusammenwirken.
Diese Struktur führt auch zu magnetischen Lecks und einer verringerten Wirksamkeit, was sich in einem mittelmäßigen „Signal-zu-Rausch"-Verhältnis zeigt.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beheben, indem ein verbesserter Stellungsfühler vorgeschlagen wird, dessen Signal-zu-Rausch-Verhältnis besser ist.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, den radialen Raumbedarf zu verringern.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung in ihrem allgemeinsten Sinn einen Stellungsfühler, der besonders zur Feststellung der Verdrehung einer Lenksäule bestimmt ist, und der aus einer ersten magnetischen Struktur mit einer Mehrzahl von radial magnetisierten Magneten und einer zweiten magnetischen Struktur mit zwei ferromagnetischen Kränzen mit einer Mehrzahl von Zähnen besteht, wobei die Kränze einen Luftspalt definieren, in dem mindestens ein magnetempfindliches Element angeordnet ist, und wobei die zwei magnetischen Strukturen jeweils mit einem von zwei relativ zueinander drehbaren Teilen fest verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei ferromagnetischen Kränze ineinandergreifen und jeder einen im wesentlichen rohrförmigen Teil mit radial ausgerichteten Zähnen bildet, welche durch einen querverlaufenden Flußschließungsbereich verbunden sind, wobei der Erfassungsluftspalt durch die Flußschließungsbereiche abgegrenzt ist.
Vorteilhafterweise besteht die erste magnetische Struktur aus einem rohrförmigen ferromagnetischen Joch mit einer Mehrzahl von tangentialen Einkerbungen, in denen dünne, im wesentlichen radiale in derselben Richtung magnetisierte Magnete untergebracht sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Höhe der Zähne im wesentlichen der Höhe der Magnete.
Gemäß einer Abwandlung sind die erste und die zweite magnetische Struktur bezüglich des magnetempfindlichen Elements beweglich.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist der Stellungsfühler N magnetempfindliche Elemente auf, wobei N der Anzahl der Phasen eines bürstenlosen Gleichstrommotors entspricht, dessen Bewegung durch den Fühler gesteuert wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsform weisen die Kränze wie Bandscheiben ausgebildete Flußschließungsbereiche auf.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform weisen die Kränze halbtorische Flußschließungsbereiche auf.
Gemäß einer dritten Ausführungsform weisen die Kränze ausgeschnittene Flußschließungsbereiche auf, die eine Mehrzahl von Zähnen bilden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform weisen die Kränze Flußschließungsbereiche auf, die sich über 360° erstrecken.
Gemäß einer anderen Abwandlung weisen die Kränze Flußschließungsbereiche auf, die sich über einen Winkelsektor erstrecken, der im wesentlichen der Abmessung des magnetempfindlichen Elements entspricht.
Die Erfindung betrifft auch einen Verdrehungsfühler mit zwei Drehteilen, die durch einen elastischen Probekörper verbunden sind, und einen Stellungsfühler mit zwei Teilen, die jeweils mit den Drehteilen fest verbunden sind, wobei der Stellungsfühler aus einer ersten magnetischen Struktur mit einer Mehrzahl von radial magnetisierten Magneten und einer zweiten magnetischen Struktur mit zwei ferromagnetischen Kränzen mit einer Mehrzahl von Zähnen besteht, wobei die Kränze zwischen sich einen Luftspalt bilden, in dem mindestens ein magnetempfindliches Element angeordnet ist, und wobei die zwei magnetischen Strukturen jeweils mit zwei relativ zueinander drehbaren Teilen fest verbunden sind, und dadurch gekennzeichnet, daß die zwei ferromagnetischen Kränze ineinandergreifen und jeder einen im wesentlichen rohrförmigen Teil aufweist, der axial ausgerichtete Zähne bildet, die durch einen querverlaufenden Flußschließungsbereich verbunden sind, wobei der Erfassungsluftspalt durch die Flußschließungsbereiche abgegrenzt ist.
Die Erfindung wird zum besseren Verständnis erläutert durch die folgende Beschreibung, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, welche ein nicht begrenzendes Beispiel der Erfindung betreffen, worin:
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Lenksäule;
2 zeigt eine Explosionsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Stellungsfühlers;
3 zeigt eine Ansicht der zweiten Struktur des Fühlers;
4 zeigt in vergrößerter Ansicht einen Teilschnitt des Fühlers;
5 zeigt eine Explosionsansicht einer zweiten Ausführungsform;
6 zeigt die Antwortkurve des Fühlers der 5;
7 zeigt eine andere Ausführungsvariante (feste Sonde und fester Stator);
8 zeigt eine Querschnittsansicht;
9 zeigt eine Ausführungsvariante der Erfindung, worin der Erfassungsluftspalt zwischen zwei festen Elementen angeordnet ist.
Ziel der Erfindung ist es, diese Probleme der geringen Empfindlichkeiten zu beheben, und es betrifft berührungslose Stellungsfühler, die zur Messung von Winkeln nahe bei oder unter 10° in Anwendungen wie beispielsweise den Drehmomentfühlern der Lenksäule bestimmt sind (wobei das Signal anschließend zur Unterstützung der Lenkung genutzt wird). Der im folgenden beschriebene Winkelstellungsfühler dient zur Messung eines sehr geringen Winkelabstands (einige Grad) zwischen zwei Wellen, die durch einen Torsionsstab verbunden sind. Eine solche Anwendung der Drehmomentmessung ist in 1 beschrieben. Auf dem Gebiet der linearen Verformung dieses Torsionsstabes ist der Winkelabstand (α1 – α2) proportional zu dem Drehmoment, das zwischen zwei Wellen (1) (3) angelegt wird, die durch einen elastisch verformbaren Probestab (2) verbunden sind. Die Messung dieses Winkelabstands durch den Fühler ermöglicht die Abgabe eines elektrischen Signals am Ausgang des magnetempfindlichen Elements, das proportional zum angelegten Drehmoment ist. Im Fall des Drehmomentfühlers der Lenksäule muß der Fühler (4) außerdem die Messung des Winkelabstands zwischen zwei drehenden Wellen bezüglich der festen Referenz ermöglichen, welche der Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs ist. Das heißt, daß α1 und α2 Winkel von mehr als 360° sein können, da die Lenksäule mehrere Umdrehungen machen kann. Die Winkelmessung muß also zwischen zwei Wellen (1) (3) stattfinden, wenn sich der Torsionsstab (2) ver formt, wobei jede der zwei Wellen frei bleibt, mehrere Umdrehungen auszuführen. Ein typischer Torsionsarbeitswinkel bei dieser Anwendung beträgt +/- 2° bis höchstens +/- 4°. Man sieht also, daß das Problem darin besteht, einerseits einen sehr empfindlichen Stellungsfühler und andererseits ein System zu schaffen, bei dem das magnetempfindliche Element bezüglich dem Bezugspunkt Fahrgastraum feststehend sein kann.
2 zeigt eine Explosionsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fühlers.
Er besteht aus einer ersten magnetischen Struktur (5) und einer zweiten magnetischen Struktur, die von zwei verzahnten Kränzen (6, 7) gebildet sind. Die zwei magnetischen Strukturen weisen eine im ganzen rohrförmige Struktur auf und sind koaxial.
Die erste magnetische Struktur (5) ist gebildet von einem rohrförmigen Magnetjoch (8) mit Vertiefungen für das Einsetzen einer Mehrzahl von dünnen Magneten (9), die in einer radialen Richtung oder einer zur durch die Mitte des Magneten gehenden radialen Richtung parallelen Richtung magnetisiert sind.
Diese Magnete sind eingesetzt in eine Vertiefung, die das 0,2- bis 0,9-fache der Dicke des Magneten aufweist.
Die Magnete sind durch Winkelsektoren (10) des Magnetjochs getrennt.
Die zweite Struktur wird gebildet von zwei ferromagnetischen Kränzen (6, 7) mit Zähnen (11, 12), die sich axial erstrecken und durch leere Zwischenräume getrennt sind, welche den Eingriff der Zähne des gegenüberliegenden Kranzes ermöglichen.
Die Zähne sind jeweils durch Flußschließungsbereiche (13, 14) verlängert, die sich im ganzen in einer Querebene senkrecht zur Hauptausrichtung der Zähne erstreckt.
Diese zwei Flußschließungsbereiche begrenzen einen ringförmigen Luftspalt (16), in dem ein magnetempfindliches Element (15) angeordnet ist.
3 zeigt eine Ansicht der zweiten zusammengesetzten Struktur ohne die erste Struktur, die in den mittleren Hohlraum eingesetzt wird, und 4 ist eine Detailschnittansicht des Fühlers.
Die erste Struktur weist N Magnete (9) auf und jeder der Kränze der zweiten Struktur weist N Zähne auf. Das magnetempfindliche Element (15), beispielsweise eine programmierbare Hall-Effektsonde, ist fest bezüglich des dem Fahrgastraum entsprechenden Fixpunkts. Es ist im Luftspalt (16) zwischen zwei ferromagnetischen Kollektoren (13) (14) angeordnet, die jeder den Fluß von N Zähnen zusammenfassen, und ermöglicht den zwei Kränzen mehrere Umdrehungen auszuführen.
Jede der Strukturen ist bezüglich der Fahrgastraum-Referenz drehbar und weist eine Differenzbewegung von einigen Grad bezüglich der anderen entsprechend dem angelegten Drehmoment auf, was zu einer Veränderung des Flusses von einigen Hundert Gauß im drehenden Luftspalt (16) führt. Das von der Hall-Sonde (15) ausgesandte analoge Signal liefert also ein elektrisches Bild des zwischen den zwei Wellen angelegten Drehmoments, die einerseits den Stator (6, 7) und andererseits den Rotor (5) tragen.
Im Fall von Drehmomentfühlern der Lenksäule wird die Drehmomentinformation allgemein ausgewertet, um einen Elektromotor vom Typ bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) zu steuern. Die Wirkung dieses Elektromotors liefert die elektrische Unterstützung der Lenkung, indem ein Drehmoment geliefert wird, das proportional zu dem vom Drehmomentfühler gemessen ist, wobei einer Position proportional zu der der Steuersäule gefolgt wird. Derartige Motoren weisen im allgemeinen drei Spulen auf, sogenannte „Phasen", die elektrisch 120° versetzt sind. Die Drehung dieser Dreiphasenmotoren erfolgt durch eine Steuerung, die drei Sinussignale erzeugt, deren Amplitude proportional dem vom Drehmomentfühler gelieferten Drehmoment ist, wobei einer Position proportional zu der der Lenksäule gefolgt wird. Im allgemeinen kommen diese zwei Informationen des Drehmoments und der Position von zwei verschiedenen Fühlern.
Gemäß der in 5 beschriebenen Erfindung ist es möglich, daß die magnetischen Kollektoren (13, 14) gezahnt sind und D Zähne über 360° aufweisen. Ein magnetempfindliches Element (15), das im Luftspalt (16) der 5 angeordnet ist, erkennt daher ein alternierendes Magnetfeld von einer Periode proportional zu D und an der Position des „Stator"teils (5), die bezüglich des festen Fahrzeugraumreferenzpunktes drehbar, jedoch stationär bezüglich dem Rotor (6) (7) und auch proportional zu dem zwischen (5) und (6) (7) ausgeübten Drehmoment ist.
Wenn man in dem Luftspalt (16) drei magnetempfindliche Elemente (21, 22, 23) in einem Polabstand äquivalent 120° der elektrischen Periode einsetzt, erhält man am Ausgang dieser drei magnetempfindlichen Elemente die drei in 6 beschriebenen Sinuskurven, deren Amplitude proportional zu dem auf die Lenksäule ausgeübten Drehmoment ist und die gleichzeitig eine Information der Position der Lenksäule geben.
Wenn man die Anzahl der Zähne D in Abhängigkeit vom Untersetzungsverhältnis R, das oft mit dem BLDC-Motor zusammenhängt, geeignet wählt, können diese zwei kombinierten Informationen direkt zum Steuern des BLDC-Motors durch eine Stufe von Leistungstransistoren genutzt werden.
7 zeigt eine andere abgewandelte Ausführungsform, worin die Kränze zwei reduzierte Flußschließungsbereiche bei reduzierten Winkelsektoren (30, 31) aufweisen, deren Abmessungen im wesentlichen der Hall-Sonde (15) entsprechen.
Das oben beschriebene Prinzip ist nicht auf Anwendungen für Drehmomentfühler der Lenksäule begrenzt, sondern kann auch zur Messung von sehr kleinen Winkeln benutzt werden, wie Anwendungen als Fühler für Brems- oder Gaspedale. Man kann sich auch vorstellen, daß die zwei ferromagnetischen Kollektoren (13) (14) sich nicht über 360° erstrecken sondern auf einige Dutzend Grad begrenzen, wie in 7 gezeigt.
8 zeigt einen Querschnitt des Fühlers.
Die in 9 dargestellte Variante der Struktur wurde mit dem Ziel entwickelt, den Erfassungsluftspalt (16) zwischen zwei festen Elementen (34, 35) auszubilden.
In der gleichen Weise wie in den Strukturen, die in den vorangehenden Figuren dargestellt sind, wird eine Veränderung der Induktion in den Zähnen (11, 12) durch eine Winkelversetzung zwischen der ersten magnetischen Struktur, d.h. dem Rotor (5) und zwei ineinandergreifenden magnetischen Strukturen, im vorliegenden Fall gezahnten Teilen (32, 33) erzeugt. Der magnetische Kreis wird anschließend durch feste Elemente (34, 35) verlängert, die durch ein mechanisches Spiel (41) von magnetischen Strukturen (32, 33) getrennt sind. So bestehen bei dieser Variante die Kränze (6, 7) aus zwei beweglichen Zahnteilen (32,33) und zwei festen Elementen (34, 35).
Die zwei festen Elemente (34, 35) sind zusammengesetzt aus zwei Flußschließungsbereiche (36, 37), welche vollständig (360° Winkel) oder teilweise die gezahnten Teile (32, 33) umgeben, und zwei Magnetflußkonzentratoren (38, 39), die einen Erfassungsluftspalt (16) bilden, in den das oder die magnetempfindlichen Elemente (15, 40) eingesetzt werden.

Claims

Stellungsfühler, insbesondere zur Feststellung von Verdrehung einer Lenksäule bestimmt, welcher aus einer ersten magnetischen Struktur mit einer Mehrzahl von Magneten und einer zweiten magnetischen Struktur mit zwei ferromagnetischen Kränzen (6, 7) mit einer Mehrzahl von Zähnen (11, 12), besteht, wobei die zwei Kränze einen Luftspalt (16) definieren, in welchem mindestens ein magnetempfindliches Element (15) angeordnet ist, und wobei jede der beiden magnetischen Strukturen mit je einem von zwei relativ zueinander drehbaren Teilen fest verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ferromagnetischen Kränze (6, 7) ineinander greifen und jeder einen im wesentlichen rohrförmigen Teil aufweist, welcher axial ausgerichtete Zähne (11, 12) bildet, welche durch einen Flußschließungsbereich (13, 14) verbunden sind, wobei der Erfassungsluftspalt (16) durch die Flußschließungsbereiche abgegrenzt wird.
Stellungsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste magnetische Struktur aus einem rohrförmigen ferromagnetischen Joch mit einer Mehrzahl von tangentialen Einkerbungen besteht, in denen dünne, im wesentlichen radial in dieselbe Richtung magnetisierte, dünne Magnete angeordnet sind [entweder als radial magnetisierte Plättchen ausgebildet oder in der Form eines quaderförmigen Magneten, die in einer zur Ebene der Hauptseite senkrechten Richtung und also parallel zu einer durch die Mitte des betrachteten Magneten gehenden radialen Richtung magnetisch sind].
Stellungsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Zähne im wesentlichen der Höhe der Magnete entspricht.
Stellungsfühler nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der magnetischen Strukturen bezüglich des magnetempfindlichen Elements beweglich ist.
Stellungsfühler nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er N magnetempfindliche Elemente umfaßt, wobei N der Anzahl der Phasen eines bürstenlosen Gleichstrommotors, dessen Bewegung durch den besagten Fühler gesteuert wird, entspricht.
Stellungsfühler nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kränze als transversale Abgänge ausgebildete Flußschließungsbereiche aufweisen.
Stellungsfühler nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kränze halbtorusförmig ausgebildete Flußschließungsbereiche aufweisen.
Stellungsfühler nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kränze rohrförmig ausgebildete Flußschließungsbereiche aufweisen.
Stellungsfühler nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kränze ausgestanzte Flußschließungsbereiche aufweisen, um eine Mehrzahl von Zähnen zu bilden.
Stellungsfühler nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kränze sich über 360° erstreckende Flußschließungsbereiche aufweisen.
Stellungsfühler nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kränze Flußschließungsbereiche aufweisen, welche sich über einen Winkelabschnitt erstrecken, welcher im wesentlichen der Abmessung des magnetempfindlichen Elements entspricht.
Stellungsfühler nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne durch einen Flußschließungsbereich (13, 14) verlängert sind, welcher sich jeweils allgemein in einer Querebene senkecht zu der Hauptrichtung der Zähne erstreckt.
Stellungsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kränze (6, 7) aus zwei gezahnten beweglichen Teilen (32, 33) und zwei festen Elementen (34, 35) bestehen.
Stellungsfühler nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei festen Elemente (34, 35) aus zwei die gezahnten Teile (32, 33) umgebenden Fluß-Integrationsbereichen (36, 37) und aus zwei magnetischen Fluß-Konzentratoren (38, 39) bestehen, welche einen Erfassungs-Luftspalt (16) bilden, in welchen das oder die magnetempfindlichen Elemente (15, 40) eingefügt sind.
Stellungsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er N Magnete (9) umfaßt, und daß jeder der Kränze der zweiten Struktur N Zähne aufweist, wobei das magnetempfindliche Element (15) in dem Luftspalt (16) zwischen den zwei ferromagnetischen Kollektoren (13) (14), welche jeweils den Fluß von N Zähnen gesammelt haben, angeordnet ist.
Verdrehungsfühler mit zwei Drehteilen, welche durch einen elastischen Probestab verbunden sind, und einem Stellungsfühler gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, mit zwei Teilen, welche jeweils mit den Drehteilen fest verbunden sind, wobei der Stellungsfühler aus einer ersten magnetischen Struktur mit einer Mehrzahl von radial magnetisierten Magneten und einer zweiten magnetischen Struktur mit zwei ferromagnetischen Kränzen mit einer Mehrzahl von Zähnen besteht und die Kränze einen Luftspalt definieren, in welchem mindestens ein magnetempfindliches Element angeordnet ist, wobei die beiden magnetischen Strukturen jeweils mit einem von zwei relativ zueinander drehbaren Teilen fest verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei ferromagnetischen Kränze ineinander greifen und jeweils einen im wesentlichen rohrförmigen Teil aufweisen, welcher axial ausgerichtete Zähne bildet, welche durch einen quer gerichteten Flußschließungsbereich verbunden sind, wobei der Erfassungsluftspalt durch die Flußschließungsbereiche abgegrenzt ist.
Verdrehungsfühler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne durch einen Flußschließungsbereich (13, 14) verlängert sind, welcher sich jeweils allgemein in einer Querebene senkrecht zu der Hauptrichtung der Zähne erstreckt.
Verdrehungsfühler nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Magnetflußkonzentratoren (38, 39) aufweist, welche einen Erfassungsluftspalt (16) bilden, in welchen das oder die magnetempfindlichen Elemente (15, 40) eingesetzt sind.