WO2017144144A1

WO2017144144A1 - Drehwinkelsensor

Info

Publication number: WO2017144144A1
Application number: PCT/EP2016/082707
Authority: WO
Inventors: Fabian Utermoehlen; Andreas Merz
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2017-08-31
Also published as: EP3420315A1; FR3048079A1; FR3048079B1; DE102016202867B3; US10907992B2; JP6605748B2; US20190025088A1; KR20180115705A; CN109073416B; CN109073416A; JP2019506611A

Abstract

Ein Drehwinkelsensor(10) umfasst ein Statorelement (12) mit einer Statorsendespule (20) und wenigstens einer Statorempfangsspule (22);ein bezüglich des Statorelements (12) um eine Drehachse (A) drehbar gelagertes Rotorelement (14) mit einer Rotorempfangsspule (28) und einer Rotorsendespule (30), die miteinander elektrisch verbunden sind;wobei die Rotorempfangsspule (28) mit der Statorsendespule (20) induktiv gekoppelt ist, so dass ein durch die Statorsendespule (20) erzeugtes elektromagnetisches Feld in der Rotorempfangsspule (28) einen Strom induziert, der durch die Rotorsendespule (30) fließt, so dass die Rotorsendespule (30) ein weiteres elektromagnetisches Feld erzeugt;wobei die wenigstens eine Statorempfangsspule (22) mit der Rotorsendespule (30) induktiv gekoppelt ist, so dass die induktive Kopplung von einem Drehwinkel zwischen dem Statorelement (12) und dem Rotorelement (14) abhängig ist, und das von der Rotorsendespule (30) erzeugte elektromagnetische Feld in der wenigstens einen Statorempfangsspule (22) wenigstens eine winkelabhängige Wechselspannung induziert. Die wenigstens eine Statorempfangsspule (22) weist wenigstens zwei kreisringsektorförmige Teilwindungen (32a, 32b) auf, die das Statorelement (12) in Sektoren aufteilen, und die Rotorsendespule (30) weist eine gleiche Anzahl an sichelförmigen Teilwindungen (34a, 34b) auf, die die Drehachse (A) aufeinanderfolgend umgeben.

Description

Beschreibung Drehwinkelsensor

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor, mit dem beispielsweise ein Drehwinkel zwischen einer Welle und einem weiteren Bauteil bestimmt werd kann.

Stand der Technik

Um Drehwinkel zu messen, sind beispielsweise Drehwinkelsensoren bekannt, bei denen ein Magnet über einen entsprechenden Magnetfeldsensor gedreht wird. Die Messung des Magnetfeldvektors erlaubt dann einen Rückschluss auf den Drehwinkel. Derartige Sensoren reagieren auch auf externe Magnetfelder, die beispielsweise durch einen Stromfluss von benachbart angeordneten Stromkabeln verursacht werden und können sehr störempfindlich sein.

Ein weiterer Typ Drehwinkelsensor nutzt einen Wirbelstromeffekt aus. Dabei wird beispielsweise ein metallisches Target über Sensorspulen bewegt, die mit einer

Wechselspannung versorgt werden und in dem Target einen Wirbelstrom induzieren. Dies führt zur Reduzierung der Induktivitäten der Sensorspulen und erlaubt über eine Frequenzänderung auf den Drehwinkel zu schließen.

Beispielsweise sind die Spulen Bestandteil eines Schwingkreises, dessen Resonanzfrequenz sich bei einer Veränderung der Induktivität verschiebt. Dieser

Typ von Drehwinkelsensor kann jedoch eine hohe Querempfindlichkeit gegenüber Einbautoleranzen (vor allem ein Verkippen des Targets) aufweisen. Auch kann die erzeugte Frequenz durch externe elektromagnetische Felder

KU/SY gestört werden (Injection Locking), da üblicherweise mit Frequenzen im Bereich von einigen zehn MHz gearbeitet wird.

Die EP 0 909 955 Bl zeigt einen Drehwinkelsensor mit auf einem Target kurzgeschlossene planare Leiterschleifen, die mit dem elektromagnetischen Wechselfeld einer Erregerspule wechselwirken.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, einen robusten, kostengünstigen und wenig Bauraum

beanspruchenden Drehwinkelsensor bereitzustellen.

Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor, der insbesondere in einer

Umgebung mit hohen elektromagnetischen Störfeldern eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann der Drehwinkelsensor im Motorraum oder in der Nähe des Motorraums eines Fahrzeugs verwendet werden, beispielsweise zur Bestimmung einer Position einer Drosselklappe; einer Rotorposition eines BLDC-Motors, einer Position eines Fahrpedals oder einer Position einer Nockenwelle. Der im

Folgenden beschriebene Drehwinkelsensor ist kostengünstig, benötigt einen geringen Bauraum und basiert auf einem einfachen Messprinzip.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Drehwinkelsensor ein Statorelement mit einer Statorsendespule und wenigstens einer

Statorempfangsspule; ein bezüglich des Statorelements um eine Drehachse drehbar gelagertes Rotorelement mit einer Rotorempfangsspule und einer Rotorsendespule, die miteinander elektrisch verbunden sind; wobei die

Rotorempfangsspule mit der Statorsendespule induktiv gekoppelt ist, so dass ein durch die Statorsendespule erzeugtes elektromagnetisches Feld in der

Rotorempfangsspule einen Strom induziert, der durch die Rotorsendespule fließt, so dass die Rotorsendespule ein weiteres elektromagnetisches Feld erzeugt; wobei die wenigstens eine Statorempfangsspule mit der Rotorsendespule induktiv gekoppelt ist, so dass die induktive Kopplung von einem Drehwinkel zwischen dem Statorelement und dem Rotorelement abhängig ist, und das von der Rotorsendespule erzeugte elektromagnetische Feld in der wenigstens einen Statorempfangsspule wenigstens eine winkelabhängige Wechselspannung induziert.

KU/SY Mit anderen Worten kann die Statorsendespule mit einer Wechselspannung beaufschlagt werden, die über eine induktive Kopplung der Statorsendespule mit der Rotorempfangspule in der Rotorempfangsspule eine weitere

Wechselspannung induziert. Die in der Rotorempfangsspule erzeugte

Wechselspannung erzeugt einen Stromfluss in der Rotorsendespule, der über eine induktive Kopplung der Rotorsendespule mit einer oder mehreren

Statorempfangsspulen in der oder den Statorempfangsspulen eine weitere Wechselspannung erzeugt, die gemessen werden kann und aus deren

Messwerten ein relativer Drehwinkel zwischen dem Statorelement und dem Rotorelement ermittelt werden kann.

Die wenigstens eine Statorempfangsspule weist wenigstens zwei (bzw. eine gerade Anzahl an) kreisringsektorförmigen Teilwindungen auf, die das

Statorelement in Sektoren aufteilen, und die Rotorsendespule weist eine gleiche Anzahl (d.h. wie die Anzahl der kreisringsektorförmigen Teilwindungen) an sichelförmigen Teilwindungen auf, die die Drehachse in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend umgeben. Eine kreisringsektorförmige Teilwindung kann kreissektorförmig sein (beispielsweise ein Halbkreis oder ein Viertelkreis). Sie kann aber auch die Form eines Sektors eines Rings aufweisen, d.h. eines Abschnitts eines Rings, der von den beiden Kreislinien des Rings und von zwei radial verlaufenden Linien begrenzt ist.

Damit ist jeder Teilwindung der Statorempfangsspule eine Teilwindung der Rotorsendespule zugeordnet, so dass jede Teilwindung der Rotorsendespule in der zugehörigen Teilwindung der Statorempfangsspule ein Wechselfeld induzieren kann. Bei unterschiedlichen Drehwinkeln ergibt sich eine

unterschiedliche Überdeckung der sichelförmigen Teilwindungen mit den kreisringsektorförmigen Teilwindungen, was zu unterschiedlich großen induzierten Wechselspannungen führt.

Weiter ist die Amplitude der Wechselspannung von der Überdeckungsfläche der sichelförmigen Teilwindungen und der kreisringsektorförmigen Teilwindungen abhängig. Diese Überdeckungsfläche kann durch die Form der sichelförmigen Teilwindungen eingestellt werden. Da bei einer Sichelform die

Überdeckungsfläche nicht linear mit dem Drehwinkel zunimmt, kann die funktionelle Abhängigkeit der Amplitude der Wechselspannung vom Drehwinkel durch die Form der Sicheln eingestellt werden. Insbesondere kann eine

KU/SY sinusförmige Abhängigkeit der Amplitude der Wechselspannung vom Drehwinkel eingestellt werden.

Eine kreisringsektorförmige Teilwindung kann zwei kreisbogenförmige

Leiterabschnitte mit unterschiedlichen Radien und zwei radial verlaufende

Leiterabschnitte aufweisen, die mit Enden der kreisbogenförmigen

Leiterabschnitte verbunden sind. Es ist jedoch auch möglich, dass eine kreisringsektorförmige Teilwindung kreisringsektorförmig ist, also lediglich einen kreisbogenförmigen Leiterabschnitt aufweist, der mit zwei radial nahezu bis zur Drehachse verlaufende Leiterabschnitten verbunden ist. Weiter kann eine kreisringsektorförmige Teilwindung auch halbkreisförmig sein. Der Innenradius des die Teilwindung definierenden Kreisringsektors kann dabei vorzugsweise 5 %, maximal 15 % des Außenradius des Kreisringsektors betragen.

Der Drehwinkelsensor beruht auf einem einfachen Messprinzip und kann darüber hinaus kostengünstig realisiert werden, da kein teurer Magnet auf dem

Rotorelement benötigt wird. Durch die Anordnung und Form der Spulen benötigt er geringeren Bauraum. Weiter ist der Drehwinkelsensor robust gegenüber baulichen Toleranzen, wodurch Kosten eingespart werden können. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die sichelförmigen

Teilwindungen durch kreisbogenförmige Leiterabschnitte begrenzt.

Auf diese Weise ist die Abhängigkeit der Amplitude der in einer

Statorempfangsspule induzierten Wechselspannung vom Drehwinkel eine Sinusfunktion. Ein vom Drehwinkel abhängiges sinusförmiges Signal kann leicht ausgewertet und in den Drehwinkel umgerechnet werden. Beispielsweise kann bei zwei Statorempfangsspulen (einem Zweiphasensystem) aus dem Quotienten der beiden Signale der Drehwinkel mittels Arkustangens bestimmt werden. Bei drei Statorempfangsspulen (Dreiphasensystem) kann der Drehwinkel mittels einer Clarke-Transformation der drei Signale und anschließender

Arkustangensberechnung bestimmt werden.

Im Allgemeinen können die Teilwindungen der Statorempfangsspule und die Teilwindungen der Rotorsendespule jeweils symmetrisch um die Drehachse angeordnet sein. Auch können die Teilwindungen der Statorempfangsspule und/oder die Teilwindungen der Rotorsendespule im Wesentlichen gleichartig bzw. identisch ausgeführt sein. Auf diese Weise sind die je Teilwindungspaar induzierten Wechselspannungen gleich groß.

KU/SY Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Rotorsendespule aus zwei gleich großen sichelförmigen Teilwindungen aufgebaut. Dabei können die Durchmesser der kreisbogenförmigen bzw. kreisförmigen Leiterabschnitte einer Teilwindung um weniger als 10% voneinander abweichen. Beispielsweise können die die Leiterabschnitte definierenden Kreise den gleichen Durchmesser aufweisen. Dadurch ergibt sich vorteilhaft eine hohe Signalsymmetrie und eine einfache Rückrechnung. Die Mittelpunkte der die Leiterabschnitte definierenden Kreise können beispielsweise um etwa 5 % des mittleren Durchmessers der beiden Kreise zueinander versetzt sein.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Rotorsendespule aus vier gleich großen, z.B. bezüglich der Fläche her gleich großen, sichelförmigen Teilwindungen aufgebaut und das Verhältnis der Durchmesser der

kreisbogenförmigen bzw. kreisförmigen Leiterabschnitte einer Teilwindung weicht um weniger als 10 % von der Wurzel von 2 (etwa 1,41) ab. Dadurch wird bewirkt, dass innere Leiterbahnabschnitte in äußere Leitbahnabschnitte der benachbarten Sichel übergehen. Dadurch ergibt sich vorteilhaft eine besonders hohe

Sinusförmigkeit der Signale. Eine Verformung der Signale z.B. in Richtung einer Dreiecksfunktion wird dadurch vermieden. Die Mittelpunkte der die

Leiterabschnitte definierenden Kreise können beispielsweise um 1/6 bis zu 1/2, z.B. etwa 1/4, des größeren Radius zueinander versetzt sein.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen die kreisringsektorförmigen Teilwindungen der Statorempfangsspule und die sichelförmigen Teilwindungen der Rotorsendespule jeweils aufeinander abfolgend in Umfangsrichtung bezüglich eines sie durchlaufenden Stroms gegenläufige Orientierung auf. Mit anderen Worten erzeugen in Umfangsrichtung benachbarte sichelförmige Teilwindungen der Rotorsendespule im Wesentlichen antiparallel zueinander verlaufende elektromagnetische Felder. Wenn diese antiparallel zueinander verlaufenden elektromagnetischen Felder in die die kreisringsektorförmigen

Teilwindungen der Statorempfangsspule einkoppeln, werden die erzeugten Wechselspannungen durch eine Serienschaltung miteinander addiert. Umgekehrt heben sich in den kreisringsektorförmigen Teilwindungen induzierte Spannungen eines homogenen Störfelds miteinander auf. Auf diese Weise kann der Einfluss von Störmagnetfeldern (beispielsweise in Folge von hohen Strömen innerhalb von Kabeln, die in Nähe des Drehwinkelsensors angeordnet sind) stark reduziert werden.

KU/SY Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die sichelförmigen Teilwindungen lediglich in einem die Drehachse umgebenden Ringbereich des Rotorelements angeordnet. Auf diese Weise entsteht auf dem Rotorelement eine Fläche, die die Drehachse umgibt und die für weitere Funktionen des

Rotorelements genutzt werden kann. Der Ringbereich kann durch zwei konzentrische Kreise um die Drehachse mit unterschiedlichen Radien definiert werden.

Beispielsweise kann die Rotorempfangsspule in einem die Drehachse umgebenden Innenbereich des Rotorelements angeordnet sein, und die sichelförmigen Teilwindungen können diesen Innenbereich umgegeben. So ist eine hohe Robustheit gegenüber Toleranzen (insbesondere gegenüber radialen Verschiebungen des Rotorelements gegenüber dem Statorelement) sowie ein sehr kleinbauender und kostengünstiger Sensor realisierbar.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umlaufen die Rotorempfangsspule und/oder die Statorsendespule die Drehachse des Drehwinkelsensors kreisförmig, wobei die Drehachse auch der Mittelpunkt, der die Spulen definierenden Kreise, sein kann. Dadurch wird vorteilhaft ein besonders homogenes magnetisches Feld erzeugt (Statorsendespule) bzw. ein möglichst großer Anteil des erzeugten Feldes empfangen (Rotorempfangsspule).

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Rotorsendespule und die wenigstens eine Statorempfangsspule jeweils eine geradzahlige Anzahl an Teilwindungen auf. Auf diese Weise können die beiden Spulen jeweils die gleiche Anzahl an in die eine Richtung und an in die andere Richtung orientierten Teilspulen aufweisen, so dass sich äußere Störfelder vollständig aufheben können. Das in einer Statorempfangsspule empfangene Signal kann somit in Abhängigkeit des Drehwinkels somit im Wesentlichen eine um die Nulllinie oszillierende Sinus-Funktion oder Cosinus-Funktion sein. Dadurch wird die

Auswertung vereinfacht, da keine aufwändige Auswerte- Elektronik notwendig ist, um aus dem erfassten Signalwert auf den Winkel zurückzurechnen. Die

Auswertung kann z.B. mittels einer diskret aufgebauten Schaltung erfolgen oder mit einem sehr einfachen Prozessor.

Unter dem Begriff„eine Rotorsendespule" ist„wenigstens eine Rotorsendespule" zu verstehen. Dies gilt analog auf für die Statorempfangsspule, die

Statorsendespule und die Rotorempfangsspule.

KU/SY Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Statorelement zwei Statorempfangsspulen auf, die in Umfangsrichtung um 90° zueinander versetzt sind; oder wobei das das Statorelement drei Statorempfangsspulen aufweist, die in Umfangsrichtung um 120° zueinander versetzt sind. Eine Mehrzahl von Statorempfangsspulen, die jeweils ein eigenes Signal liefern, kann die

Genauigkeit des Drehwinkelsensors erhöhen. Bei der Auswertung von

Differenzsignalen werden durch äußere Störfelder induzierte Spannungen nicht in die Messung einbezogen, da sie gleichartig auf alle Signale wirken. Bei zwei Statorempfangsspulen kann ein Differenzsignal ausgewertet werden. Bei drei Statorempfangsspulen können drei Differenzsignale ausgewertet werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Statorsendespule und die wenigstens eine Statorempfangsspule planare Spulen, die in und/oder auf einer Stator-Leiterplatte angeordnet sind. Auch können die Rotorempfangsspule und die Rotorsendespule planare Spulen sein, die in und/oder auf einer Rotor- Leiterplatte angeordnet sind. Die Elemente des Drehwinkelsensors können aus einfach herzustellenden Bauteilen aufgebaut sein. Beispielsweise können die Spulen in einer einzigen Lage einer Leiterplatte oder in zwei Lagen einer Leiterplatte ausgebildet sein, wobei die Leiterbahnen in den zwei Lagen durch Vias (Durchkontaktierungen) miteinander verbunden sein können. Dadurch kann ein besonders einfach aufzubauendes und kostengünstiges Leiterplattendesign verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Drehwinkelsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Statorelement für einen Drehwinkelsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 3 zeigt schematisch ein Rotorelement für einen Drehwinkelsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm, in dem die geometrischen Zusammenhänge des Rotorelements aus der Fig. 3 erläutert werden.

Fig. 5 zeigt schematisch ein Rotorelement für einen Drehwinkelsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 6 zeigt schematisch ein Statorelement für einen Drehwinkelsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 7 zeigt schematisch ein Statorelement für einen Drehwinkelsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 8 zeigt schematisch ein Rotorelement für einen Drehwinkelsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 9 zeigt ein Diagramm in dem die geometrischen Zusammenhänge des Rotorelements aus der Fig. 8 erläutert werden.

Fig. 10 zeigt schematisch ein Rotorelement für einen Drehwinkelsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Drehwinkelsensor 10 aus einem Statorelement 12 und einem Rotorelement 14. Das Rotorelement 14 kann auf einer Welle 16 eines Bauteils, wie etwa einer Drosselklappe, einem Motor, einer Nockenwelle, eines

Fahrpedals usw., befestigt sein oder von dieser Welle 16 bereitgestellt werden. Die Welle 16 ist um die Achse A drehbar und das Statorelement 12 liegt dem

Rotorelement 14 in der entsprechenden axialen Richtung gegenüber.

Beispielsweise ist das Statorelement 12 an einem Gehäuse des Bauteils befestigt.

KU/SY Das Statorelement 12 umfasst eine Stator- Leiterplatte 18, auf der eine

Statorsendespule 20 und eine Mehrzahl von Statorempfangsspulen 22 angeordnet sind. Die Stator-Leiterplatte 18 kann eine einlagige, zweilagige oder mehrlagige Stator-Leiterplatte 18 sein und die Leiter der Spulen 20, 22 können sich auf den beiden Seiten der Stator-Leiterplatte 18 und zwischen den einzelnen Lagen der Stator- Leiterplatte 18 befinden. Auf der Stator-Leiterplatte 18 können sich weitere Bauelemente für eine Steuereinheit 24 befinden. Die Steuereinheit 24 kann die Statorsendespule 20 mit einer Wechselspannung (beispielsweise mit einer Frequenz zwischen 1 MHz und 20 MHz, beispielsweise 5 MHz, und/oder mit einer Spannungsamplitude im Bereich von 0,5 V bis 10 V, beispielsweise 1,5 V) versorgen und in jeder Statorempfangsspule 22 eine induzierte

Wechselspannung ermitteln. Basierend auf diesen Messungen kann die

Steuereinheit 24 einen relativen Drehwinkel zwischen dem Statorelement 12 und dem Rotorelement 14 bestimmen.

Das Rotorelement 14 umfasst eine Rotor-Leiterplatte 26. Auf der Rotor- Leiterplatte 26 sind eine Rotorempfangsspule 28 und eine Rotorsendespule 30 angeordnet. Die Rotor-Leiterplatte 26 kann eine einlagige, zweilagige oder mehrlagige Leiterplatte sein und die Leiter der Spulen 28, 30 können sich auf den beiden Seiten der Rotor-Leiterplatte 26 und zwischen den einzelnen Lagen der Rotor-Leiterplatte 26 befinden.

Typische Außenabmessungen (wie etwa Durchmesser) der Statorsendespule 20, der Statorempfangsspulen 22a, 22b, der Rotorempfangsspule 28 und der Rotorsendespule 30 betragen zwischen 4 mm und 50 mm (bevorzugt 12 mm).

Die Fig. 2 zeigt ein Statorelement 12 für den Drehwinkelsensor 10 aus der Fig. 1 in Draufsicht, das eine Statorsendespule 20 und zwei Statorempfangsspulen 22a, 22b umfasst.

Die Statorsendespule 20 ist im Wesentlichen kreisförmig, wobei die Achse A den Mittelpunkt der Statorsendespule 20 darstellt, und umgibt die

Statorempfangsspulen 22a, 22b vollständig. Die erste und die zweite

Statorempfangsspule 22a, 22b sind um 90° entlang des Umfangs zueinander versetzt und weisen jeweils zwei gegenläufige Teilwindungen 32a, 32b auf (die nur bei der Spule 22a mit Bezugszeichen versehen sind). Jede der

Teilwindungen 32a, 32b ist kreisringsektorförmig und insbesondere nahezu

KU/SY halbkreisförmig. Die Teilwindung 32a ist zur Windung 32b (bezüglich des

Stromflusses) gegenläufig orientiert. Die beiden Teilwindungen 32a, 32b einer Statorempfangsspule überdecken zusammen im Wesentlichen die ganze Fläche, die von der Statorsendespule 20 umlaufen wird. Dadurch kann ein besonders hohes Empfangssignal bewirkt werden.

Die Fig. 3 zeigt ein Rotorelement 14 für den Drehwinkelsensor 10 aus der Fig. 1 in Draufsicht, das eine Rotorempfangsspule 28 und eine Rotorsendespule 30 umfasst.

Die Rotorempfangsspule 28 ist im Wesentlichen kreisförmig bzw.

kreisbogenförmig, wobei die Achse A den Mittelpunkt der Statorsendespule 20 darstellt, und umgibt die Rotorsendespule 30 vollständig. Die

Rotorempfangsspule 28 und die Rotorsendespule 30 sind mit ihren Enden elektrisch miteinander verbunden, also z.B. kurzgeschlossen, bzw. in Reihe geschaltet. Die Rotorempfangsspule 28 kann die gleiche Fläche wie die

Statorsendespule 20 umlaufen und/oder mit dieser in Bezug auf die Drehachse A fluchten. Die Geometrien der Statorsendespule 20 und der Rotorempfangsspule 28 können identisch sein. Es ist auch möglich, dass sich die Statorsendespule 20 und die Rotorempfangsspule 28 im Durchmesser und/oder in der Anzahl der

Einzelleiter, aus denen die jeweilige Spule zusammengesetzt ist, unterscheiden. So kann z.B. die Statorsendespule 20 zwei, drei, vier oder mehr gleichsinnige Leiterschleifen aufweisen, um ein hohes Wechselfeld zu erzeugen. Die Rotorsendespule 30 weist zwei gegenläufige Teilwindungen 34a, 34b auf, die jeweils sichelförmig sind. Die erste Teilwindung 34a ist zu der zweiten

Teilwindung 34b (bezüglich des Stromflusses) gegenläufig orientiert. Die

Geometrien der Teilwindungen 34a, 34b können identisch sein. Die

Teilwindungen 34a, 34b befinden sich in einem Ringbereich 36, der die

Drehachse A umgibt, und sind außerhalb eines Innenbereichs 38 angeordnet, der nicht von der Rotorsendespule 30 bedeckt ist.

Die beiden sichelförmigen Teilwindungen 34a, 34b sind aus im Wesentlichen kreisbogenförmigen Leiterabschnitten 40a, 40b gebildet, die sich am

Übergangspunkt zwischen den sichelförmigen Teilwindungen 34a, 34b überkreuzen. An den Kreuzungspunkten können die Teilwindungen 34a, 34b in unterschiedlichen Lagen der Rotorleiterplatte 26 angeordnet sein.

KU/SY Wenn die Steuereinheit 24 die Statorsendespule 20 mit einer Wechselspannung beaufschlagt, entsteht ein elektromagnetisches Wechselfeld, das von der Rotorempfangsspule 28 empfangen werden kann und dort eine Spannung induziert, die einen Stromfluss erzeugt. Dazu kann beispielsweise der Abstand zwischen der Stator- Leiterplatte 18 und der Rotor-Leiterplatte 26 so gewählt werden, dass sich die Stator- Leiterplatte 18 im Nahfeld der Rotor-Leiterplatte 26 befindet.

Das elektromagnetische Feld der Statorsendespule 20 kann in den

Statorempfangsspulen 22a, 22b und der Rotorsendespule 30, aufgrund der gegenläufigen Teilwindungen 32a, 32b bzw. 34a, 34b im Wesentlichen keinen Stromfluss induzieren. Der in der Rotorempfangsspule 28 induzierte Strom fließt auch durch die Rotorsendespule 30, die dadurch mit ihren Teilwindungen 34a, 34b zwei gegensätzlich orientierte elektromagnetische Wechselfelder erzeugt.

Diese Wechselfelder induzieren in den Statorempfangsspulen 22a, 22b einen Wechselstrom, der für jede der Statorempfangsspulen 22a, 22b vom relativen Drehwinkel des Statorelements 12 zum Rotorelement 14 abhängt. Der in den Statorempfangsspulen 22a, 22b induzierte Wechselstrom hängt im

Wesentlichen linear von der relativen Überdeckung der kreisringsektorförmigen Teilwindungen 32a, 32b der Statorempfangsspulen 22a, 22b und der

sichelförmigen Teilwindungen 34a, 34b der Rotorsendespule 30 ab. Aufgrund der Wahl der Geometrien der Teilwindungen ist die relative Überdeckungsfläche nicht linear vom Drehwinkel abhängig und die Amplitude der induzierten

Wechselspannung in Abhängigkeit vom Drehwinkel kann mit der Wahl der Geometrie der sichelförmigen Teilwindungen 34a, 34b eingestellt werden.

Beispielsweise kann, wie weiter unten erläutert wird, die Amplitude der induzierten Wechselspannung vom Sinus des Drehwinkels abhängig sein. Dies erleichtert die Auswertung des von den Statorempfangsspulen 22a, 22b erzeugten Signals.

Die Fig. 4 zeigt ein Diagramm, das die Geometrie der Rotorsendespule 30 und deren Teilwindungen 34a, 34b erläutert. Die kreisbogenförmigen Leiterabschnitte 40a, 40b werden durch zwei Kreise mit den Durchmessern Dl und D2 definiert

(d.h. sie laufen im Wesentlichen auf diesen Kreisen), deren Mittelpunkte gegeneinander um die Strecke x verschoben sind. Die beiden Durchmesser Dl und D2 können in etwa identisch gewählt werden. Die Strecke x kann bezogen

KU/SY auf den mittleren Durchmesser D=(Dl+D2)/2 in dem Bereich 0.05 < x/D < 0.5 gewählt werden, wobei bevorzugt x/D=0.15 ist. Die Durchmesser liegen etwa zwischen 4 mm bis 20 mm und bevorzugt bei 12 mm.

Die Fig. 5 zeigt ein weiteres Rotorelement 14, das zusammen mit dem

Statorelement 12 aus der Fig. 2 verwendet werden kann. Bei dem Rotorelement 14 ist die Rotorempfangsspule 30 innerhalb der Rotorsendespule 28 angeordnet. Die Rotorempfangsspule 30 befindet sich in dem Innenbereich 38 innerhalb des Ringbereichs 36.

Durch die sichelförmigen Teilwindungen 34a, 34b der Rotorsendespule 28 kann der Innenbereich 38 verwendet werden, um dort die Rotorempfangsspule 30 zu integrieren. Dies kann den Vorteil aufweisen, dass zum einen das Rotorelement 14 kleiner und kostengünstiger gefertigt werden kann und zum anderen, dass die Amplitude der in der Rotorempfangsspule 28 induzierten Wechselspannung nicht von lateralen Verschiebungen zwischen dem Rotorelement 14 und dem

Statorelement 12 abhängt.

Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Statorelements 12, das zusammen mit den Rotorelementen 14 aus den Fig. 3 und 5 verwendet werden kann. Das Statorelement 12 umfasst eine erste Statorempfangsspule 22a, eine zweite Statorempfangsspule 22b und eine dritte Statorempfangsspule 22c, die um 120° zueinander versetzt sind (und die jeweils wie die Statorempfangsspulen 22a, 22b aus der Fig. 2 aufgebaut sein können).

Durch die drei Statorempfangsspulen 22a, 22b, 22c werden bei dem

Statorelement 12 drei verschiedene Wechselspannungen (in etwa signall, signal2, signal3) induziert, die somit zu einem dreiphasigen Signal führen, das ausgewertet werden kann. Insbesondere können nicht nur die direkt induzierten Wechselspannungen, sondern deren gegenseitige Differenzen ausgewertet werden. Durch Auswertung der Differenzen signall-signal2, signal2-signal3 und signal3-signall kann ein vorhandener Offset kompensiert werden sowie eine höhere Sinusförmigkeit erreicht werden. Die Rückrechnung in den Drehwinkel kann einfach und robust mittels einer Clarke-Transformation durchgeführt werden.

Drehwinkelsensoren 10, die mit den in den Fig. 2 bis 6 gezeigten

Statorelementen 12 und Rotorelementen 14 aufgebaut werden, weisen eine Periodizität bzw. einen Messbereich von 360° auf. Da für viele Applikationen, wie die Drehwinkelerkennung einer Drosselklappe, keine 360° Periodizität benötigt wird, werden in den Fig. 7 bis 10 Varianten mit einer 180°-Periodizität beschrieben.

Die Fig. 7 zeigt ein Statorelement 12 mit einer Statorempfangsspule 22a, die aus vier gleichartigen kreisringsektorförmigen (hier

viertelkreisförmigen)Teilwindungen 34a, 34b aufgebaut sind. Die Teilwindungen 32a, 32b weisen in Umfangsrichtung um die Drehachse A abwechselnde Orientierung auf. Das Statorelement 12 kann weitere Statorempfangsspulen aufweisen, die wie die Statorempfangsspule 22a aufgebaut sind und die, gegenübereinander der Statorempfangsspule, um einen bestimmten Winkel versetzt sind, wie weiter unten erläutert wird. Beispielsweise können bei zwei Statorempfangsspulen 22a, die beiden Statorempfangsspulen 22a

gegeneinander um 45° versetzt sein.

Im Allgemeinen kann eine Statorempfangsspule 22a eine identische Anzahl an n/2 rechts- und n/2 linkslaufenden Teilwindungen 32a, 32b aufweisen. Das führt dazu, dass sich die durch die Statorsendespule 20 induzierten

Teilwechselspannungen in Summe kompensieren und als Ausgangssignal 0 V an allen Empfangsspulen 22a ausgegeben wird. Diese Tatsache kann auch zur Eigendiagnose verwendet werden, weil der Drehwinkelsensor 10 auf diese Weise erkennen kann, dass das Rotorelement 12 entweder fehlt oder zumindest eine elektrische Unterbrechung aufweist.

Die Anzahl n an insgesamt vorhandenen Teilwindungen 32a, 32b legt die Periodizität des Drehwinkelsensors 10, also den Eindeutigkeitsbereich der Signale bzw. den Messbereich fest. Auch ist es vorteilhaft, wenn die Anzahl der sichelförmigen Teilwindungen 34a, 34b auf dem Rotorelement 14 gleich der Anzahl n der kreisringsektorförmigen Teilwindungen 32a, 32b auf dem

Statorelement 12 ist.

Für die Periodizität Per gilt

Per = 360° / (n/2)

KU/SY Aus dieser Periodizität Per und der Anzahl m der Statorempfangsspulen 22a, 22b, 22c (siehe Fig. 2 und 6) ergibt sich auch die benötigte geometrische Verdrehung ξ der Statorempfangsspulen 22a, 22b, 22c zueinander als ξ = ΡεΓ / (2·ηη) für m = 2 und ξ = Per / m für m > 3

Für die Fig. 2 bis 6 ergibt sich aufgrund n=2 Teilwindungen 32a, 32b eine Periodizität von 360° und demnach für ein Zweiphasensystem (m=2) eine geometrische Verdrehung der Empfangsspulen um 90° (Fig. 2). Bei einem Dreiphasensystem ergibt sich entsprechend 120° (Fig. 6).

Für die Fig. 7 ergibt sich bei n=4 Teilwindungen 32a, 32b eine Periodizität von 180° und demnach für ein Zweiphasensystem (m=2) eine geometrische

Verdrehung der Empfangsspulen um 45°. Bei einem Dreiphasensystem mit m = 3 ergibt sich entsprechend 60°.

Die Fig. 8 zeigt nun ein Rotorelement 14 für das Statorelement 12 aus der Fig. 7, das vier gleich geformte sichelförmige Teilwindungen 34a, 34b aufweist. Die Teilwindungen 34a, 34b weisen in Umfangsrichtung um die Drehachse A abwechselnde Orientierung auf. Genauso wie die Teilwindungen 32a, 32b einer

Statorempfangsspule 22a auf dem korrespondierenden Statorelement 12 aus der Fig. 7 sind die sichelförmigen Teilwindungen 34a, 34b in Umfangsrichtung um 90° geometrisch zueinander verschoben. Wie aus der Fig. 9 hervorgeht, kann die Geometrie der sichelförmigen

Teilwindungen 34a, 34b wieder über zwei Kreise mit Durchmessern D3 und D4 definiert werden, deren Mittelpunkte um die Strecke x zueinander versetzt sind. Jede der Teilwindungen 34a, 34b ist durch zwei kreisbogenförmige

Leiterabschnitte 40a, 40b begrenzt, die im Wesentlichen auf diesen beiden Kreisen verlaufen.

Es hat sich herausgestellt, dass in einer Statorempfangsspule 22a das beste Signal erzielt werden kann, wenn die Kreisdurchmesser D3 und D4 ein Verhältnis von Wurzel 2 aufweisen. Die Strecke x kann so gewählt werden, dass die beiden Winkel ß, die an den Schnittpunkten der Kreise gebildet werden, im Wesentlichen gleich groß sind. Ein Winkel ß wird dabei durch eine vom Schnittpunkt ausgehenden Kreislinie und einer Geraden durch den Schnittpunkt definiert, die

KU/SY im Winkel von 45° zu der Strecke x verläuft. Dazu wählt man x/D3, zweckmäßig etwa im Bereich von 1/6 bis 1/2, beispielsweise 1/4.

Die Fig. 10 zeigt ein Rotorelement 14 analog der Fig. 5, bei dem die

Rotorempfangsspule 28 innerhalb der Rotorsendespule 30 angeordnet ist.

Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie„aufweisend", „umfassend", etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

KU/SY

Claims

R.362672

WO 2017/144144 - 17 - PCT/EP2016/082707

Ansprüche

1. Drehwinkelsensor (10), umfassend:

ein Statorelement (12) mit einer Statorsendespule (20) und wenigstens einer Statorempfangsspule (22);

ein bezüglich des Statorelements (12) um eine Drehachse (A) drehbar gelagertes Rotorelement (14) mit einer Rotorempfangsspule (28) und einer Rotorsendespule (30), die miteinander elektrisch verbunden sind;

wobei die Rotorempfangsspule (28) mit der Statorsendespule (20) induktiv gekoppelt ist, so dass ein durch die Statorsendespule (20) erzeugtes elektromagnetisches Feld in der Rotorempfangsspule (28) einen Strom induziert, der durch die Rotorsendespule (30) fließt, so dass die

Rotorsendespule (30) ein weiteres elektromagnetisches Feld erzeugt; wobei die wenigstens eine Statorempfangsspule (22) mit der

Rotorsendespule (30) induktiv gekoppelt ist, so dass die induktive Kopplung von einem Drehwinkel zwischen dem Statorelement (12) und dem

Rotorelement (14) abhängig ist, und das von der Rotorsendespule (30) erzeugte elektromagnetische Feld in der wenigstens einen

Statorempfangsspule (22) wenigstens eine winkelabhängige

Wechselspannung induziert;

dadurch gekennzeichnet, dass

die wenigstens eine Statorempfangsspule (22) wenigstens zwei

kreisringsektorförmige Teilwindungen (32a, 32b) aufweist, die das

Statorelement (12) in Umfangsrichtung in Sektoren aufteilen, und die Rotorsendespule (30) sichelförmigen Teilwindungen (34a, 34b) aufweist, deren Anzahl einer Anzahl der kreisringsektorförmigen Teilwindungen entspricht, die die Drehachse (A) in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend umgeben.

2. Drehwinkelsensor (10) nach Anspruch 1,

wobei die sichelförmigen Teilwindungen (34a, 34b) durch kreisbogenförmige Leiterabschnitte (40a, 40b) begrenzt sind.

KU/SY R.362672

WO 2017/144144 - 18 - PCT/EP2016/082707

Drehwinkelsensor (10) nach Anspruch 2,

wobei die Rotorsendespule (30) aus zwei gleich großen sichelförmigen Teilwindungen (34a, 34b) aufgebaut ist und/oder die Durchmesser (Dl, D2) der kreisbogenförmigen Leiterabschnitte (40a, 40b) einer sichelförmigen Teilwindung (34a, 34b) um weniger als 10% voneinander abweichen.

Drehwinkelsensor (10) nach Anspruch 2,

wobei die Rotorsendespule (30) aus vier gleich großen sichelförmigen Teilwindungen (34a, 34b) aufgebaut ist und/oder das Verhältnis der Durchmesser (D3, D4) der kreisbogenförmigen Leiterabschnitte (40a, 40b) einer Teilwindung (34a, 34b) um weniger als 10% von der Wurzel aus 2 abweicht.

Drehwinkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kreisringsektorförmigen Teilwindungen (32a, 32b) einer

Statorempfangsspule (22) und die sichelförmigen Teilwindungen (34a, 34b) der Rotorsendespule (30) jeweils aufeinander abfolgend in Umfangsrichtung bezüglich eines sie durchlaufenden Stroms gegenläufige Orientierung aufweisen.

Drehwinkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die sichelförmigen Teilwindungen (34a, 34b) lediglich in einem die Drehachse (A) umgebenden Ringbereich (36) des Rotorelements (14) angeordnet sind; und/oder

wobei die Rotorempfangsspule (28) in einem die Drehachse (A)

umgebenden Innenbereich (38) des Rotorelements (14) angeordnet ist, und die sichelförmigen Teilwindungen (34a, 34b) den Innenbereich (38)

umgegeben.

Drehwinkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotorempfangsspule (28) und/oder die Statorsendespule (20) die Drehachse (A) des Drehwinkelsensors (10) kreisförmig umlaufen.

Drehwinkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotorsendespule (30) und die wenigstens eine

Statorempfangsspule (22) jeweils eine geradzahlige Anzahl an

Teilwindungen (32a, 32b, 34a, 34b) aufweisen.

KU/SY R.362672

WO 2017/144144 - 19 - PCT/EP2016/082707

Drehwinkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Statorelement (12) zwei Statorempfangsspulen (22a, 22b) aufweist, die in Umfangsrichtung um 90° zueinander versetzt sind; oder wobei das Statorelement (12) drei Statorempfangsspulen (22a, 22b, 22c) aufweist, die in Umfangsrichtung um 120° zueinander versetzt sind.

10. Drehwinkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Statorsendespule (20) und die wenigstens eine

Statorempfangsspule (22) planare Spulen sind, die in und/oder auf einer

Stator-Leiterplatte (18) angeordnet sind; und/oder

wobei die Rotorempfangsspule (28) und die Rotorsendespule (30) planare Spulen sind, die in und/oder auf einer Rotor-Leiterplatte (26) angeordnet sind.

KU/SY