EP1828575A1 - Stelleinrichtung mit magnetfeldsensor - Google Patents

Stelleinrichtung mit magnetfeldsensor

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EP1828575A1
EP1828575A1 EP05816318A EP05816318A EP1828575A1 EP 1828575 A1 EP1828575 A1 EP 1828575A1 EP 05816318 A EP05816318 A EP 05816318A EP 05816318 A EP05816318 A EP 05816318A EP 1828575 A1 EP1828575 A1 EP 1828575A1
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EP
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magnetic field
magnets
adjusting device
field sensor
connecting element
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Withdrawn
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EP05816318A
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Frank Bürger
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Pierburg GmbH
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AVL Pierburg Instruments Flow Technology GmbH
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    • F02D11/06—Arrangements for, or adaptations to, non-automatic engine control initiation means, e.g. operator initiated characterised by non-mechanical control linkages, e.g. fluid control linkages or by control linkages with power drive or assistance
    • F02D11/10—Arrangements for, or adaptations to, non-automatic engine control initiation means, e.g. operator initiated characterised by non-mechanical control linkages, e.g. fluid control linkages or by control linkages with power drive or assistance of the electric type
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    • F02D9/10—Throttle valves specially adapted therefor; Arrangements of such valves in conduits having pivotally-mounted flaps
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    • F02D9/105—Details of the valve housing having a throttle position sensor
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M26/53—Systems for actuating EGR valves using electric actuators, e.g. solenoids
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    • G—PHYSICS
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F02D9/04—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits concerning exhaust conduits

Definitions

  • the invention relates to an adjusting device for control elements arranged in motor vehicles, in particular flaps.
  • the flaps are, for example, throttle valves, swirl flaps or exhaust flaps.
  • the adjusting device has a drive device, such as an electric motor. This usually drives an Abtr ⁇ ebswelle via an intermediate gearbox.
  • the output shaft is directly or indirectly connected to the flap.
  • An indirect connection can be made for example via a gear, a linkage or a lever.
  • throttle valves not only the end positions, but also intermediate positions are important. It is thus necessary to determine the tilt angle of the flap.
  • a disadvantage of using a potentiometer is that this is susceptible to wear and caused due to the wear inaccuracies.
  • a diametrically magnetized ring or part ring Magnctcn with a shaft of the adjusting device, in particular the Abtricbswcllc and the magnet opposite a stationary magnetic field sensor, such as a Hall sensor to provide.
  • a stationary magnetic field sensor such as a Hall sensor
  • the object of the invention is to provide an adjusting device for arranged in motor vehicles control elements, in particular flaps, with the reliable and cost an angular position can be determined.
  • the adjusting device has two magnets connected at a distance from the output shaft for determining the angle.
  • the output shaft of the adjusting device is preferably a shaft arranged behind a transmission. However, it may also be another shaft of the actuator.
  • a magnetically stationary magnification sensor is provided.
  • the magnetic field sensor which is in particular a Hall sensor or Hall switch, which is preferably freely programmable, is arranged, for example, in the housing of the actuating device or connected thereto. Rods or pin magnets are preferably provided as magnets.
  • the two magnets are connected to one another via a magnetically connecting element.
  • Linearisation of the magnetic field is understood to mean that the course of the field strength has a sufficient linearity, deviations from an exact, linear magnetic field characteristic of up to 20%, preferably up to 10%, being tolerable.
  • a magnetizable connecting element which in a particularly preferred embodiment is a metal wire
  • a sufficient linearization of the magnetic field in the angular range of interest of, for example, 90% can be achieved.
  • deviations from an exact linear course can be compensated, for example, by programming the Hall sensor accordingly.
  • the magnets are connected at a fixed distance to the output shaft with this, the magnets move on a circular line. It is therefore preferable to arrange the connecting element also on a circular line.
  • a holding element is preferably connected to the output shaft.
  • the retaining element was a gearwheel of a gearbox provided in the adjusting device.
  • the connecting element is connected to the holding element.
  • the connecting element which is preferably a wire, preferably disposed within the holding element. Since the retaining element is preferably made of plastic, it is possible to inject the connecting element or the wire into the retaining element or to encase it with plastic.
  • the magnetic field sensor is connected to a reinforcing element.
  • the reinforcing element is preferably a magnetisable, preferably cylindrical pin or wire which is preferably located on the back of the magnetic field sensor, i. H. is arranged on the side facing away from the magnets of the magnetic field sensor.
  • the reinforcing element preferably runs perpendicular to the connecting element.
  • the amplitude is at least 20 mT.
  • FIG. 1 is a schematic exploded view of an actuating device
  • Fig. 2 is a schematic plan view of a magnet supporting
  • Fig. 3 is a diagram of the magnetic field strength over the angle.
  • An adjusting device has an electric motor 10, which drives a drive shaft 12.
  • a worm wheel 14 is arranged by means of holding elements 16.
  • the worm wheel 14 engages in a gear 18.
  • the gear 18 is rotatably supported in the housing hoists 20 and fixedly connected to a Abreteswclle not shown.
  • the Abreteswclle protrudes through an opening 22 of the housing half 24 and is mounted in an opposite housing half 24 in a cylindrical receptacle 26.
  • a solder-proof sensor 32 (FIG. 1).
  • the sensor 32 is arranged on a printed circuit board 34 which is held in the housing half 20.
  • the two magnets 28, 30 via a as Connecting element serving wire 36 (Fig. 2) connected to each other.
  • the wire 36 is disposed within the gear 18 and accordingly encapsulated by plastic.
  • the connecting element 36 is formed as a quarter krcis and made of a metal wire with a diameter of 1.5 mm.
  • the Hall sensor used was provided with a reinforcing element at its back.
  • a reinforcing element was a cylindrical metal pin with a diameter of 3 mm and a length of 7 mm.
  • the pin magnets were also cylindrical and had a diameter of 2 mm and a length of 3 mm.
  • the Hall sensor was placed at a distance of 3 mm from the magnets 28, 30.
  • a good linearization of the curve can be achieved without the provision of the connecting element, provided that a reinforcing element is provided when the distance of the Hall sensor is increased to the pin magnet.
  • this has the considerable disadvantage that the amplitude decreases and thus the measurement accuracy drops. If the distance of the Hall sensor from the magnet is increased to 6 mm, the measured curve is between +10 rriT and -5 mT.
  • the reinforcing element was additionally removed.
  • the amplitude has decreased further, so that the measuring range has been about +4 mT to -3 mT.
  • the reinforcing element was removed in a further measurement.
  • a good linearized curve could still be measured.
  • the amplitude decreased so that the measurement was in a range of about +18 mT - -13 mT.

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Abstract

Eine Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Stellglieder, insbesondere Klappen, weist eine mit dem Stellglied verbindbare Abtriebswelle auf. Ferner sind zwei in einem Abstand zu der Abtriebswelle mit dieser verbundenen Magnete (28, 30) vorgesehen. Zur Messung des Magnetfeldes ist ein ortsfester, beispielsweise im Gehäuse (20) angeordneter Magnetfeldsensor (32) vorgesehen. Um Winkellagen zwischen den beiden Magneten (28, 30) messen zu können, ist zur Linearisierung des Magnetfeldes ein Verbindungselement (36), insbesondere ein Draht, vorgesehen, der die beiden Magnete (28, 30) miteinander verbindet.

Description

STELLEINRICHTUNG MIT MAGNETFELDSENSOR
Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Stellelemente, insbesondere Klappen. Bei den Klappen handelt es sich beispielsweise um Drosselklappen, Drallklappen oder Abgasklappen.
Zum Stellen von Klappen sind diese mit einer Stelleinrichtung verbunden. Die Stelleinrichtung weist eine Antriebseinrichtung, wie eine Elektromotor, auf. Dieser treibt üblicherweise über ein zwischengeschaltetes Getriebe eine Abtrϊebswelle an. Die Abtriebswelle ist unmittelbar oder mittelbar mit der Klappe verbunden. Eine mittelbare Verbindung kann beispielsweise über ein Getriebe, ein Gestänge oder einen Hebel erfolgen. Mit Hilfe der Stelleinrichtung kann somit ein Verschwenken der Klappe in unterschiedliche Stellungen erfolgen. Beispielsweise bei Drosselklappen sind nicht nur die Endstellungen, sondern auch Zwischenstellungen wichtig. Es ist somit erforderlich, den Schwenkwinkel der Klappe zu bestimmen. Hierzu ist es bekannt, in der Stelleinrichtung ein Potentiometer vorzusehen, wobei ein Schleifer des Potentiometers mit einer Welle der Stelleinrichtung, beispielsweise der Abtriebswelle, verbunden ist. Nachteilig bei der Verwendung eines Potentiometers ist jedoch, dass dieses verschleϊßanfällig ist und auf Grund des Verschleißes Ungenauigkeiten hervorgerufen werden. Um eine beruhrungslose Winkelerfassung zu ermöglichen, ist es ferner bekannt, einen diametral magnetisierten Ring- oder Teilring-Magnctcn mit einer Welle der Stelleinrichtung, insbesondere der Abtricbswcllc zu verbinden und dem Magneten gegenüberliegend einen ortsfesten Magnetfeldsensor, wie einen Hall-Sensor, vorzusehen. Derartige Ringmagnete sind jedoch teuer.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Stellelemente, insbesondere Klappen, zu schaffen, mit der zuverlässig und kostengünstig eine Winkellage bestimmt werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung weist zur Winkelbestimmung zwei in einem Abstand zur Abtriebswelle mit dieser verbundene Magnete auf. Hierbei handelt es sich bei der Abtriebswelle der Stelleinrichtung vorzugsweise um eine hinter einem Getriebe angeordnete Welle. Es kann sich jedoch auch um eine andere Welle der Stelleinrichtung handeln. Dem Magneten gegenüberliegend ist ein ortsfest angeordneter Magnctfcldsensor vorgesehen. Der Magnetfeldsensor, bei dem es sich insbesondere um einen Hall-Sensor oder Hall-Schalter handelt, der vorzugsweise frei programmierbar ist, ist beispielsweise im Gehäuse der Stelleinrichtung angeordnet oder mit diesem verbunden. Als Magneten sind vorzugsweise Stab- oder Stiftmagneten vorgesehen. Um mit Hilfe des Magnetfeldsensors eine Winkellage detektieren zu können, sind die beiden Magnete erfindungsgemäß über ein magnetϊsicrbarcs Verbindungselement miteinander verbunden. Hierdurch erfolgt in dem Winkelbereich zwischen den beiden Magneten eine Linearϊsierung des Magnetfeldes. Hierbei wird unter Linearisϊerung des Magnetfeldes verstanden, dass der Verlauf der Feldstärke eine ausreichende Linearϊtät aufweist, wobei Abweichungen von einem exakten, linearen Magnetfeldverlauf von bis zu 20 %, vorzugsweise bis zu 10 % tolerierbar sind. Durch das Vorsehen eines magnetϊsierbaren Verbindungselcmentes, bei dem es sich in besonders bevorzugter Ausführungsform um einen Metalldraht handelt, kann eine ausreichende Linearisierung des Magnetfeldes in dem interessierenden Winkelbereich von beispielsweise 90 % erzielt werden. Hierbei können Abweichungen von einem exakten linearen Verlauf beispielsweise dadurch ausgeglichen werden, dass der Hall-Sensor entsprechend programmiert wird.
Da die Magnete in einem festen Abstand zur Abtriebswelle mit dieser verbunden sind, bewegen sich die Magnete auf einer Kreislinie. Es ist daher bevorzugt, das Verbindungselement ebenfalls auf einer Kreislinie anzuordnen.
Zur Aufnahme der Magnete ist vorzugsweise ein Halteelement mit der Abtriebswelle verbunden. Bei dem Halteelement handelte es sich in besonders bevorzugter Ausfuhrungsform um ein Zahnrad eines in der Stelleinrichtung vorgesehenen Getriebes. Vorzugsweise ist auch das Verbindungselement mit dem Halteelement verbunden. Hierbei ist das Verbindungselement, bei dem es sich vorzugsweise um einen Draht handelt, vorzugsweise innerhalb des Halteelementes angeordnet. Da das Halteelement vorzugsweise aus Kunststoff ist, ist es möglich, das Verbindungselement, bzw. den Draht, in das Halteelement einzuspritzen bzw. mit Kunststoff zu umsprϊtzen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor mit einem Verstärkungselement verbunden. Bei dem Verstärkungselement handelt es sich vorzugsweise um einen magnetisierbaren, vorzugsweise zylindrischen Stift oder Draht, der vorzugsweise auf der Ruckseite des Magnetfeldsensors, d. h. auf der von den Magneten abgewandten Seite des Magnetfeldsensors angeordnet ist. Das Verstärkungselement verläuft vorzugsweise senkrecht zu dem Verbindungselement.
Um eine gute Messung der Winkellage zu erzielen, ist es bevorzugt, dass die Amplitude mindestens 20 mT beträgt. Nachfolgend wird die Erfindung an Hand einer bevorzugten Ausfuhrungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen :
Fig. 1 eine schematische Explosionsansicht einer Stelleinrichtung,
Fig. 2 eine schematische Draufsicht eines die Magneten tragenden
Zahnrades und
Fig. 3 ein Diagramm der Magnetfeldstärke über den Winkel.
Eine Stelleinrichtung weist einen Elektromotor 10 auf, der eine Antriebswelle 12 antreibt. Auf der Antriebswelle 12 ist ein Schneckenrad 14 mit Hilfe von Halteelementen 16 angeordnet. Das Schneckenrad 14 greift in ein Zahnrad 18 ein. Das Zahnrad 18 ist in der Gehäusehäifte 20 drehbar gehalten und mit einer nicht dargestellten Abtriebswclle fest verbunden. Die Abtriebswclle ragt durch eine Öffnung 22 aus der Gehäusehälfte 24 heraus und ist in einer gegenüberliegenden Gehäusehälfte 24 in einer zylindrischen Aufnahme 26 gelagert.
Zur Erfassung einer Winkellage der Abtriebswelle, die einer Winkellage des fest mit der Abtriebswelle verbundenen Zahnrads 18 entspricht, sind in dem Zahnrad zwei Stiftmagnete 28, 30 beispielsweise in einem Winkel von σ = 90° zueinander mit dem Zahnrad 18 verbunden. Den beiden Magneten 28, 30 gegenüberliegend ist ein ottsfester Sensor 32 (Fig . 1) vorgesehen. Der Sensor 32 ist auf einer Leiterplatte 34, die in der Gehäusehälfte 20 gehalten ist, angeordnet.
Um die erfindungsgemäße Linearisierung des Magnetfeldes innerhalb des Stellwinkels υ zu realisieren, sind die beiden Magneten 28, 30 über einen als Verbindungselement dienenden Draht 36 (Fig. 2) miteinander verbunden. Der Draht 36 ist innerhalb des Zahnrades 18 angeordnet und dementsprechend von Kunststoff umspritzt.
In einem Versuch, dessen Ergebnis in dem in Fig. 3 dargestellten Diagramm dargestellt ist, beträgt der Winkel a, d. h. der Magnetabstand, 90°. Das Verbindungselement 36 ist als Viertelkrcis ausgebildet und aus einem Metalldraht mit einem Durchmesser von 1,5 mm hergestellt. Der verwendete Hall-Sensor war mit einem Verstärkungselement an seiner Ruckseite versehen. Als Verstärkungselement diente ein zylindrischer Metallstift mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Länger von 7 mm. Die Stiftmagnete waren ebenfalls zylindrisch ausgebildet und wiesen einen Durchmesser von 2 mm und eine Länge von 3 mm auf. Der Hall-Sensor wurde in einem Abstand von 3 mm zu den Magneten 28, 30 angeordnet.
In dem interessierenden Winkelbereich von α = 90° wurde ein Kurvenverlauf mit einer ausreichenden Lϊnearität ermittelt. Mit dieser Anordnung ist es somit auf einfache Weise möglich, in dem Winkelbereich α unterschiedliche Winkel anzufahren bzw. zu messen. Da die Kurve im Bereich von ca. 28 mT bis -20 mT verläuft, weist die Kurve auch eine ausreichend hohe Amplitude auf, um ein zufriedenstellendes Messsignal mit dem Hall-Sensor zu erzielen.
Ferner durchgeführte Messungen haben gezeigt, dass ohne das Vorsehen des erfindungsgemäßen Verbändungselementes eine Abflachung der Kurve zwischen den beiden Stiftmagneten, d. h. im dargestellten Ausführungsbeispiel bei (x = 45° erfolgt. Dies kann zu Messungcnauigkeϊten und somit zu einer nicht exakten Winkelbestimmung führen. Eine gewisse Verringerung der Abflachung kann bereits dadurch erzielt werden, dass der Hall-Sensor mit einem Verstärkungselement verbunden wird.
Eine gute Linearisierung der Kurve kann auch ohne das Vorsehen des Verbindungselementes erzielt werden, sofern ein Verstärkungselement vorgesehen ist, wenn der Abstand des Hall-Sensor zu den Stiftmagneten vergrößert wird. Dies hat jedoch den erheblichen Nachteil, dass die Amplitude abnimmt und somit die Messgenauigkeit sinkt. Bei einer Vergrößerung des Abstands des Hall-Sensors von dem Magneten auf 6 mm liegt die Messkurve zwischen +10 rriT und -5 mT.
Bei einer weiteren Messung wurde zusätzlich das Verstärkungselement entfernt. Hierdurch hat sich die Amplitude weiter verringert, so dass der Messbereich ca. +4 mT bis -3 mT betragen hat.
Ausgehend von dem in Fig. 3 dargestellten Diagramm wurde in einer weiteren Messung das Verstärkungselement entfernt. Hierbei konnte weiterhin eine gute linearisierte Kurve gemessen werden. Die Amplitude verringerte sich jedoch, so dass die Messung in einem Bereich von ca. +18 mT - -13 mT lag.
Bei einer weiteren Messung wurde wiederum von den an Hand Fig. 3 beschriebenen Messbedingungen ausgegangen, wobei jedoch der Abstand des Hall-Sensors von den Magneten auf 3 mm erhöht wurde. Hierbei erfolgte eine gute Linearisierung, jedoch eine erhebliche Verringerung der Amplitude, so dass der Messbereich nur noch im Bereich von ca, + 11 mT bis -6 mT lag.

Claims

Patentansprüche
1. Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Stellglieder, insbesondere Klappen, wie Drall-, Drossel- oder Abgasklappen, mit
einer mit dem Stellglied verbindbaren Abtriebswellc,
zwei in einem Abstand zur Abtriebswelle mit dieser verbundenen Magnete (28, 30) und
einem ortsfest angeordneten Magnetfeldsensor (32),
wobei die Magnete (28, 30) über ein magnetisierbares Verbindungselement (36) zur Linearisierung des Magnetfeldes miteinander verbunden sind.
2. Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (36) als Draht ausgebildet ist.
3. Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement entlang einer Kreislinie verläuft.
4. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche I - 3, gekennzeichnet durch ein mit der Abtriebswelle verbundenes, die Magnete tragendes Halteelement (18).
5. Stelleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (36) mit dem Halteelement (18) verbunden, insbesondere innerhalb des Halteelementes (18) angeordnet ist.
6. Stelleinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (18) ein Zahnrad der Stelleinrichtung ist.
7. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor mit einem Verstärkungselement zur Verstärkung des vom Magnetfeldsensor (32) messbaren Magnetfeldes verbunden ist.
8. Stelleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement auf der von den Magneten (28, 30) abgewandten Seite des Magnetfeldsensors (32) angeordnet ist.
EP05816318A 2004-12-23 2005-12-06 Stelleinrichtung mit magnetfeldsensor Withdrawn EP1828575A1 (de)

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