WO2012143250A2 - Positionsgeber insbesondere zur bestimmung der position eines läufers eines planaren direktantriebs - Google Patents

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    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/245—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train
    • G01D5/2451—Incremental encoders

Definitions

  • Position sensor in particular for determining the position of a rotor of a planar direct drive
  • the invention relates to a position sensor, in particular for determining the position of a rotor of a planar direct drive.
  • Planar direct drives also referred to as planar motor
  • planar motor are known from the prior art.
  • planar direct drive with a planar passive unit with magnetizable teeth and an active unit with coils for generating a variable magnetic flux is described.
  • Position sensors according to the field of the invention are used in linear and planar direct drives for determining the position of the rotor with respect to the tooth structure of the stator.
  • DE 195 13 325 A1 discloses a Hall sensor displacement measuring device, in particular for planar fine positioning in the ⁇ range.
  • a disadvantage of this displacement measuring device is that the hysteresis is relatively large.
  • Another disadvantage is the dependence of the sensor signals on the speed of the rotor movement.
  • the position sensor comprises two multi-part U-shaped magnetic conductors, wherein teeth are formed on the poles of the iron cores of each magnetic conductor and the difference of group coordination of the teeth is (a ⁇ 0.5) Z (a is any integer, Z period of the arrangement the teeth).
  • One of the parts of the U-shaped magnetic conductor has a permanent net connected in series.
  • Magnetic induction transducers are constructively or magnetically mounted in proximity to a pair of like magnetic poles of the iron cores of a pair of U-shaped magnetic conductors such that the output of the transducers is directly proportional to the difference in magnetomotive force of those magnetic poles.
  • a disadvantage of this position sensor is that the north-south pole of the permanent magnet extends transversely between the teeth of the magnetic conductor, whereby the magnetic flux always passes through two poles. As a result, the generated sensor signal is relatively weak and also sensitive to magnetic interference fields.
  • the object of the present invention is to provide a position sensor which provides a stronger sensor signal and is relatively insensitive to magnetic interference fields.
  • the position sensor according to the invention comprises a trough-shaped or box-shaped main body made of a soft magnetic material.
  • at least one permanent magnet is arranged such that its north-south pole axis is perpendicular to an open base of the body.
  • Poles with a tooth structure are arranged on this permanent magnet in two rows parallel to the measuring direction, the tooth flanks of the tooth structure extending parallel to a plane enclosing the north-south pole axis of the permanent magnet.
  • sensors for determining the field strength and / or the magnetic flux are sensors for determining the field strength and / or the magnetic flux.
  • the main body which may be formed in one or more parts, serves in addition to its function as a transmitter housing as a magnetic shield and thus ensures the magnetic and electromagnetic shielding of the poles and the sensors.
  • the shielding function of the main body ensures that the magnetic fields of the drive have only a negligible influence on the measuring signals of the sensors.
  • a constant bias for the used stator section is achieved by the main body. As a result, premagnetization-induced disturbances of the measurement signals are largely prevented.
  • the encoder comprises six poles.
  • the tooth structure of the poles located in a first row are each offset by a quarter period and the tooth structure of the poles arranged in a second row is offset in each case by half a period with respect to the first row.
  • a permanent magnet which is preferably formed as a magnetic plate can be used.
  • representation it is also possible to use, for example, six permanent magnets distributed regularly on the base body. The magnetic plate and the individual permanent magnets occupy the same space.
  • the position sensor is formed with eight poles.
  • the tooth structure of a second pole located in a first row is offset by 0.5 period
  • the tooth structure of a third pole located in a first row is offset by 0.25 period
  • the tooth structure of one in a first row fourth pole is offset by 0.75 period
  • the tooth structure of the arranged in a second row poles with respect to the first row is offset by half a period.
  • a magnetic plate designed as a permanent magnet can be used.
  • the use of eight permanent magnets is possible.
  • the position sensor on a plate made of a soft magnetic material.
  • the soft magnetic plate close the magnetic circuits, consisting of the permanent magnets, the poles and the box-shaped body.
  • the soft magnetic plate is a stator section having a tooth structure. It has proved to be advantageous if the period of the tooth structure of the individual poles corresponds to the period of the tooth structure of the stator.
  • Fig. 1 an encoder according to the invention in a view from above
  • Fig. 2 the encoder according to the invention in a sectional view taken along a line AA in Fig. 1;
  • FIG. 3 shows the encoder according to the invention in a sectional view along a
  • An encoder comprises a trough-shaped or box-shaped, soft-magnetic basic body 01.
  • the main body 01 is constructed in one or more parts and encloses the sensor on its side surfaces and the top surface.
  • the base surface opposite the top surface remains at least partially open.
  • a permanent magnet 02 in the form of a magnetic plate is arranged in the embodiment shown here.
  • a plurality of individual permanent magnets 02 can be used.
  • the individual magnets and the magnetic plate occupy substantially the same space.
  • On the permanent magnet 02 in each case three poles 03 are arranged in two rows parallel to the measuring direction. Of course, another number of poles is also possible. For example, the arrangement of a total of eight poles 03 has proved to be advantageous.
  • the poles 03 have a tooth structure 04.
  • the tooth flanks of the tooth structure 04 run parallel to a north-south pole axis of the permanent magnet 02 enclosing plane.
  • the tooth structure 04 of the poles 03 located in a first row is offset by a quarter period in each case.
  • the tooth structure 04 of the poles 03 arranged in a second row is in each case offset by half a period with respect to the first row.
  • poles 03 sensors 05 are arranged, which serve to determine the field strength and / or the magnetic flux.
  • magnetoresistive sensors or Hall sensors can be used as sensors.
  • the encoder according to the invention is arranged on a soft-magnetic plate (not shown), a total of six magnetic circuits consisting of the permanent magnet 02, the poles 03 and the main body 01 are closed in the illustrated embodiment. Because of the north-south pole axis of the permanent magnet 02, which is perpendicular to the running surface of the drive, the field lines of each circle run only through one pole 03 of the encoder.
  • the main body 01 serves not only as a transmitter housing, but at the same time provides magnetic and electromagnetic shielding of the poles 03 and the sensors 05.
  • the main body 01 is magnetically substantially closed with the exception of the base area in which the tooth structure 04 of the poles lies ,
  • the main body 01 ensures a uniform, constant magnetization of the running surface of the drive in the region covered by the encoder.
  • the tread is a stator section.
  • the stator section has a tooth structure.
  • the period of the tooth structure 04 of the individual poles 03 corresponds to the period of the tooth structure of the stator section.
  • the encoder according to the invention can be attached to the rotor of the direct drive or integrated in this.
  • the poles of the transmitter are then preferably in a plane with the pole teeth of the rotor.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Positionsgeber insbesondere zur Bestimmung der Position eines Läufers eines planaren Direktantriebs mit einem wannen- oder kastenförmigen, weichmagnetischen Grundkörper (01), mindestens einem innerhalb des Grundkörpers (01) angeordneten Permanentmagneten (02), wobei die Nord-Südpol-Achse des Permanentmagneten (02) senkrecht zu einer offenen Grundfläche des Grundkörpers (01) verläuft, auf dem Permanentmagneten (02) in zwei zur Messrichtung parallelen Reihen angeordneten Polen (03) mit einer Zahnstruktur (04), wobei die Zahnflanken der Zahnstruktur (04) parallel zu einer durch die Nord-Südpol-Achse des Permanentmagneten (02) verlaufenden Ebene verlaufen, zwischen den Polen (03) angeordneten Sensoren (05) zur Ermittlung der Feldstärke und / oder des magnetischen Flusses.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Positionsgeber insbesondere zur Bestimmung der Position eines Läufers eines planaren Direktantriebs
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Positionsgeber insbesondere zur Bestimmung der Position eines Läufers eines planaren Direktantriebs.
Planare Direktantriebe, auch als Planarmotor bezeichnet, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Hierzu sei beispielhaft auf die WO 2007/135006 A1 verwiesen, in welcher ein planarer Direktantrieb mit einer planen Passiveinheit mit magnetisierbaren Zähnen und einer Aktiveinheit mit Spulen zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses beschrieben ist.
Positionsgeber nach dem Gebiet der Erfindung werden bei linearen und planaren Direktantrieben zur Bestimmung der Lage des Läufers bezüglich der Zahn- struktur des Stators verwendet.
Aus der DE 195 13 325 A1 ist eine Hallsensorwegmesseinrichtung insbesondere zur planaren Feinpositionierung im μ-Bereich bekannt. Nachteilig bei dieser Wegmesseinrichtung ist, dass die Hysterese relativ groß ist. Ein weiterer Nach- teil ist die Abhängigkeit der Sensorsignale von der Geschwindigkeit der Läuferbewegung.
Die DE 101 03 478 A1 beschreibt einen Positionssensor für den Anker eines elektromagnetischen Schrittmotors. Der Positionssensor umfasst zwei mehrtei- lige U-förmige Magnetleiter, wobei auf den Polen der Eisenkerne jedes Magnetleiters Zähne ausgebildet sind und die Differenz der Gruppenkoordination der Zähne gleich (a ± 0,5)Z ist (a beliebige ganze Zahl, Z Periode der Anordnung der Zähne). An eines der Teile der U-förmigen Magnetleiter ist ein Dauermag- net in Reihe angeschlossen. Magnet-Induktionswandler sind konstruktiv oder in magnetischer Beziehung so in der Nähe eines Paares von gleichnamigen Magnetpolen der Eisenkerne eines Paares von U-förmigen Magnetleitern angebracht, dass das Ausgangssignal der Wandler direkt proportional zur Differenz der magnetomotorischen Kraft dieser Magnetpole ist. Nachteilig bei diesem Positionssensor ist, dass der Nord-Südpol des Dauermagneten quer zwischen den Zähnen der Magnetleiter verläuft, wodurch der magnetische Fluss immer durch zwei Pole verläuft. Das erzeugte Sensorsignal ist dadurch bedingt relativ schwach und außerdem auch empfindlich für magnetische Störfelder.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend von der DE 101 03 478 A1 darin, einen Positionsgeber zur Verfügung zu stellen, welcher ein stärkeres Sensorsignal liefert und relativ unempfindlich gegenüber magnetischen Störfeldern ist.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient ein Positionsgeber gemäß dem beigefügtem Anspruch 1 .
Der erfindungsgemäße Positionsgeber umfasst einen wannen- oder kasten- förmigen Grundkörper aus einem weichmagnetischen Material. Innerhalb dieses Grundkörpers ist mindestens ein Permanentmagnet derart angeordnet, dass seine Nord-Südpol-Achse senkrecht zu einer offenen Grundfläche des Grundkörpers verläuft. Auf diesem Permanentmagneten sind in zwei zur Messrichtung parallele Reihen Pole mit einer Zahnstruktur angeordnet, wobei die Zahnflanken der Zahnstruktur parallel zu einer die Nord-Südpol-Achse des Permanentmagneten einschließenden Ebene verlaufen. Zwischen den Polen befinden sich Sensoren zur Ermittlung der Feldstärke und/oder des magnetischen Flusses. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Gebers besteht darin, dass durch die Anordnung des Permanentmagneten der sich beim Schließen der magnetischen Kreise jeweils ergebende magnetische Fluss immer nur durch einen Pol des Gebers verläuft. Aus diesem Grund kann ein im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich stärkeres Sensorsignal erzeugt werden. Durch die Realisierung einer höheren magnetischen Aussteuerung besteht eine geringere Störempfindlichkeit gegenüber Restmagnetfeldern. Außerdem steht ein höherer Nutzpegel zur Verfügung. Da der Permanentmagnet nicht mehr zwi- sehen den Polen des Gebers angeordnet ist, kann ein geringerer seitlicher Abstand zwischen den Polen und damit eine geringere Ausdehnung des Positionsgebers realisiert werden, was den Vorteil einer geringeren Empfindlichkeit auf Verdrehung mit sich bringt. Die magnetische Aussteuerung der einzelnen Pole kann separat eingestellt werden. Da die Pole nicht mehr in Reihe geschal- tet sind, besteht auch nicht mehr das Problem einer gegenseitigen Beeinflussung des magnetischen Flusses.
Der Grundkörper, der ein- oder mehrteilig ausgebildet sein kann, dient neben seiner Funktion als Gebergehäuse auch als magnetische Abschirmung und sorgt somit für die magnetische und elektromagnetische Abschirmung der Pole sowie der Sensoren. Es erfolgt insbesondere eine Abschirmung gegen magnetische Störfelder aus dem Motorluftspalt (Kurzschluss dieser Felder) sowie eine allseitige Abschirmung gegen elektromagnetische Felder. Durch die Abschirmfunktion des Grundkörpers wird sichergestellt, dass die Magnetfelder des An- triebs nur einen vernachlässigbar geringen Einfluss auf die Messsignale der Sensoren haben. Weiterhin wird durch den Grundkörper eine konstante Vormagnetisierung für den genutzten Statorabschnitt erreicht. Damit werden durch Vormagnetisierung hervorgerufene Störungen der Messsignale weitestgehend verhindert.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Geber sechs Pole. Die Zahnstruktur der sich in einer ersten Reihe befindenden Pole sind hierbei um jeweils eine Viertel Periode versetzt und die Zahnstruktur der in einer zweiten Reihe angeordneten Pole ist jeweils in Bezug zur ersten Reihe um eine halbe Periode versetzt.
Als das Messmagnetfeld erzeugende Quelle kann ein Permanentmagnet, der vorzugsweise als magnetische Platte ausgebildet ist, verwendet werden. Dar- über hinaus ist es aber auch möglich, z.B. sechs auf dem Grundkörper regelmäßig verteilt angeordnete Permanentmagnete einzusetzen. Die magnetische Platte und die einzelnen Permanentmagneten nehmen den gleichen Bauraum ein.
Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform ist der Positionsgeber mit acht Polen ausgebildet. Bei dieser Ausführung ist die Zahnstruktur eines sich in einer ersten Reihe befindenden zweiten Pols um 0,5 Periode versetzt, die Zahnstruktur eines sich in einer ersten Reihe befindenden dritten Pols ist um 0,25 Periode versetzt, die Zahnstruktur eines sich in einer ersten Reihe befindenden vierten Pols ist um 0,75 Periode versetzt, die Zahnstruktur der in einer zweiten Reihe angeordneten Pole in Bezug zur ersten Reihe ist jeweils um eine halbe Periode versetzt. Auch bei dieser Ausführungsform kann ein als magnetische Platte ausgeführter Permanentmagnet eingesetzt werden. Alternativ ist die Verwendung von acht Permanentmagneten möglich.
Von Vorteil ist es, den Positionsgeber auf einer Platte aus einem weichmagnetischen Material anzuordnen. Durch die weichmagnetische Platte schließen sich die magnetischen Kreise, bestehend aus den Permanentmagneten, den Polen und dem kastenförmigen Grundkörper.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die weichmagnetische Platte ein Statorabschnitt, welcher eine Zahnstruktur aufweist. Hierbei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Periode der Zahnstruktur der einzelnen Pole der Periode der Zahnstruktur des Stators entspricht.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Fig. 1 : einen erfindungsgemäßen Geber in einer Ansicht von oben; Fig. 2: den erfindungsgemäßen Geber in einer Schnittdarstellung entlang einer Linie A-A in Fig. 1 ;
Fig. 3: den erfindungsgemäßen Geber in einer Schnittdarstellung entlang einer
Linie B-B in Fig. 1 .
Ein erfindungsgemäßer Geber umfasst einen wannen- oder kastenförmigen, weichmagnetischen Grundkörper 01 . Der Grundkörper 01 ist ein- oder mehrteilig aufgebaut und umschließt den Sensor an seinen Seitenflächen und der Deckfläche. Die der Deckfläche gegenüberliegende Grundfläche bleibt zumin- dest teilweise geöffnet. Im Inneren dieses Grundkörpers 01 ist bei der hier gezeigten Ausführungsform ein Permanentmagnet 02 in Form einer magnetischen Platte angeordnet. Bei alternativen Ausführungsformen können mehrere, einzelne Permanentmagneten 02 zum Einsatz kommen. Die Einzelmagneten und die magnetische Platte nehmen dabei im Wesentlichen den gleichen Bauraum ein. Auf dem Permanentmagneten 02 sind in zwei zur Messrichtung parallelen Reihen jeweils drei Pole 03 angeordnet. Eine andere Polzahl ist natürlich ebenfalls möglich. Als vorteilhaft hat sich beispielsweise die Anordnung von insgesamt acht Polen 03 erwiesen. Die Pole 03 weisen eine Zahnstruktur 04 auf. Die Zahnflanken der Zahnstruktur 04 verlaufen parallel zu einer die Nord-Südpol-Achse des Permanentmagneten 02 einschließenden Ebene. Wie insbesondere Fig. 1 bzw. Fig. 2 entnommen werden kann, ist die Zahnstruktur 04 der sich in einer ersten Reihe befindenden Pole 03 um jeweils eine Viertel Periode versetzt. Die Zahnstruktur 04 der in einer zweiten Reihe angeordneten Pole 03 ist in Bezug zur ersten Reihe jeweils um eine halbe Periode versetzt.
Zwischen den Polen 03 sind Sensoren 05 angeordnet, welche zur Ermittlung der Feldstärke und/oder des magnetischen Flusses dienen. Als Sensoren kön- nen beispielsweise magnetoresistive Sensoren oder Hall-Sensoren eingesetzt werden. Wird der erfindungsgemäße Geber auf einer weichmagnetischen Platte (nicht dargestellt) angeordnet, schließen sich bei der gezeigten Ausführungsform insgesamt sechs magnetische Kreise bestehend aus dem Permanentmagnet 02, den Polen 03 und dem Grundkörper 01 . Die Feldlinien jedes Kreises verlaufen aufgrund der senkecht zur Lauffläche des Antriebes stehenden Nord-Südpol- Achse des Permanentmagnetes 02 jeweils nur durch einen Pol 03 des Gebers.
Der Grundkörper 01 dient nicht nur als Gebergehäuse, sondern bietet gleichzei- tig eine magnetische und elektromagnetische Abschirmung der Pole 03 sowie der Sensoren 05. Der Grundkörper 01 ist dafür magnetisch im Wesentlichen geschlossen, mit Ausnahme der Grundfläche, in der die Zahnstruktur 04 der Pole liegt. Außerdem sorgt der Grundkörper 01 für eine gleichartige, konstante Magnetisierung der Lauffläche des Antriebes im jeweils vom Geber überdeck- ten Bereich. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Lauffläche ein Statorabschnitt. Der Statorabschnitt weist eine Zahnstruktur auf. Zweckmäßigerweise entspricht die Periode der Zahnstruktur 04 der einzelnen Pole 03 der Periode der Zahnstruktur des Statorabschnitts. Der erfindungsgemäße Geber kann am Läufer des Direktantriebs befestigt oder in diesen integriert sein. Die Pole des Gebers befinden sich dann vorzugsweise in einer Ebene mit den Polzähnen des Läufers.
Bezugszeichenliste
01 - Grundkörper
02 - Permanentmagnet 03 - Pole
04 - Zahnstruktur
05 - Sensor

Claims

Patentansprüche
Positionsgeber, insbesondere zur Bestimmung der Position eines Läufers eines planaren Direktantriebs, umfassend:
einen wannen- oder kastenförmigen, weichmagnetischen Grundkörper (01 );
mindestens einen innerhalb des Grundkörpers (01 ) angeordneten Permanentmagneten (02), wobei die Nord-Südpol-Achse des Permanentmagneten (02) senkrecht zu einer offenen Grundfläche des Grundkörpers (01 ) verläuft;
auf dem Permanentmagneten (02) in zwei zur Messrichtung parallelen Reihen angeordnete Pole (03) mit einer Zahnstruktur (04), wobei die Zahnflanken der Zahnstruktur (04) parallel zu einer die Nord- Südpol-Achse des Permanentmagneten (02) einschließenden Ebene verlaufen;
zwischen den Polen (03) angeordnete Sensoren (05) zur Ermittlung der Feldstärke und/oder des magnetischen Flusses.
Positionsgeber nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er sechs Pole (03) umfasst, wobei die Zahnstruktur (04) der sich in einer ersten Reihe befindenden Pole (03) um jeweils eine Viertel Periode versetzt ist und die Zahnstruktur (04) der in einer zweiten Reihe angeordneten Pole (03) in Bezug zur ersten Reihe jeweils um eine halbe Periode versetzt ist.
Positionsgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet in mehrere Permanentmagnete (02) zerteilt ist, die im Grundkörper (01 ) regelmäßig verteilt und mit jeweils einem der Pole in axialer Richtung ausgerichtet sind. Positionsgeber nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er acht Pole (03) umfasst, wobei die Zahnstruktur (04) eines sich in einer ersten Reihe befindenden zweiten Pols (03) um 0,5 Periode versetzt ist, wobei die Zahnstruktur (04) eines sich in einer ersten Reihe befindenden dritten Pols (03) um 0,25 Periode versetzt ist, wobei die Zahnstruktur (04) eines sich in einer ersten Reihe befindenden vierten Pols (03) um 0,75 Periode versetzt ist, wobei die Zahnstruktur (04) der in einer zweiten Reihe angeordneten Pole (03) in Bezug zur ersten Reihe um jeweils eine halbe Periode versetzt ist.
Positionsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er in oder an einem Läufer eines Direktantriebs angeordnet ist.
Positionsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (01 ) die weiteren Bestandteile des Positionsgebers seitlich und an einer Deckfläche vollständig umschließt, während eine der Deckfläche gegenüberliegende Grundfläche des Grundkörpers wenigstens teilweise geöffnet ist, um die Pole (03) frei zu geben.
Positionsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode der Zahnstruktur (04) der einzelnen Pole (03) der Periode der Zahnstruktur des Stators des Direktantriebs entspricht.
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