WO2019115231A1

WO2019115231A1 - Drehwinkelmesseinrichtung

Info

Publication number: WO2019115231A1
Application number: PCT/EP2018/082852
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Betz; Remy Lefevre
Original assignee: Hartmann-exact KG
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2019-06-20
Also published as: DE102017222402A1; DE102017222402B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehwinkelmesseinrichtung (1) zur Bestimmung des absoluten Drehwinkels (β) einer drehbaren Welle (2), -mit einer um eine Drehachse (D) entlang einer Drehrichtung (DR) drehbaren Welle (2), wobei durch die Drehachse (D) eine axiale Richtung (A) definiert ist, -mit einer Mehrzahl von Magnetelementen (3), die drehfest mit der Welle (2) gekoppelt sind und ein magnetisches Feld (B) erzeugen, welches eine sich entlang der axialen Richtung (A) erstreckende axiale Vektor-Komponente (BA), eine sich quer zur axialen Richtung (A) erstreckende radiale Vektor-Komponente (BR), und eine sichquer sowohl zur axialen als auch radialen Vektor-Komponente (BA;BR) erstreckende tangentiale Vektor-Komponente (BT) besitzt, -mit einer Magnetfeldsensoranordnung, die wenigstens einen Magnetfeldsensor umfasst und alle drei Vektor-Komponenten (BA, BR, BT)oder wenigstens einen Winkel α1 und BR oder wenigstens einen Winkel α2 und BA des magnetischen Feldes (B) messen kann, -mit einer mit der Magnetfeldsensoranordnung (6) gekoppelten Auswertungseinrichtung,welche im Betrieb der Drehwinkelmesseinrichtung (1) durch Auswerten des von der Magnetfeldsensoranordnung (6) gemessenen magnetischen Feldes (B) einen momentanen absoluten Drehwinkel (β) der Welle (2) bestimmen kann oder bestimmt.

Description

Drehwinkelmesseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Drehwinkelmesseinrichtung zur absoluten Bestimmung des Drehwinkels einer drehbaren Welle.

Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Drehwinkelmesseinrichtung. Schließlich betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine.

Solche Drehwinkelmesseinrichtungen können vielfältig verwendet werden. Bei sogenannten Synchronelektromotoren oder Reluktanz-Motoren werden die Spu- len elektronisch kommutiert. Das heißt, es ist eine Leistungselektronik vorhanden, welche die Magnetfeldspulen des Elektromotors mit elektrischer Leistung beauf- schlagt bzw. versorgt. Diese Leistungselektronik muss in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Welle des Elektromotors angesteuert werden. Um den Drehwinkel zu bestimmen, sind verschiedene Messmethoden möglich. Beispielsweise kann der Strom durch die Magnetfeldspulen ausgewertet werden, um die passenden Umschaltzeitpunkte zu bestimmen. Alternativ kann, um eine höhere Präzision zu erzielen, eine zusätzliche Drehwinkelmesseinrichtung vorgesehen sein. Eine sol- che kann beispielsweise auf optischen Messmethoden basieren oder auf der Messung eines Magnetfeldes, das von einem sich mitdrehenden Magnetelement erzeugt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform für eine Drehwinkelmesseinrichtung be- reitzustellen, die sich durch eine kompakte Bauweise und hohe Präzision der Messung auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Grundidee der Erfindung ist demnach, an einer Welle entlang deren Drehrichtung mehrere Magnetelemente anzuordnen, deren axiale und radiale Polarisation eine Bestimmung des absoluten Drehwinkels der Welle erlaubt. Hierzu wird wenigs- tens ein Magnetfeldsensor bereitgestellt, der, vorzugsweise im Bereich lokal um den Magnetfeldsensor, die Vektor-Komponenten des von den Magnetelementen erzeugten magnetischen Feldes messen kann, einen momentanen absoluten Drehwinkel der Welle bestimmen kann oder bestimmt. Auf diese Weise kann mit- tels einer mit der Magnetfeldsensoranordnung gekoppelten Auswertungseinrich- tung durch Auswerten der von der Magnetfeldsensoranordnung gemessenen Vek- tor-Komponenten des magnetischen Feldes ein momentaner absoluter Drehwin- kel der Welle hochgenau bestimmt werden.

Eine erfindungsgemäße Drehwinkelmesseinrichtung zur absoluten Bestimmung des Drehwinkels einer drehbaren Welle umfasst eine um eine Drehachse entlang einer Drehrichtung drehbare Welle. Bevorzugt ist die Drehachse eine Mittellängs achse der Welle, und die Drehrichtung entspricht der Umfangsrichtung der Welle. Durch die Drehachse ist eine axiale Richtung definiert, d.h. die Drehachse er- streckt sich in axialer Richtung. Die Drehwinkelmesseinrichtung umfasst ferner ei- ne Mehrzahl von Paaren aus Magnetelementen, die drehfest mit der Welle ge- koppelt sind und ein magnetisches Feld erzeugen. Das erzeugte magnetische Feld besitzt eine sich entlang der axialen Richtung erstreckende axiale Vektor- Komponente, eine sich quer zur axialen Richtung erstreckende radiale Vektor- Komponente, und eine sich quer sowohl zur axialen als auch radialen Vektor- Komponente erstreckende tangentiale Vektor-Komponente. Die Drehwinkelmess- einrichtung umfasst außerdem eine Magnetfeldsensoranordnung, die wenigstens einen Magnetfeldsensor aufweist und, vorzugsweise in einem Bereich lokal um den wenigsten einen Magnetfeldsensor, das magnetische Feld detektieren kann oder detektiert. Erfindungsgemäß sind die Paare aus Magnetelementen und die Magnetfeldsensoranordnung derart ausgebildet, dass mittels einer mit der Mag- netfeldsensoranordnung zusammenwirkenden Auswertungseinrichtung erkannt werden kann, welche momentane relative Drehposition dasjenige Paar aus in Drehrichtung benachbarten Magnetelementen relativ zur Magnetfeldsensoranord- nung momentan aufweist, welches momentan im geringsten Abstand zur Magnet- feldsensoranordnung angeordnet ist. Dies ist dasjenige Paar aus Magnetelemen- ten, welches im Zuge der Drehbewegung der Welle gerade die Magnetfeldsenso- ranordnung passiert. Erfindungsgemäß kann zusätzlich erkannt werden, dass die Drehwelle relativ zur Magnetfeldsensoranordnung eine vorbestimmte Index- Drehposition eingenommen hat.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bestimmt die Auswertungseinrichtung im Betrieb der Drehwinkelmesseinrichtung aus der erkannten Index-Drehposition und aus der momentanen relativen Drehposition einen momentanen absoluten Drehwinkel der Welle relativ zur Magnetfeldsensoranordnung. Das der Index- Drehposition zugeordnete Paar aus Magnet-Elementen entspricht dabei einer Re- ferenzposition der Drehwelle. Im Zuge der Drehbewegung passieren weitere Paa- re aus Magnetelementen die Magnetfeldsensoranordnung, so dass die Auswer- tungseinrichtung ausgehend von der Referenzposition durch„Mitzählen“ der die Magnetfeldsensoranordnung passierenden Paare aus Magnetelementen bestim- men kann, welches Paar aus Magnetelementen gerade die Magnetfeldsensoran- ordnung passiert.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der wenigstens eine Magnetfeld- sensor zur Messung der drei Vektor-Komponenten des magnetischen Feldes ausgebildet, so dass aus den drei Komponenten die Index-Drehposition und die relative Drehposition bestimmt werden kann. Somit kann bei dieser Weiterbildung von der Auswertungseinrichtung die gesuchte absolute Drehposition der Welle ermittelt werden, ohne dass hierfür ein zweiter Magnetfeldsensor bereitgestellt werden müsste. Daraus ergeben sich nicht unerhebliche Kostenvorteile.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist ein erster Magnetfeldsensor zur Messung der radialen Vektor-Komponente des magnetischen Feldes ausge- bildet. Ein zweiter Magnetfeldsensor ist zur Messung eines ersten Feldwinkels zwischen der axialen und tangentialen Vektor-Komponente des magnetischen Feldes ausgebildet. Somit kann aus der radialen Vektor-Komponente die Index- Drehposition und aus dem ersten Feldwinkel die relative Drehposition bestimmt werden.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist ein erster Magnetfeldsensor zur Messung der axialen Vektor-Komponente des magnetischen Feldes ausgebil- det. Ein zweiter Magnetfeldsensor ist zur Messung eines zweiten Feldwinkels zwischen der tangentialen und der radialen Vektor-Komponente des magneti- schen Feldes ausgebildet. Somit kann aus der axialen Vektor-Komponente die Index-Drehposition und aus dem zweiten Feldwinkel die relative Drehposition be- stimmt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen jeweils zwei entlang der Drehrichtung benachbarte Magnetelemente eine zueinander entgegengesetz- te axiale magnetische Polarisation auf. Bei dieser Ausführungsform weist wenigs- tens ein Magnetelement, vorzugsweise die halbe Anzahl an Magnetelementen, eine zu den verbleibenden Magnetelementen entgegengesetzte radiale Polarisa- tion auf. Die entlang der Drehrichtung wechselnde axiale Polarisation zweier be- nachbarter Magnetelemente erzeugt eine axiale und tangentiale magnetische Vektor-Komponente, die vom Magnetfeldsensor gemessen werden kann. Aus die- sen beiden Vektor-Komponenten kann präzise die relative Drehposition der Welle innerhalb eines Magnetelemente-Paares aus zwei in Drehrichtung benachbarten Magnetelementen bestimmt werden.

Zweckmäßig sind die Magnetelemente mit derselben radialen Polarisation entlang der Drehrichtung in zwei Gruppen gruppiert. Eine erste Gruppe von Magnetele- menten besitzt eine radiale Magnetisierung von radial außen nach radial innen. Eine zweite Gruppe von Magnetelementen besitzt eine Magnetisierung von radial innen nach radial außen. Jedes Magnetelement ist dabei entweder der ersten o- der der zweiten Gruppe zugehörig. Alle Magnetelemente der ersten Gruppe sind in Drehrichtung nebeneinander angeordnet. Ebenso sind alle Magnetelemente der zweiten Gruppe in Drehrichtung nebeneinander angeordnet. Die Richtung der radialen Magnetisierung ändert sich an den beiden Übergängen, in welchen die beiden Gruppen entlang der Drehrichtung aufeinandertreffen. Diese Eigenschaft erlaubt eine präzise Bestimmung der absoluten Drehposition der Welle im Sinne einer Indizierung, d.h. es kann vom Magnetfeldsensor gemessen werden, dass ein bestimmtes Magnetelement oder ein bestimmtes Magnetelemente-Paar bzw. der Übergang zwischen den beiden Magnetelementen dieses Magnetelemente- Paars gerade den Magnetfeldsensor passiert. In einer Weiterbildung ist auch eine Gruppierung in drei oder mehr Gruppen denkbar.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform, die eine zur voranstehend genannten Ausführungsform alternative Variante darstellt, weisen jeweils zwei entlang der Drehrichtung benachbarte Magnetelemente eine zueinander entge- gengesetzte radiale magnetische Polarisation auf. Bei dieser Ausführungsform weist wenigstens ein Magnetelement, vorzugsweise die halbe Anzahl an Magne- telementen, eine zu den verbleibenden Magnetelementen entgegengesetzte axia- le Polarisation auf. Die entlang der Drehrichtung wechselnde radiale Polarisation zweier benachbarter Magnetelemente erzeugt eine radiale Vektor-Komponente und eine tangentiale magnetische Vektor-Komponente, die vom Magnetfeldsensor gemessen werden kann. Aus diesen beiden Vektor-Komponenten kann präzise die relative Drehposition der Welle innerhalb eines Magnetelemente-Paares aus zwei in Drehrichtung benachbarten Magnetelementen bestimmt werden.

Zweckmäßig sind die Magnetelemente mit derselben axialen Polarisation entlang der Drehrichtung in zwei Gruppen gruppiert. Eine erste Gruppe von Magnetele- menten besitzt eine axiale Magnetisierung in axialer Richtung. Eine zweite Grup- pe von Magnetelementen besitzt eine Magnetisierung entgegen dieser axialen Richtung. Jedes Magnetelement ist dabei entweder der ersten oder der zweiten Gruppe zugehörig. Alle Magnetelemente der ersten Gruppe sind in Drehrichtung nebeneinander angeordnet. Ebenso sind alle Magnetelemente der zweiten Grup- pe in Drehrichtung nebeneinander angeordnet. Die Richtung der axialen Magneti- sierung ändert sich an den beiden Übergängen, in welchen die beiden Gruppen entlang der Drehrichtung aufeinandertreffen. In einer Weiterbildung ist auch eine Gruppierung in drei oder mehr Gruppen denkbar.

Diese Eigenschaft erlaubt eine präzise Bestimmung der Welle im Sinne einer In- dizierung, d.h. es kann vom Magnetfeldsensor gemessen werden, dass ein be- stimmtes Magnetelement oder ein bestimmtes Magnetelemente-Paar in Bezug den Magnetfeldsensor passiert.

Besonders bevorzugt weist sowohl radiale als auch axiale magnetische Polarisa- tion der Magnetelemente an wenigstens einem Übergang zwischen zwei in Dreh- richtung benachbarten Magnetelementen einen Vorzeichenwechsel auf, so dass durch Messung dieses Vorzeichenwechsels der Index der Welle bestimmt werden kann. Diese Variante ist für beide vorangehend erläuterte Ausführungsformen möglich und von Vorteil, so dass durch den Vorzeichenwechsel bestimmt werden kann, wenn die Index-Drehposition der Welle den Magnetfeldsensor passiert. Besonders zweckmäßig findet an genau zwei verschiedenen Übergängen zwi- schen jeweils entlang der Drehrichtung benachbarten Magnetelementen ein Vor- zeichenwechsel statt.

Besonders bevorzugt liegen die beiden Übergänge einander in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung gegenüber.

Besonders zweckmäßig sind die Magnetelemente integral aneinander ausge- formt. Mit dieser Eigenschaft gehen reduzierte Fertigungskosten einher.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Magnetelemente Teil eines ein- stückig ausgebildeten Magnetringkörpers. Ein solcher Magnetringkörper ist be- sonders kostengünstig zu fertigen. Der Magnetringkörper ist bevorzugt koaxial zur Welle angeordnet, so dass die Drehrichtung der Welle einer Umfangsrichtung des Magnetringkörpers entspricht.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Magnetfeldsensoran- ordnung radial auf Höhe der Magnetelemente und axial versetzt, vorzugsweise benachbart zu diesen, angeordnet. Alternativ dazu kann die Magnetfeldsensoran- ordnung aber auch axial auf Höhe der Magnetelemente und radial nach innen o- der radial nach außen versetzt zu diesen, vorzugsweise benachbart zu diesen, angeordnet sein. Beide Alternativen erfordern nur wenig Bauraum und erlauben aufgrund des geringen Abstands der Magnetfeldsensoren zu den Magnetelemen- ten eine besonders präzise Messung des magnetischen Feldes.

Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug. Die Maschine umfasst einen Stator und einen Rotor. Die Maschine umfasst außerdem eine vorangehend vorgestellte Drehwinkelmesseinrichtung, wobei die Welle der Drehwinkelmesseinrichtung Teil des Rotors ist. Die vorangehend erläuterten Vor- teile der Drehwinkelmesseinrichtung übertragen sich daher auch auf die erfin- dungsgemäße elektrische Maschine.

Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer vorangehend vorgestellten elektrischen Maschine. Die vorangehend erläuterten Vorteile der elektrischen Maschine übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Un- teransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschrei- bung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, son- dern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, oh- ne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge- stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Vektor- Komponenten beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch:

Fig. 1 ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen Drehwinkelmessein- richtung,

Fig. 2 ein den zeitlichen Verlauf der gemessenen Magnetfeld-

Komponenten illustrierendes Diagramm, Fig. 3 ein zweites Beispiel einer erfindungsgemäßen Drehwinkelmessein- richtung,

Fig. 4 ein den zeitlichen Verlauf der gemessenen Magnetfeld-

Komponenten illustrierendes Diagramm.

Ein Beispiel einer in Figur 1 gezeigten Drehwinkelmesseinrichtung 1 umfasst eine um eine Drehachse D und entlang einer Drehrichtung DR drehbare Welle 2, mit welcher drehfest eine Mehrzahl von Magnetelementen 3 gekoppelt ist, die jeweils ein magnetisches Feld B erzeugen. Durch die Drehachse D der Welle 2, welche durch deren Mittellängsachse M definiert ist, wird eine axiale Richtung A festge- legt. Eine radiale Richtung R erstreckt sich senkrecht von der Drehachse D weg. Die Drehrichtung DR verläuft orthogonal sowohl zur axialen Richtung A als auch zur radialen Richtung R.

Rein beispielhaft sind in Figur 1 zwölf Magnetelemente 3 dargestellt, die entlang der Drehrichtung DR nebeneinander angeordnet sind. Die zwölf Magnetelemente 3 bilden sechs Paare 8 aus Magnetelementen 3. Die zwölf Magnetelemente 3 sind sowohl entlang der axialen Richtung A, als auch entlang der radialen Rich- tung R magnetisch polarisiert. Das von den Magnetelementen 3 erzeugte magne- tische Feld B besitzt eine sich entlang der axialen Richtung A erstreckende axiale Vektor-Komponente BA, eine sich quer zur axialen Richtung A erstreckende ra- diale Vektor-Komponente BR, und eine sich quer sowohl zur axialen als auch ra- dialen Vektor-Komponente BA, BR erstreckende tangentiale Vektor-Komponente BT. Im vorliegenden Beispiel typisch sind magnetische Flussdichten B im Bereich von 20mT. Die Drehwinkelmesseinrichtung 1 umfasst auch eine Magnetfeldsensoranordnung 6 mit einem Magnetfeldsensor 7, die einen Magnetfeldsensor 7 aufweist, welcher wiederum in einem Bereich lokal um den Magnetfeldsensor 7 das magnetische Feld B detektieren kann.

Die Paare 8 aus Magnetelementen 3 und die Magnetfeldsensoranordnung sind derart ausgebildet sind, dass mittels einer mit der Magnetfeldsensoranordnung 6 zusammenwirkenden Auswertungseinrichtung 30 erkannt werden kann, welche momentane relative Drehposition das Paar 8 aus in Drehrichtung DR benachbar- ten Magnetelementen 3 relativ zur Magnetfeldsensoranordnung 6 aufweist, wel- ches, insbesondere entlang der radialen Richtung R oder entlang der axialen Richtung A, momentan gerade den geringsten Abstand zur Magnetfeldsensoran- ordnung 6 aufweist. Dies ist dasjenige Paar 8 aus Magnetelementen 3, welches im Zuge der Drehbewegung der Welle 2 gerade den Magnetfeldsensor 7 passiert.

Außerdem kann von der Auswertungseinrichtung 30 erkannt werden, wenn die Drehwelle 2 relativ zur Magnetfeldsensoranordnung 6 eine vorbestimmte Index- Drehposition erreicht hat. Besagte Index-Drehposition ist einem bestimmten Paar 8 aus Magnetelementen zugeordnet. Passiert dieses Paar 8 die Magnetfeld- sensoranordnung 6 bzw. den Magnetfeldsensor 7, so wird dies von der Magnet- feldsensoreinrichtung 6 erkannt.

Auf diese Weise kann die Auswertungseinrichtung 30 im Betrieb der Drehwinkel- messeinrichtung 1 aus der erkannten Index-Drehposition und aus der ermittelten momentanen relativen Drehposition den gesuchten momentanen absoluten Drehwinkel ß der Welle 2 relativ zur Magnetfeldsensoranordnung 6 bestimmen.

Im Beispielszenario kann die Magnetfeldsensoranordnung 6 nur einen einzigen Magnetfeldsensor 7 aufweisen. Dieser ist dann zur Messung der drei Vektor- Komponenten BA, BR, BT des magnetischen Feldes B ausgebildet, so dass aus besagten drei Komponenten BA, BR, BT sowohl die Index-Drehposition als auch die relative Drehposition bestimmt werden kann.

Somit kann die mit dem Magnetfeldsensor 7 verbundene Auswertungseinrichtung 30 im Betrieb der Drehwinkelmesseinrichtung 1 durch Auswerten der von der Magnetfeldsensoranordnung 6 gemessenen Vektor-Komponenten BR, BA, BT des magnetischen Feldes B den momentanen absoluten Drehwinkel ß der Welle 2 bestimmen. Mit Hilfe der Drehwinkelmesseinrichtung 1 wird dabei eine Index- Funktion realisiert, derart, dass aus der mittels Magnetfeldsensoranordnung 6 gemessenen radialen Vektor-Komponente BR festgestellt werden kann, wenn die Welle 2 eine vorbestimmte Index-Drehposition erreicht. Bei Erreichen der Index- Drehposition, also einer vorbestimmten Drehposition der Welle 2, detektiert die Magnetfeldsensoranordnung 6, dass ein bestimmtes Magnetelement 3 oder ein paar aus benachbarten Magnetelementen 3 oder der Übergang zwischen diesen beiden benachbarten Magnetelementen 3 die Magnetfeldsensoranordnung 6 mit dem Magnetfeldsensor 7 passiert.

Im Beispiel der Figur 1 weisen jeweils zwei in Drehrichtung DR benachbarte Mag- netelemente 3 entlang der axialen Richtung A eine entgegengesetzte axiale mag- netische Polarisation auf. Die von den benachbarten Magnetelementen 3 erzeug- ten axialen Vektor-Komponenten BA des magnetischen Feldes B sind folglich entgegengesetzt, also antiparallel zueinander ausgerichtet. Die radiale und die axiale magnetische Polarisation der Magnetelemente 3 ist derart festgelegt, dass der Gesamtvektor des erzeugten magnetischen Feldes B mit der axialen Richtung A einen Zwischenwinkel von bis zu 20° ausbilden kann, d.h. der der Gesamtvek- tor des magnetischen Feldes B ist um bis zu 20° gegenüber der axialen Richtung A verkippt. Weiterhin sind die Magnetelemente 3 in erste und zweite Magnetelemente 3a, 3b unterteilt, die sich bezüglich ihrer radialen magnetischen Polarisation unterschei- den.

Im Beispiel der Figur 1 sind entlang der Drehrichtung DR sechs erste Magnetele- mente 3a nebeneinander angeordnet. Auf diese ersten Magnetelemente 3a folgt entlang der Drehrichtung DR dieselbe Anzahl an zweiten Magnetelementen 3b, d.h. es sind entlang der Drehrichtung DR sechs zweite Magnetelemente 3b ne- beneinander angeordnet. Die Magnetelemente 3 sind also in zwei Gruppen 11 a,

11 b gruppiert. Eine erste Gruppe 11 a umfasst die ersten Magnetelemente 3a, die jeweils eine radiale Magnetisierung von radial außen nach radial innen besitzen. Eine zweite Gruppe 11 b umfasst die zweiten Magnetelemente 3b, die jeweils eine radiale Magnetisierung von radial innen nach radial außen besitzen. Jedes Mag- netelement 3 ist also entweder der ersten oder zweiten Gruppe 11 a, 11 b zugehö- rig. Alle Magnetelemente 3a der ersten Gruppe 11 a sind in Drehrichtung DR ne- beneinander angeordnet. Ebenso sind alle Magnetelemente 3b der zweiten Grup- pe 11 b in Drehrichtung DR nebeneinander angeordnet.

Die ersten Magnetelemente 3a weisen also eine zu den zweiten Magnetelemen- ten 3b entgegengesetzte radiale magnetische Polarisation auf. Folglich erzeugen die ersten Magnetelemente 3a jeweils ein magnetisches Feld mit einer radialer Vektor-Komponente BR, die entlang der radialen Richtung R entgegengesetzt zu der radialen Vektor-Komponente BR des magnetischen Feldes weist, welches von den zweiten Magnetelementen 3b erzeugt wird. Folglich ändert sich bei der Dre- hung der Welle 2 die radiale Vektor-Komponente BR des vom Magnetfeldsensor 7 detektierten magnetischen Feldes B, so dass durch Messung dieser Änderung mittels des Magnetfeldsensors 7 die Index-Drehposition der Welle 2 detektiert werden kann. Wie Figur 1 erkennen lässt, existieren entlang der Drehrichtung DR genau zwei Übergänge 4a, 4b zwischen den ersten und zweiten Magnetelementen 3a, 3b, an welchen die radiale magnetische Vektor-Komponente BR des magnetischen Fel- des B einen Vorzeichenwechsel aufweist. An den beiden Übergängen 4a, 4b tref- fen die beiden Gruppen 11 a, 11 b aus ersten bzw. zweiten Magnetelementen 3a, 3b aufeinander. Gemäß Figur 1 liegen die beiden Übergänge 4a, 4b in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A einander gegenüber. Besagter Vor- zeichenwechsel kann vom Magnetfeldsensor 7 detektiert werden, wenn die betref- fenden Übergänge 4a, 4b während der Drehbewegung den Magnetfeldsensor 7 passieren.

Das vom Magnetfeldsensor 7 der Magnetfeldsensoranordnung 6 während der Drehung der Welle 2 und somit auch der Magnetelemente 3 entlang der Drehrich- tung DR detektierte magnetische Feld B mit den Vektor-Komponenten BA, BT, und BR als Funktion des Drehwinkels ß der Welle 2 ist in Figur 2 dargestellt. Es lässt sich erkennen, dass aus den sinusförmigen Vektor-Komponenten BA und BT bestimmt werden kann, welche Drehposition ein beliebiges Elementpaar 8 aus zwei in Drehrichtung DR benachbarten Magnetelementen 3 relativ zum Magnet- feldsensor 7 einnimmt. Die relative Drehposition der Welle 2 innerhalb eines Magnetelemente-Paares 8 ergibt sich für den Magnetfeldsensor 7 beim Beispiel der Figuren 1 und 2 aus dem Feldwinkel a1 zwischen der axialen und tangentia- len Vektor-Komponente BA, BT des magnetischen Feldes B. Dieser Winkel cd berechnet sich zu cd = arctan2(BT, BA). Welches der sechs vorhandenen Ele- mentpaare 8 jedoch gerade den Magnetfeldsensor 7 passiert, lässt sich aus der axialen Vektor-Komponente BA oder aus der tangentialen Vektor-Komponente BT jedoch nicht bestimmen. Somit lässt sich auch der Index nicht ermitteln. Diese, für die Bestimmung des absoluten Drehposition bzw. des absoluten Drehwinkels ß zwingend erforderliche Information lässt sich aber durch Bestimmung der radialen Vektor-Komponente BR ermitteln. Wie bereits oben erwähnt, weist die vom Mag- netfeldsensor 7 gemessene radiale Vektor-Komponente BR aufgrund des Vorzei- chenwechsels in den Übergängen 4a, 4b eine in Figur 2 deutlich erkennbare Stu- fe 10 auf. Diese Stufe 10 entspricht einem Index-Signal und wird genau dann er- zeugt, wenn bei der Drehbewegung der Welle 2 einschließlich der Magnetele- mente 3, 3a, 3b entlang der Drehrichtung DR einer der beiden Übergänge 4a, 4b den Magnetfeldsensor 7 passiert. Die in Figur 2 gezeigte, absteigende Stufe kann somit beispielsweise dem ersten Übergang 4a zugeordnet werden, eine in der Fi- gur 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigte aufsteigende Stufe hinge- gen dem ersten Übergang 4b, oder umgekehrt. Über die Änderung der radialen Komponente BR des magnetischen Feldes B erfasst der Magnetfeldsensor 7 wie voranstehend erläutert ein Index-Signal in Form der Stufe 10. Die verschiedenen Zustände des Index-Signals - im Beispiel also das Auftreten der Stufe 10 - lassen sich jeweils einem bestimmten Magnetelemente-Paar 8 eindeutig zuordnen und ermöglichen so eine präzise Bestimmung des Index bzw. der Index-Drehposition. In Kombination mit dem Feldwinkel a1 kann somit aus den drei Vektor- Komponente BR, BA, BT mit H ilfe der oben beschriebenen Index-Funktion im Zu- sammenspiel mit der ebenfalls oben beschriebenen Bestimmung der Relativ- Position der Welle der gesuchte absolute Drehwinkel ß der Welle 2 ermittelt wer- den.

In einer ersten Variante des Beispiels der Figur 1 kann die Magnetfeldsensoran- ordnung 6 zwei Magnetfeldsensoren 7a, 7b aufweisen. In diesem Szenario ist ein erster Magnetfeldsensor 7a zur Messung der radialen Vektor-Komponente BR des magnetischen Feldes B ausgebildet ist. Ein zweiter Magnetfeldsensor 7b ist zur Messung des Feldwinkels cd zwischen der axialen und der tangentialen Vek- tor-Komponente BA, BT des magnetischen Feldes B ausgebildet. Somit kann aus der radialen Vektor-Komponente BR die Index-Drehposition und aus dem ers- ten Feldwinkel cd die relative Drehposition der Welle bestimmt werden. Auf diese Weise kann ebenfalls der gesuchte absolute Drehwinkel ß der Welle 2 ermittelt werden.

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine Variante des Beispiels der Figur 1 und 2. Im Bei- spiel der Figuren 3 und 4 sind gegenüber dem Beispiel der Figuren 1 und 2 die Rollen der axialen und radialen Vektor-Komponenten BA bzw. BR des vom Mag- netfeldsensor 7 ermittelten magnetischen Feldes B vertauscht.

Im Beispiel der Figur 3 weisen bezüglich der radialen Richtung R zwei in Dreh- richtung DR benachbarte Magnetelemente 3 eine entgegengesetzte radiale mag- netische Polarisation auf. Die von den benachbarten Magnetelementen 3 erzeug- ten radialen Vektor-Komponenten BR des magnetischen Feldes B, die entlang der radialen Richtung R gemessen werden, sind daher entgegengesetzt zueinan- der ausgerichtet.

Auch im Beispiel der Figur 3 lassen sich die Magnetelemente 3 - in analoger Wei- se zum Beispiel der Figuren 1 und 2 - in erste und zweite Magnetelemente 3a, 3b sowie in eine erste und zweite Gruppe 11 a, 11 b unterteilen, die sich im Beispiel der Figuren 4 und 5 jedoch bezüglich ihrer axialen magnetischen Polarisation un- terscheiden. Im Beispiel der Figur 3 sind entlang der Drehrichtung DR sechs erste Magnetelemente 3a nebeneinander angeordnet. Auf diese ersten Magnetelemen- te 3a folgt entlang der Drehrichtung DR dieselbe Anzahl an zweiten Magnetele- menten 3b, d.h. es sind entlang der Drehrichtung DR sechs zweite Magnetele- mente 3b nebeneinander angeordnet. Die ersten Magnetelemente 3a besitzen ei- ne zu den zweiten Magnetelementen 3b entgegengesetzte axiale magnetische Polarisation. Folglich erzeugen die ersten Magnetelemente 3a jeweils ein magne- tisches Feld B mit einer axialen Vektor-Komponente BA, die sich in der axialen Richtung A entgegengesetzt zur axialen Vektor-Komponente BA des magneti- schen Feldes B erstreckt, das von den zweiten Magnetelementen 3b erzeugt wird. Folglich ändert sich bei der Drehung der Welle 2 die axiale Vektor-Komponente BA des vom Magnetfeldsensor 7 detektierten magnetischen Feldes B, d.h. durch Messung dieser Änderung mittels des Magnetfeldsensors 7 kann der Index der Welle 2 bestimmt werden

Auch die Magnetelemente 3 gemäß Figur 3 sind also in zwei Gruppen 11 a, 11 b gruppiert. Eine erste Gruppe 11 a umfasst die ersten Magnetelemente 3a, die je- weils eine axiale Magnetisierung in die Zeichenebene hinein aufweisen. Eine zweite Gruppe 11 b umfasst die zweiten Magnetelemente 3b, die jeweils eine axia- le Magnetisierung aus der Zeichenebene heraus besitzen. Jedes Magnetelement 3 ist also entweder der ersten oder zweiten Gruppe 11 a, 11 b zugehörig. Alle Magnetelemente 3a der ersten Gruppe 11 a sind in Drehrichtung DR nebeneinan- der angeordnet. Ebenso sind alle Magnetelemente 3b der zweiten Gruppe 11 b in Drehrichtung DR nebeneinander angeordnet.

Wie Figur 3 in analoger Weise zu Figur 1 erkennen lässt, sind entlang der Dreh- richtung DR genau zwei Übergänge 4a, 4b zwischen den ersten und zweiten Magnetelementen 3a, 3b vorhanden, an welchen die axiale magnetische Vektor- Komponente BA des magnetischen Feldes B einen Vorzeichenwechsel aufweist. Besagter Vorzeichenwechsel kann vom Magnetfeldsensor 7 detektiert werden, wenn die betreffenden Übergänge 4a, 4b im Zuge der Drehbewegung den Mag- netfeldsensor 7 passieren. Im Beispiel der Figur 4 liegen die beiden Übergänge 4a, 4b in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A einander exakt ge- genüber.

Das vom Magnetfeldsensor 7 der Magnetfeldsensoranordnung 6 während der Drehung der Welle 2 und somit auch der Magnetelemente 3 entlang der Drehrich- tung DR detektierte magnetische Feld B mit den Vektor-Komponenten BA, BT, und BR als Funktion des Drehwinkels ß der Welle 2 ist - in analoger Weise zum Beispiel der Figur 2 - in Figur 4 dargestellt.

Man erkennt, dass aus den sinusförmigen Vektor-Komponenten BR und BT be- stimmt werden kann, welche Drehposition ein beliebiges Magnetelemente-Paar 8 aus zwei in Drehrichtung DR benachbarten Magnetelemente 3 relativ zum Mag- netfeldsensor 7 einnimmt. Beim Beispiel der Figuren 3 und 4 lässt sich die relative Drehposition der Welle 2 innerhalb eines Magnetelemente-Paares 8 aus dem Winkel a2 zwischen der tangentialen und radialen Vektor-Komponente BT, BR des magnetischen Feldes B bestimmen. Der gesuchte Feldwinkel a2 berechnet sich zu a2 = arctan2(BT, BR). Welches der sechs vorhandenen Magnetelemente- Paare 8 jedoch gerade den Magnetfeldsensor 7 passiert, lässt sich aus der radia- len Vektor-Komponente BR oder der tangentialen Vektor-Komponente BT nicht entnehmen.

Die absolute Drehposition eines bestimmten Magnetelemente-Paares 8 - und so- mit auch des gesuchten absoluten Drehwinkels ß der Welle 2, die drehfest mit den Magnetelemente-Paaren 8 gekoppelt ist, lässt sich unter Flinzunahme der axialen Vektor-Komponente BA ermitteln. Wie vorangehend erläutert, weist die axiale Vektor-Komponente BA aufgrund des oben erläuterten Vorzeichenwech- sels in den Übergängen 4a, 4b eine in Figur 4 deutlich erkennbare Stufe 10 auf. Diese Stufe 10 entspricht einem Index-Signal und wird erzeugt, wenn bei der Drehbewegung der Welle 2 einschließlich der Magnetelemente 3, 3a, 3b entlang der Drehrichtung DR einer der beiden Übergänge 4a, 4b den Magnetfeldsensor 7 passiert. Die in Figur 4 gezeigte, absteigende Stufe kann somit beispielsweise dem ersten Übergang 4a zugeordnet werden, eine in der Figur 4 nicht gezeigte aufsteigende Stufe dem zweiten Übergang 4b, oder umgekehrt. Über die Ände- rung der axialen Komponente BA des magnetischen Felds B erfasst der Magnet- feldsensor 7 also den Index der Welle 2 in Form der Stufe 10. Die verschiedenen Zustände des Index-Signals - im Beispiel also das Auftreten der Stufe 10 - lassen sich jeweils einem Magnetelemente-Paar 8 eindeutig zuordnen und ermöglichen so eine Bestimmung der Index-Drehposition.

In Kombination mit dem Feldwinkel a2 kann somit aus der radialen, axialen und tangentialen Vektor-Komponente BR, BA, BT eine präzise absolute Bestimmung des absoluten Drehwinkels ß der Welle 2 erfolgen.

In einer Variante des Beispiels der Figur 3 weist die Magnetfeldsensoranordnung 6 zwei Magnetfeldsensoren 7a, 7b auf. Ein erster Magnetfeldsensor 7a ist bei dieser Variante zur Messung der axialen Vektor-Komponente BA des magneti- schen Feldes B ausgebildet ist. Ein zweiter Magnetfeldsensor 7b ist zur Messung des zweiten Feldwinkels a2 zwischen der tangentialen und radialen Vektor- Komponente BT, BR des magnetischen Feldes B ausgebildet. Somit kann aus der axialen Vektor-Komponente BA die Index-Drehposition und aus dem zweiten Feldwinkel a2 die relative Drehposition bestimmt werden. Auf diese Weise kann ebenfalls der gesuchte absolute Drehwinkel ß der Welle 2 ermittelt werden.

Im Beispiel der Figuren 1 und 3 ist die Magnetfeldsensoranordnung 6 mit den Magnetfeldsensoren 7, 7a, 7b entlang der radialen Richtung R auf Flöhe der Magnetelemente 3, 3a, 3b und entlang der axialen Richtung A versetzt und be- nachbart zu diesen angeordnet. Alternativ dazu kann die Magnetfeldsensoran- ordnung 6 mit den Magnetfeldsensoren 7, 7a, 7b aber auch entlang der axialen Richtung A auf Flöhe der Magnetelemente 3, 3a, 3b und radial entlang der radia- len Richtung R nach innen oder nach außen versetzt und benachbart zu diesen angeordnet sein (in den Figuren nicht gezeigt).

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Claims

Patentansprüche

1. Drehwinkelmesseinrichtung (1 ) zur Bestimmung eines absoluten Drehwinkels (ß) einer drehbaren Welle (2),

- mit einer um eine Drehachse (D) entlang einer Drehrichtung (DR) drehbaren Welle (2), wobei durch die Drehachse (D) eine axiale Richtung (A) definiert ist,

- mit einer Mehrzahl von Paaren (8) aus Magnetelementen (3), die drehfest mit der Welle (2) gekoppelt sind und jeweils ein magnetisches Feld (B) erzeugen, welches eine sich entlang der axialen Richtung (A) erstreckende axiale Vektor- Komponente (BA), eine sich quer zur axialen Richtung (A) erstreckende radiale Vektor-Komponente (BR) und eine sich quer sowohl zur axialen als auch radialen Vektor-Komponente (BA, BR) erstreckende tangentiale Vektor-Komponente (BT) besitzt,

- mit einer Magnetfeldsensoranordnung (6), die wenigstens einen Magnetfeld- sensor (7;7a, 7b) umfasst und, vorzugsweise in einem Bereich lokal um den we- nigsten einen Magnetfeldsensor (7; 7a, 7b), das magnetische Feld (B) detektieren kann oder detektiert,

- wobei die Paare (8) aus Magnetelementen (3) und die Magnetfeldsensoranord- nung (6) derart ausgebildet sind, dass mittels einer mit der Magnetfeldsensoran- ordnung (6) zusammenwirkenden Auswertungseinrichtung (30) erkannt werden kann, welche momentane relative Drehposition das den geringsten Abstand zur Magnetfeldsensoranordnung aufweisende Paar aus in Drehrichtung (DR) be- nachbarten Magnetelementen (3) relativ zur Magnetfeldsensoranordnung (6) mo- mentan aufweist, wobei zusätzlich erkannt werden kann, dass die Drehwelle (2) relativ zur Magnet- feldsensoranordnung (6) eine vorbestimmte Index-Drehposition eingenommen hat.

2. Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Auswertungseinrichtung (30) im Betrieb der Drehwinkelmesseinrichtung (1 ) aus der erkannten Index-Drehposition und aus der momentanen relativen Dreh- position einen momentanen absoluten Drehwinkel (ß) der Welle (2) relativ zur Magnetfeldsensoranordnung bestimmt.

3. Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

der wenigstens eine Magnetfeldsensor (7) zur Messung der drei Vektor- Komponenten (BA, BR, BT) des magnetischen Feldes (B) ausgebildet ist, so dass aus den drei Komponenten die Index-Drehposition und die relative Drehposition bestimmt werden kann.

4. Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

ein erster Magnetfeldsensor (7a) zur Messung der radialen Vektor-Komponente (BR) des magnetischen Feldes (B) ausgebildet ist und ein zweiter Magnetfeld- sensor (7b) zur Messung eines ersten Feldwinkels (a1 ) zwischen axialen und tangentialen Vektor-Komponente (BA, BT) des magnetischen Feldes (B) ausge- bildet ist,

so dass aus der radialen Vektor-Komponente die Index-Drehposition und aus dem ersten Feldwinkel die relative Drehposition bestimmt werden kann.

5. Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass

ein erster Magnetfeldsensor (7a) zur Messung der axialen Vektor-Komponente (BA) des magnetischen Feldes (B) ausgebildet ist und ein zweiter Magnetfeld- sensor (7b) zur Messung eines zweiten Feldwinkels (a2) zwischen der tangentia- len und radialen Vektor-Komponente (BT, BR) des magnetischen Feldes (B) aus- gebildet ist, so dass aus der axialen Vektor-Komponente die Index-Drehposition und aus dem zweiten Feldwinkel die relative Drehposition bestimmt werden kann.

6. Drehwinkelmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- jeweils zwei entlang der Drehrichtung (DR) benachbarte Magnetelemente (3; 3a, 3b) eine zueinander entgegengesetzte axiale magnetische Polarisation (BA) auf- weisen, und dass

- wenigstens ein Magnetelement (3; 3a, 3b), vorzugsweise die halbe Anzahl an Magnetelementen (3; 3a), eine zu den verbleibenden Magnetelementen (3; 3b) entgegengesetzte radiale Polarisation aufweist.

7. Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Magnetelemente (3; 3a, 3b) mit derselben radialen Polarisation entlang der Drehrichtung (DR) gruppiert angeordnet und insbesondere entlang der Drehrich- tung (DR) nebeneinander angeordnet sind.

8. Drehwinkelmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

jeweils zwei entlang der Drehrichtung (DR) benachbarte Magnetelemente (3; 3a, 3b) eine zueinander entgegengesetzte radiale magnetische Polarisation (BR) aufweisen und dass wenigstens ein Magnetelement (3; 3a) vorzugsweise die hal- be Anzahl an Magnetelementen (3; 3a, 3b), eine zu den verbleibenden Magne- telementen (3; 3b) entgegengesetzte axiale Polarisation aufweist.

9. Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Magnetelemente (3; 3a, 3b) mit derselben axialen Polarisation entlang der Drehrichtung (DR) gruppiert angeordnet und insbesondere entlang der Drehrich- tung (DR) nebeneinander angeordnet sind.

10. Drehwinkelmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

sowohl die radiale bzw. als auch axiale magnetische Polarisation (BR, BA) an wenigstens einem Übergang (4a, 4b) zwischen zwei in Drehrichtung (DR) be- nachbarten Magnetelementen (3; 3a, 3b) einen Vorzeichenwechsel aufweist, so dass durch Messung dieses Vorzeichenwechsels der momentane absolute Dreh- winkel (ß) der Welle (2) bestimmt werden kann.

11. Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, dass

an genau zwei verschiedenen Übergängen (4a, 4b) zwischen jeweils entlang der Drehrichtung (DR) benachbarten Magnetelementen (3; 3a, 3b) ein Vorzeichen- wechsel vorhanden ist.

12. Drehwinkelmesseinrichtung nach Anspruch 11 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die beiden Übergänge (4a, 4b) einander in einem Querschnitt senkrecht zur axia- len Richtung (A) gegenüberliegen.

13. Drehwinkelmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die Magnetelemente (3; 3a, 3b) integral aneinander ausgeformt sind.

14. Drehwinkelmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die Magnetelemente (3; 3a, 3b) Teil eines einstückig ausgebildeten Magnetring- körpers sind.

15. Drehwinkelmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Magnetfeldsensoranordnung (6) radial auf Höhe der Magnetelemente (3) und axial versetzt, vorzugsweise benachbart zu diesen, angeordnet ist, oder dass

- die Magnetfeldsensoranordnung (6) axial auf Höhe der Magnetelemente (3) und radial nach innen oder versetzt, vorzugsweise benachbart zu diesen, angeordnet ist.

16. Elektrische Maschine, für ein Kraftfahrzeug,

- mit einem Stator und mit einem Rotor,

- mit einer Drehwinkelmesseinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden An- sprüche,

- wobei die Welle (2) der Drehwinkelmesseinrichtung (1 ) Teil des Rotors ist.

17. Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine nach Anspruch 16.

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