WO2023147851A1 - Transmitter element for a position sensor system - Google Patents

Transmitter element for a position sensor system Download PDF

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WO2023147851A1
WO2023147851A1 PCT/EP2022/052432 EP2022052432W WO2023147851A1 WO 2023147851 A1 WO2023147851 A1 WO 2023147851A1 EP 2022052432 W EP2022052432 W EP 2022052432W WO 2023147851 A1 WO2023147851 A1 WO 2023147851A1
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WO
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base body
surface layers
partial surface
transmitter element
transmitter
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/052432
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German (de)
French (fr)
Inventor
Frank Baumgärtner
Jan Bremer
Thomas THÖLKE
Original Assignee
Schunk Sintermetalltechnik Gmbh
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Publication date
Application filed by Schunk Sintermetalltechnik Gmbh filed Critical Schunk Sintermetalltechnik Gmbh
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical 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
    • G01D5/12Mechanical 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
    • G01D5/14Mechanical 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 the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/16Mechanical 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 the magnitude of a current or voltage by varying resistance

Definitions

  • the present invention relates to a transmitter element for a position sensor system. Furthermore, the invention relates to a position sensor system with such a transmitter element and an electric machine with such a position sensor system.
  • Position sensors are used to determine relative positions between two components.
  • a transmitter element is typically arranged on one of the components, whereas a position sensor is arranged on the other of the components.
  • the transmitter element is sometimes also referred to as a target.
  • the position sensor is designed to detect a position and/or orientation of the transmitter element relative to its own position or orientation. Alternatively, the position sensor can detect changes in such relative positions or relative orientations over time.
  • the position sensor system can be configured to determine translatory and/or rotatory positions or changes in position.
  • a rotary position corresponds to an orientation and a rotary position change corresponds to a change in orientation.
  • a position sensor system can be used in particular to determine a current orientation of a rotor relative to a stator or to a stationary reference position in an electrical machine such as a motor or a generator. Up-to-date information about the orientation of the rotor can be required in particular in order to be able to control the electrical machine correctly.
  • a large number of different position sensor systems have been developed for a wide variety of applications, in particular for determining a rotor orientation in an electrical machine.
  • a position sensor system in which there is direct mechanical contact between a position sensor and a component that is moved relative to this position sensor usually suffers from wear.
  • Position sensor systems have therefore been developed, with the aid of which a relative position or relative orientation between the position sensor and the transmitter element can be detected without contact.
  • DE 19 738 836 A1 describes an inductive angle sensor with a compact design, high resolution and high insensitivity to manufacturing and installation tolerances.
  • EP 2 446 228 B1 describes an angular position sensor which uses a first electrical track and a second electrical track as well as a movable magnetic target which is connected to a rotating object in order to determine a current angular position of the rotating object.
  • alternating electromagnetic fields are used to generate electric currents in the form of eddy currents in the transmitter element. Physical properties in the transmitter element vary depending on the induced currents, which in turn are dependent on a current relative position between the transmitter element and the inducing sensor.
  • a position sensor system In the case of an embodiment of a transmitter element, with the aid of which a position sensor system is intended to be able to determine in particular a current orientation of a rotating rotor in an electrical machine, it must be taken into account that such a rotor rotates at very high speeds of often more than 10,000 revolutions per minute (rpm), in some cases even up to 30,000 rpm or more. Accordingly, considerable centrifugal forces can act on the encoder element coupled to the rotor.
  • the encoder element must therefore be suitably dimensioned and designed to be stable in order to be able to withstand such centrifugal forces during operation of the electrical machine.
  • the encoder element is usually manufactured from a solid metal material by machining.
  • this enables very precise shaping, but on the other hand, it requires a high manufacturing effort and high costs both because of the solid material blank to be provided and because of material losses that unavoidably occur during machining.
  • a transmitter element for a position sensor system that can be produced simply and inexpensively and that nevertheless allows for sufficient precision when determining the position. Furthermore, there may be a need for a position sensor system equipped with such a transmitter element. In addition, there may be a need for an electric machine in which to help a current orientation of a rotor can be determined using the position sensors described.
  • a first aspect of the invention relates to a transmitter element for a position sensor system, which has a base body and a plurality of partial surface layers.
  • the base body consists of particles sintered together.
  • Each of the partial surface layers is arranged on a transmitter surface of the base body to be aligned towards the position sensor. Adjacent partial surface layers are spaced apart from one another, at least in partial areas.
  • Each of the partial surface layers has a higher electrical conductivity than the base body for electrical currents which are induced by an alternating electromagnetic field radiated towards the transmitter surface of the base body with a frequency of more than 0.2 MHz.
  • a position sensor system which has a position sensor and a transmitter element according to an embodiment of the first aspect of the invention.
  • an electrical machine which has a stator, a rotor and a position sensor system according to an embodiment of the second aspect of the invention.
  • the encoder element is mechanically coupled to the rotor.
  • the position sensor is configured to determine a position, in particular an angular position, of the encoder element relative to the stator.
  • a transmitter element that was manufactured as a simple sintered component can be further improved with regard to the accuracy of a position detection when used in a position sensor system.
  • signals that a position sensor determines in a position sensor system in which the conventionally machined encoder element is replaced by a sintered component can be similarly accurate or even more accurate with a suitable configuration of the sintered component and/or similarly insensitive to any slight incorrect positioning of the encoder element can react to a component such as a shaft of a rotor of an electrical machine, as is the case with position sensors with conventional, machined encoder elements.
  • the precision of the position determination can be significantly increased when using an encoder element manufactured as a sintered component if several special layers are formed on its surface facing the position sensor, which are referred to herein as partial surface layers and which are compared to an underlying part of the transmitter element have a higher electrical conductivity, in particular in the event that currents are induced therein by high-frequency electromagnetic alternating fields.
  • the partial surface layers are arranged on a base body sintered together from particles in such a way that they form a pattern in which adjacent partial surface layers are spaced apart from one another at least in partial areas.
  • a sensor element in which the base body can be produced simply and inexpensively as a sintered component on the one hand and in which partial surface layers with increased electrical conductivity can be produced in a simple manner on the other hand enables a high measuring accuracy of a position sensor system equipped with it.
  • the base body of the transmitter element is designed as a sintered component and is composed of particles sintered together.
  • the particles can be metal particles.
  • Metals, metal mixtures or metal alloys such as Fe, FeCu, FeP, FeMo, Fe(Mo, Cu, Ni), FeCrMo, which can also include carbon, or stainless steel ferritic (e.g. 430), austenitic (e.g. 316L ) or duplex.
  • Aluminum, copper or bronze particles can also be used.
  • the particles can typically have dimensions in a range of between 0 and 300 ⁇ m, for example with an average grain size of 120 to 150 ⁇ m.
  • the particles can be pressed together.
  • pressures in a range of up to 1000 MPa, particularly preferably in the range from 600 to 750 MPa can be used here.
  • the particles can be filled into a mold provided and then pressed in the mold in order to give the blank produced therefrom a desired geometry.
  • the blank is then heated to an elevated temperature, typically in the range above 1100°C in the case of iron-based materials, to sinter it.
  • the pressed particles enter into a mechanically resilient material connection with one another.
  • the base body can achieve high mechanical strength.
  • the partial surface layers are arranged in a region of the transmitter element which, when the transmitter element is arranged in a position sensor system, is aligned towards the position sensor or is opposite a sensor surface of the position sensor.
  • the partial surface layers are arranged on a surface of the base body, which is referred to herein as the encoder surface and which is accordingly directed towards the position sensor.
  • a plurality of partial surface layers are provided on the base body, these being spaced apart from one another at least in partial areas.
  • the adjacent partial surface layers are arranged next to one another, that is to say not necessarily orthogonally, but at a distance from one another laterally. Surface areas that are not covered by one of the partial surface layers can thus remain on the donor surface of the base body between adjacent partial surface layers.
  • the partial surface layers are specifically designed in such a way that electrical currents, in particular eddy currents, which are generated in the partial surface layers by irradiation of an alternating electromagnetic field of high frequency, experience a higher electrical conductivity there than would be the case if the same electrical currents were induced in the base body .
  • the increased electrical conductivity should apply to alternating currents which are irradiated by alternating electromagnetic fields with a frequency of at least 0.2 MHz, preferably at least 1 MHz and more preferably at least 2 MHz.
  • Such high-frequency electromagnetic alternating fields are typically generated by position sensors in position sensor systems, with the aid of which the angular positions of a very rapidly rotating rotor in an electrical machine are to be determined. It must be taken into account that high-frequency electrical alternating currents in electrically conductive materials only flow in a layer very close to the surface due to the so-called skin effect. In other words, high-frequency electromagnetic alternating fields have only a small penetration depth in electrically conductive material.
  • the thickness of the layer in which the high-frequency Alternating currents flow depends on their frequency and typically decreases with increasing frequency. At the high frequencies mentioned, such a layer thickness can be less than 1 mm or even less than 0.1 mm.
  • the partial surface layers differ from the base body with regard to a material forming them and/or with regard to a material density prevailing in them.
  • the partial surface layers can in particular be formed with a material which has a high conductivity for electrical direct currents and/or for high-frequency electrical alternating currents, in particular has a higher conductivity than a material used for the base body.
  • the material of the partial surface layers can have a different microscopic and/or macroscopic structure than that of the base body.
  • the base body can have a large number of grain boundaries and/or pores between adjacent particles due to its design as a sintered component, whereas the partial surface layers can be provided with fewer or no such grain boundaries and/or pores.
  • Forming the partial surface layers with different materials and/or different porosities than in the base body generally also means that the material density in the partial surface layers differs from that in the base body.
  • the differences mentioned can contribute to the desired increased electrical conductivity for alternating currents within the partial surface layers and in this way increase a detection accuracy of the position sensor system equipped with the transmitter element.
  • the partial surface layers are each adhered as a separate layer to the encoder surface.
  • each of the partial surface layers can first be provided as a separate component and then connected to the base body on its donor surface.
  • the partial surface layers can thus be produced in advance and then attached to the base body.
  • the partial surface layers can be manufactured using suitable manufacturing processes that may be specially adapted for this purpose, with the properties of the base body not having to be taken into account.
  • the partial surfaces can be provided, for example, as a thin film or thin platelets.
  • the partial surface layers are each adhered to the donor surface by means of an adhesive layer.
  • the adhesive layer may be formed with an adhesive.
  • the adhesive layer can cover a surface of a partial surface layer that faces the donor surface of the base body over the entire surface or in partial areas.
  • the adhesion layer is typically thinner than the partial surface layer. With the aid of the adhesive layer, the partial surface layers can be fixed to the base body in a simple, reliable and/or mechanically resilient manner.
  • the partial surface layers are each attached to a carrier film.
  • the carrier film can be made of any material.
  • the carrier foil can be designed as a plastic foil, metal foil or the like.
  • the carrier foil can be thinner or thicker than the partial surface layers.
  • Each of the partial surface layers can be attached to its own carrier film. Alternatively several partial surface layers can be attached to a common carrier film. Since the partial surface layers are each attached to a carrier film, they can be produced in a simple manner. For example, the partial surface layers can be deposited onto the carrier film from a liquid phase or a gas phase using industrially established layer formation processes.
  • the partial surface layers without a carrier film, i.e. as self-supporting layers.
  • the partial surface layers are each formed as a full-area layer of an electrically conductive material, in particular of a metal, preferably with copper or aluminum.
  • each of the partial surface layers can be formed as an inherently homogeneous layer.
  • the partial surface layer can have a homogeneous layer thickness and/or a homogeneous volume.
  • an electrical conductivity within the partial surface layer can also be homogeneous, in particular isotropic. This can have an advantageous effect on the measuring accuracy of the position sensor system equipped with the transmitter element.
  • the partial surface layer is preferably formed with a material that is electrically very well conductive. Metals, in particular metals with high conductivity such as, for example, copper or aluminum, can preferably be used for this purpose. Alternatively, however, a configuration of the partial surface layers with other highly conductive materials, for example a carbon layer, also appears conceivable.
  • the partial surface layers are each formed as a woven fabric or nonwoven fabric made of electrically conductive fibers, in particular carbon fibers or metal fibers.
  • Such partial surface layers formed with fibers are typically not homogeneous, in particular not isotropic, but can nevertheless have advantageous electrical properties in order to increase the detection accuracy of the position sensor system increase. Furthermore, such fiber-containing partial surface layers can be specifically designed with a fiber orientation and/or applied to the base body in order to impart desired electrical properties and/or mechanical properties to them.
  • An electrically conductive fabric or fleece can also be provided easily and inexpensively.
  • the partial surface layers are pressed onto the sensor surface as small metal plates, in particular as small copper plates.
  • Metal flakes can be produced in advance with a desired geometry and/or thickness, for example by pressing and/or stamping metal sheets. Manufacturing the metal plates can be very simple here. In addition, the metal plates can have good electrical properties, which improve the detection accuracy of the position sensors.
  • the metal plates can be suitably positioned on the surface of the base body and then pressed onto the base body. This can result in a mechanically resilient connection between the metal plates and the base body. In particular, material of the small metal plate can be pressed into pores in the base body and thus ensure a microscopically form-fitting connection between the two components. Such a mechanically resilient connection can be produced in particular with the help of copper plates, which allow a very strong connection to the base body due to their mechanical properties.
  • material of the partial surface layers is infiltrated at least near the surface in pores in the base body.
  • a mechanically particularly resilient connection can be brought about between the partial surface layers and the base body.
  • a partial surface layer can be produced on the base body by applying material of the partial surface layer directly to the base body.
  • An intermediate layer in particular an adhesive layer and/or a carrier layer, can optionally be dispensed with.
  • Material of the partial surface layer can, for example, be applied from a liquid or viscous phase to the surface of the base body and flow into pores in the base body before it then dries or hardens.
  • flowable material may be brushed, sprayed, painted, printed, spun-bonded, or otherwise applied to the donor surface.
  • Conductive material can also be dissolved in a solution or taken up in a suspension and deposited from this on the surface of the base body, for example galvanically or by electroless plating.
  • material of the partial surface layer can be applied from a gaseous phase to the surface of the encoder, in particular vapor-deposited or sputtered on.
  • Gas phase deposition processes in particular CVD processes (Chemical Vapor Deposition) or PVD processes (Physical Vapor Deposition) can be used for this purpose.
  • CVD processes Chemical Vapor Deposition
  • PVD processes Physical Vapor Deposition
  • some of the deposited material inevitably infiltrates pores in the base body.
  • conductive material can be applied as a solid and then liquefied, in particular melted, in order to be able to flow into the pores of the base body.
  • a metal flake in particular a copper flake or aluminum flake, can be applied to the surface of the encoder and then partially or completely melted, so that its liquefied material can infiltrate pores on the surface of the encoder.
  • the partial surface layers are formed as near-surface compacted layer areas on the base body.
  • the base body has a certain porosity due to its composition of particles.
  • the porosity is generally largely homogeneous over the entire volume of the base body.
  • a layer area close to the surface of the basic body can be specifically compacted in order to reduce the porosity there in this way.
  • the layer area close to the surface can be machined in a targeted manner, for example, in order to locally reduce the number and/or size of pores present there.
  • additional material can be introduced into the pores in the layer area near the surface in order to compact the layer area.
  • Material with good electrical conductivity, in particular metal can preferably be additionally introduced. Due to the densification, the layer area close to the surface typically has an increased electrical conductivity and can therefore act as a highly conductive partial surface layer.
  • the base body has a higher porosity than the partial surface layers.
  • a porosity that prevails in a volume of material to be considered is understood to mean a ratio of a volume of pores that are present in the volume of material to the total volume of the volume of material. The more pores there are and the larger the pores, the higher the porosity in the volume of material.
  • the porosity within the base body sintered from particles should generally be greater than the porosity in the partial surface layers. As already described in detail above, this can be brought about, for example, by the partial surface layers being able to be formed as full-volume layers, ie having essentially no pores, or the existing pores in the base body initially provided are specifically infiltrated close to the surface with material of the partial surface layers or the layers close to the surface are otherwise compacted.
  • the porosity in the base body can be more than 5%, preferably more than 15%, whereas the porosity in the partial surface layers is less than 10%, preferably less than 5%, or is equal to 0.
  • the porosity in the base body can be at least 10%, preferably at least 20%, at least 30% or even at least 50% greater than in the partial surface layers.
  • the base body has a greater thickness than the partial surface layers.
  • the base body serves, among other things, to provide the transmitter element with sufficient mechanical strength in order to be able to withstand the forces acting on it, in particular any high centrifugal forces that may be acting.
  • the base body is usually used to be able to attach the transmitter element to a component whose position is to be determined.
  • the base body generally has macroscopic dimensions, in particular a thickness of at least 1 mm and usually even several millimeters.
  • the partial surface layers are intended, inter alia, to impart desired electrical properties to the transmitter element, in particular high electrical conductivity on its transmitter surface.
  • the part surfaces may be sufficient to form the part surfaces with a very small thickness, in particular a thickness of less than 1 mm, less than 0.5 mm or even less than 0.1 mm.
  • the thickness of the base body can be more than 50%, more than 100% or even more than 500% greater than the thickness of the partial surface layers.
  • the partial surface layers are planar.
  • the partial surface layers can be in the form of planar, ie non-curved, planar structures. opposites In this case, main surfaces of a partial surface layer can run parallel to one another, ie the partial surface layer can have a uniform thickness along its entire extent. This can simplify production of the partial surface layers and/or have a positive effect on their electrical properties.
  • the partial surface layers are flat at least on a surface directed away from the base body.
  • At least that surface of a partial surface layer that is directed away from the base body and thus toward the position sensor when used in the position sensor system should preferably be flat.
  • a gap between this surface of the partial surface layer and an opposite surface on the position sensor can thus have a uniform thickness. Among other things, this can positively influence a detection accuracy of the position sensor system.
  • the partial surface layers are arranged in a common plane.
  • all partial surface layers of the transmitter element can preferably be flat and arranged laterally next to one another. Laterally adjacent partial surface layers are spaced apart from one another at least in regions, but can also directly adjoin one another in partial regions.
  • the arrangement of the partial surface layers in a common plane can make it possible to align the sensor element in such a way that its partial surface layers can all be aligned parallel to a planar surface of the position sensor. This allows a position detection accuracy to be positively influenced.
  • the base body has a rotationally symmetrical outer contour.
  • a base body with a rotationally symmetrical outer contour can be mounted in a simple manner with respect to an axis of rotation running through the center of the base body, without having to compensate for forces that would otherwise arise due to imbalances.
  • the outer contour of the base body should preferably have rotational symmetry.
  • the base body can have structures such as centering recesses, which have no symmetry or a different symmetry than the outer contour of the base body.
  • the base body can, for example, have a cylindrical shape or have a circular outer contour.
  • the base body can have a polygonal outer contour, for example.
  • the partial surface layers are arranged rotationally symmetrically on the base body.
  • the provision of the partial surface layers in a rotationally symmetrical arrangement can also contribute to avoiding imbalances when the transmitter element rotates as far as possible.
  • the base body can have a number n of partial regions and overall have a rotational symmetry of the nth order.
  • one of the partial surface layers is arranged on each of the partial regions.
  • a body with a rotational symmetry of the nth order is imaged onto itself when rotated about an axis of rotation by an angle of (360°/n).
  • the arrangement of the partial surface layers on n partial areas of the base body, which are arranged with a rotational symmetry of the nth order is advantageous in order to be able to draw conclusions about a current orientation of the encoder element based on eddy currents induced in the partial surface layers.
  • the main body has a main body base and a plurality of carrier areas protruding from the main body base in a direction toward the position sensor.
  • the encoder surface is arranged on the carrier areas.
  • the base body can have a base area.
  • This basic body base can preferably be designed to be rotationally symmetrical, in particular cylindrical.
  • a plurality of support areas protrude from the main body base in a direction parallel to the axis of rotational symmetry.
  • 2, 3, 4, 5, 6 or more carrier areas can be provided.
  • the carrier areas can be arranged equidistantly, in particular at equal angular distances, on the base body.
  • the carrier areas can have an essentially planar configuration, i.e. have a small thickness.
  • a surface of the carrier areas directed away from the base body can form the transmitter surface of the transmitter element. This transmitter surface is preferably flat and plane-parallel to an opposite surface of the base body at the base of the base body.
  • One of the partial surface layers can then be arranged on each of the protruding carrier areas.
  • the distribution of the partial surface layers over a plurality of carrier areas protruding axially from the main body base can improve electrical properties of the transmitter element and, as a result, a detection accuracy of the position sensor system.
  • adjacent carrier areas are each spaced apart from one another by a gap running transversely to the transmitter surface.
  • the gap thus spatially separates the adjacent carrier areas and the partial surface layers arranged on them from one another. Electrically, however, the sub-surfaces arranged on adjacent carrier areas can be connected to one another indirectly via the base body. Due to the spatial separation and in particular due to the gap, however, an electrical resistance between adjacent partial surface layers is generally significantly greater than within a partial surface layer. This influences, among other things, a way in which eddy currents are induced in the transmitter element and in particular in the partial surface layers. From the resulting characteristics of the eddy currents, conclusions can be drawn particularly well about a positioning or orientation of the transmitter element.
  • the donor surface is uneven.
  • Unevenness on the donor surface can be caused in a targeted manner or result from properties of manufacturing processes that are used to form the base body.
  • macroscopic bumps can appear on the encoder surface, which are significantly larger than, for example, pores in the base body.
  • asperities in the form of depressions with depths of more than 50 ⁇ m or more than 0.1 mm can exist in the encoder surface.
  • Such unevenness can arise, for example, due to pressing surfaces on tools that are used to press the particles to be sintered together.
  • the base body can have a facet shape on the encoder surface, in which case a peripheral, facet-like depression is formed in the base body adjacent to a circumference of the base body.
  • Such a facet-like indentation can be brought about, for example, if the base body is pressurized when the sintered particles are pressed with a tool which, due to the design, has a Deepening pressed into the body.
  • the recess can have a conical segment-like shape.
  • Such an indentation is referred to herein as faceted.
  • the partial surface layers cover the facet-like depression.
  • the partial surface layers can run over the facet-like depression on the donor surface of the base body.
  • the partial surface layers can thus cover the depression in such a way that they can no longer have any significant influence on eddy currents induced within the transmitter element. Rather, such eddy currents are predominantly induced in the partial surface layers which are preferably flat on their surface directed towards the position sensor, i.e. have no indentations. As a result, an overall accuracy of a position detection in the position sensor system can be improved.
  • the partial surface layers do not cover the facet-like depression.
  • the partial surface layers can be dimensioned and positioned in such a way that they only cover a planar part of the encoder surface of the base body, but leave the facet-like depression free.
  • the facet-like indentation created during production is exposed and can continue to be opposite the sensor surface of the position sensor.
  • their influence on eddy currents that form in the transmitter element is small, since these eddy currents form predominantly in the partial surface layers.
  • the base body has a fastening structure which is configured to fasten the encoder element to a shaft of a rotor of an electrical machine.
  • the fastening structure can be designed in such a way that it can be used to fix the base body firmly, in particular non-rotatably, to the shaft of the rotor.
  • the mounting structure may be concentric with an axis of rotation of the rotor.
  • the fastening structure can be designed as a central through-opening in the base body.
  • Such a central passage opening can be formed in the base body in a particularly simple manner. With the help of the central passage opening, the base body can be pushed onto the shaft of the rotor and fixed there precisely with regard to its position, orientation and/or inclination.
  • a position sensor system includes a position sensor and a transmitter element with the properties described herein.
  • the position sensor can be configured to induce eddy currents in the encoder element by irradiating a high-frequency electromagnetic alternating field.
  • the position sensor is also configured to measure physical parameters which are influenced by the induced eddy currents, and to use this to determine information about a position, in particular an angular position, of the transmitter element.
  • Such a position sensor system can be used in particular to detect a current angular position of a rotor in an electrical machine according to the third aspect of the invention.
  • the encoder element is mechanically coupled to the rotor, whereas the position sensor is held stationary relative to the stator of the electrical machine. Since the position sensor system described functions without mechanical contact between the position sensor and the transmitter element, it can be operated largely without friction and/or without wear.
  • the sensor element described here enables cost-effective production for the position sensor system while at the same time achieving high detection accuracy. It is pointed out that possible features and advantages of embodiments of the invention are described here partly with reference to a transmitter element and partly with reference to a position sensor system or an electrical machine equipped therewith. A person skilled in the art will recognize that the features described for individual embodiments can be transferred, adapted and/or exchanged in an analogous and suitable manner to other embodiments in order to arrive at further embodiments of the invention and possibly to achieve synergy effects.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a transmitter element according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a sectional view through the transmitter element from FIG. 1 along section line AA.
  • FIGS. 3 to 8 are enlarged illustrations of the area B shown in FIG. 2 for different transmitter elements according to different exemplary embodiments of the invention.
  • FIG. 9 illustrates a position sensor system according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 10 illustrates an electric machine according to an embodiment of the present invention.
  • the figures are merely schematic and not true to scale.
  • the same reference symbols denote the same features or features that have the same effect.
  • FIGS. 9 A transmitter element 1 for a position sensor system 51, as shown in FIG. 9, is illustrated in FIGS.
  • the transmitter element 1 comprises a base body 3 and a plurality of partial surface layers 5.
  • the base body 3 is a sintered component which is made up of a large number of metal particles sintered together.
  • the main body 3 comprises a main body base 11 and a plurality of carrier areas 13.
  • the main body base 11 has an essentially cylindrical contour and is therefore rotationally symmetrical.
  • four carrier areas 13 protrude from the main body base 11 in a direction parallel to an axis of rotational symmetry of the main body base 11 . All carrier areas 13 each have the same shape and are arranged equidistantly, i.e. at equal angular intervals, on the base body 11 . Accordingly, the carrier areas 13 form four partial areas 9 on the base body 3, which are arranged on the base body 3 overall with fourth-order rotational symmetry.
  • the partial surface layers 5 are each arranged on a surface of these partial regions 9 referred to as the donor surface 7 and essentially cover the entire surface in the example shown.
  • an outer surface of the partial surface layers 5 is planar.
  • Adjacent carrier regions 13 and thus also the partial surface layers 5 covering them are spaced apart from one another by a gap 15 running transversely to the surface 7 of the carrier.
  • the gaps 15 each run in the radial direction in the base body 3 .
  • the gaps 15 can have the same or a similar width as the carrier areas 13 or cover an angle section that is the same or similar. Alternatively, however, such gaps 15 can also be clearly be narrower or cover a significantly smaller angular section than the adjacent support regions 13 spaced apart from one another by the gaps 15.
  • a through opening 21 is provided in the center of the base body 3, which can serve as a fastening structure 19, with the aid of which the transmitter element 1 can be fastened, for example, to a shaft 67 of a rotating component (see FIG. 10).
  • the position sensor system 51 shown in simplified form in Figure 9 has a position sensor 53 and a transmitter element 1.
  • the position sensor 53 comprises a field generation device 55 and an evaluation device 57.
  • the field generation device 55 can be used to generate high-frequency electromagnetic alternating fields, for example in a frequency range of one to five megahertz and radiated in a direction towards the transmitter element 1 . Due to electrical conductivities within the transmitter element 1, such alternating fields induce eddy currents in the transmitter element 1. These eddy currents in turn influence physical parameters in the encoder element 1 or interactions between the encoder element 1 and the position sensor 53. Such physical parameters can be measured and analyzed with the evaluation device 57 in order to obtain information about a position, in particular an angular position of the encoder element 1 relative to the position sensor 53 to be able to derive.
  • partial surface layers 5 are produced or formed in a suitable manner so that they offer a lower electrical resistance to the eddy currents induced by the high-frequency electromagnetic alternating fields irradiated by the position sensor 53 than is the case with the sintered base body 3 . Due to the increased electrical conductivity within the partial surface layers 5, the eddy currents can form there in a more precisely defined manner, as a result of which the measurement accuracy of the position sensor system 51 can be increased overall.
  • FIGS. 3 to 8 various possibilities for forming the partial surface layers 5 on the base body 3 and associated properties are illustrated.
  • the figures illustrate the region "B" of a sensor element 1 shown in Figure 2.
  • FIG. 3 shows a base body 3 on whose surface 7 a separate layer 27 is attached.
  • the separate layer 27 comprises an adhesive layer 25, a carrier film 23 and the partial surface layer 5 deposited on the carrier film 27.
  • the partial surface layer 5 is in turn applied to the side of the carrier film 23 opposite the adhesive layer 25 and is designed, for example, as a full-surface layer made of an electrically conductive material such as copper or aluminum.
  • the partial surface layer 5 can be formed from other conductive materials or with an inhomogeneous structure.
  • the partial surface layer 5 can be in the form of a woven or non-woven fabric with carbon fibers or metal fibers or other electrically conductive fibers (not illustrated).
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment in which the partial surface layer 5 as
  • Metal plate 29 on the surface 7 of the base body 3 is attached to the encoder.
  • the small metal plate 29, particularly if it is designed as a small copper plate or aluminum plate, can be pressed onto the porous surface of the sintered base body 3 and thus enter into a mechanically strong connection with it.
  • FIG. 5 shows a further embodiment in which the material of the partial surface layer 5 is infiltrated into pores 33 in the base body 3 at least near the surface.
  • electrically conductive material in particular metal
  • the metal can be applied directly to the transmitter surface 7 of the base body and at least partially penetrate into the pores 33 there.
  • the metal can be applied to the surface 7 of the encoder in the form of a liquid suspension or a paste containing metal particles.
  • a metallic layer can be evaporated or otherwise deposited from a gas phase.
  • FIG. 6 illustrates an embodiment in which a compacted layer region 31 is formed on the base body 3 on the encoder surface 7 close to the surface. Pores 33 are present in this compressed layer region 31 just like in an adjoining region of the base body 3 . However, the number and/or size of pores 33' in the compressed layer area 31 is significantly smaller than is the case for pores 33'' in the area of the base body 3 underneath.
  • the compressed layer area 31 can be produced, for example, by special measures during the production of the sintered component or by targeted post-processing of an area of the sintered component close to the surface.
  • the transmitter surface 7 on the base body 3 it can be preferred to design the transmitter surface 7 on the base body 3 as flat as possible in order to be able to arrange a partial surface layer 5 that is also flat.
  • tools for example in the form of pressure dies, which can result in indentations on the surfaces of the sintered component produced.
  • the tool can lead to the formation of facet-like depressions 17 (see Figures 7 and 8) come adjacent to a periphery of the base body 3.
  • Such depressions 17 can have a chamfer, ie a surface which runs obliquely to an adjacent remaining surface of the encoder surface.
  • the indentations 17 can typically be about a tenth of a millimeter deep and several tenths of a millimeter wide.
  • the partial surface layer 5 can cover the facet-like depression 17 in this case. Accordingly, radiated alternating fields lead to induced eddy currents forming mainly within the partial surface layer 5 and the depression 17 underneath having no significant negative influence on the alternating currents formed.
  • the partial surface layer 5 cannot cover the facet-like depression 17 .
  • the facet-like depression 17 is exposed. Nevertheless, alternating fields radiated in are largely absorbed in the partial surface layer 5 and cause eddy currents there, since their electrical conductivity is considerably higher than in the adjacent area of the base body 3 with the depression 17 formed there.
  • FIG. 10 illustrates an electrical machine 61 with a stator 63 and a rotor 65.
  • a position sensor system 51 as presented here, is used to determine a current angular position of the rotor 65 relative to the stator 63.
  • the encoder element 1 is mechanically coupled to the rotor 65 .
  • the position sensor 53 is held stationary relative to the stator 63 . Accordingly, the position sensor 53 can determine the angular position of the encoder element 1 relative to the stator 63 in the contactless manner described herein.
  • terms such as “comprising,””comprising,” etc. do not exclude other elements or steps, and terms such as “a” or “an” do not exclude a plurality.
  • features or steps that have been described with reference to one of the above exemplary embodiments can also be used in combination with other features or steps of other exemplary embodiments described above. Any reference signs in the claims should not be construed as limiting.

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a transmitter element (1) for a position sensor system (51), said transmitter element being used to allow the current orientation of a rotor shaft in a rapidly rotating electric machine to be ascertained for example. The transmitter element has a main part (3) and multiple sub-surface layers (5). The main part (3) consists of particles which are sintered together. Each of the sub-surface layers (5) is arranged on a main part (3) transmitter surface (7) which is oriented towards the position sensor (53). Adjacent sub-surface layers (5) are mutually spaced at least in some regions. Each of the sub-surface layers (5) has a higher electric conductivity than the main part (3) for electric currents which are induced by an electromagnetic alternating field that is emitted towards the transmitter surface (7) of the main part (3) and has a frequency of more than 0.2 MHz. The transmitter element is inexpensive to produce while still allowing a high degree of detection precision for the position sensor system.

Description

Geberelement für eine Positionssensorik Sensor element for a position sensor system
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Geberelement für eine Positionssensorik. Ferner betrifft die Erfindung eine Positionssensorik mit einem solchen Geberelement sowie eine elektrische Maschine mit einer solchen Positionssensorik. The present invention relates to a transmitter element for a position sensor system. Furthermore, the invention relates to a position sensor system with such a transmitter element and an electric machine with such a position sensor system.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION
Positionssensoriken werden dazu eingesetzt, Relativpositionen zwischen zwei Komponenten zu ermitteln. Typischerweise ist dabei an einer der Komponenten ein Geberelement angeordnet, wohingegen an der anderen der Komponenten ein Positionssensor angeordnet ist. Das Geberelement wird teilweise auch als Target oder Ziel bezeichnet. Der Positionssensor ist dazu ausgelegt, eine Position und/oder Orientierung des Geberelements relativ zu seiner eigenen Position bzw. Orientierung zu detektieren. Alternativ kann der Positionssensor zeitliche Veränderungen solcher Relativpositionen bzw. Relativorientierungen detektieren. Je nach Einsatzgebiet kann die Positionssensorik dabei dazu konfiguriert sein, translatorische und/oder rotatorische Positionen bzw. Positionsveränderungen zu ermitteln. Eine rotatorische Position entspricht hierbei einer Orientierung und eine rotatorische Positionsveränderung entspricht einer Orientierungsänderung. Eine Positionssensorik kann insbesondere dazu angewendet werden, um bei einer elektrischen Maschine wie beispielsweise einem Motor oder einem Generator eine aktuelle Orientierung eines Rotors relativ zu einem Stator bzw. zu einer stationären Bezugsposition zu ermitteln. Eine aktuelle Information über die Orientierung des Rotors kann insbesondere benötigt werden, um die elektrische Maschine korrekt ansteuern zu können. Position sensors are used to determine relative positions between two components. A transmitter element is typically arranged on one of the components, whereas a position sensor is arranged on the other of the components. The transmitter element is sometimes also referred to as a target. The position sensor is designed to detect a position and/or orientation of the transmitter element relative to its own position or orientation. Alternatively, the position sensor can detect changes in such relative positions or relative orientations over time. Depending on the area of use, the position sensor system can be configured to determine translatory and/or rotatory positions or changes in position. A rotary position corresponds to an orientation and a rotary position change corresponds to a change in orientation. A position sensor system can be used in particular to determine a current orientation of a rotor relative to a stator or to a stationary reference position in an electrical machine such as a motor or a generator. Up-to-date information about the orientation of the rotor can be required in particular in order to be able to control the electrical machine correctly.
Für verschiedenste Anwendungsbereiche, insbesondere zum Ermitteln einer Rotor Orientierung in einer elektrischen Maschine, wurde eine Vielzahl unterschiedlicher Positionssensoriken entwickelt. Eine Positionssensorik, bei der ein direkter mechanischer Kontakt zwischen einem Positionssensor und einem relativ zu diesem Positionssensor bewegten Bauteil herrscht, leidet hierbei im Regelfall unter Verschleiß. Daher wurden Positionssensoriken entwickelt, mithilfe derer eine Relativposition bzw. Relativorientierung zwischen dem Positionssensor und dem Geberelement berührungslos detektiert werden kann. A large number of different position sensor systems have been developed for a wide variety of applications, in particular for determining a rotor orientation in an electrical machine. A position sensor system in which there is direct mechanical contact between a position sensor and a component that is moved relative to this position sensor usually suffers from wear. Position sensor systems have therefore been developed, with the aid of which a relative position or relative orientation between the position sensor and the transmitter element can be detected without contact.
Beispielsweise wird in DE 19 738 836 Al ein induktiver Winkelsensor mit kompaktem Aufbau, hohem Auflösungsvermögen sowie hoher Unempfindlichkeit gegenüber Fertigungs- und Einbautoleranzen beschrieben. In EP 2 446 228 Bl wird ein Winkelpositionssensor beschrieben, welcher eine erste elektrische Spur und eine zweite elektrische Spur sowie ein bewegliches magnetisches Ziel, welches in Verbindung mit einem drehenden Objekt steht, dazu einsetzt, um eine aktuelle Winkelposition des drehenden Objekts zu ermitteln. Bei den beschriebenen Winkel sensoren werden elektromagnetische Wechselfelder dazu eingesetzt, um in dem Geberelement elektrische Ströme in Form von Wirbelströmen zu erzeugen. Physikalische Eigenschaften in dem Geberelement variieren dabei in Abhängigkeit von den induzierten Strömen, wobei diese wiederum abhängig von einer aktuellen Relativposition zwischen dem Geberelement und dem induzierenden Sensor sind. Dementsprechend kann durch Messung der sich ändernden physikalischen Eigenschaften auf die aktuelle Relativposition des Geberelements und damit auf die aktuelle Relativposition des mit diesem mechanisch gekoppelten drehenden Objekts rückgeschlossen werden. Herkömmlich wurde in einer Positionssensorik typischerweise ein Geberelement eingesetzt, an welches hohe Anforderungen gestellt wurden. Beispielsweise musste das Geberelement mit hoher Präzision gefertigt sein, um es einerseits präzise an einem drehenden Objekt fixieren zu können und andererseits seine aktuelle Position bzw. Orientierung mithilfe des Positionssensors präzise bestimmen zu können. For example, DE 19 738 836 A1 describes an inductive angle sensor with a compact design, high resolution and high insensitivity to manufacturing and installation tolerances. EP 2 446 228 B1 describes an angular position sensor which uses a first electrical track and a second electrical track as well as a movable magnetic target which is connected to a rotating object in order to determine a current angular position of the rotating object. In the angle sensors described, alternating electromagnetic fields are used to generate electric currents in the form of eddy currents in the transmitter element. Physical properties in the transmitter element vary depending on the induced currents, which in turn are dependent on a current relative position between the transmitter element and the inducing sensor. Accordingly, by measuring the changing physical properties, conclusions can be drawn about the current relative position of the encoder element and thus about the current relative position of the rotating object mechanically coupled to it. Conventionally, a transmitter element was typically used in a position sensor system, and high demands were placed on it. For example, the encoder element had to be manufactured with high precision in order to be able to fix it precisely to a rotating object on the one hand and to be able to precisely determine its current position or orientation using the position sensor on the other hand.
Bei einer Ausgestaltung eines Geberelements, mithilfe dessen eine Positionssensorik insbesondere eine aktuelle Orientierung eines drehenden Rotors in einer elektrischen Maschine ermitteln können soll, ist zu berücksichtigen, dass ein solcher Rotor sich mit sehr hohen Drehzahlen von oft mehr als 10.000 Umdrehungen/min (Upm), in manchen Fällen sogar bis zu 30.000 Umdrehungen/min oder mehr, drehen kann. Dementsprechend können erhebliche Fliehkräfte auf das mit dem Rotor gekoppelte Geberelement wirken. Das Geberelement muss daher geeignet dimensioniert und stabil ausgelegt sein, um solchen Fliehkräften beim Betrieb der elektrischen Maschine standhalten zu können. In the case of an embodiment of a transmitter element, with the aid of which a position sensor system is intended to be able to determine in particular a current orientation of a rotating rotor in an electrical machine, it must be taken into account that such a rotor rotates at very high speeds of often more than 10,000 revolutions per minute (rpm), in some cases even up to 30,000 rpm or more. Accordingly, considerable centrifugal forces can act on the encoder element coupled to the rotor. The encoder element must therefore be suitably dimensioned and designed to be stable in order to be able to withstand such centrifugal forces during operation of the electrical machine.
Konventionell wird das Geberelement meist durch spanende Verfahren aus einem metallischen Vollmaterial gefertigt. Dies ermöglicht zwar einerseits eine sehr präzise Formgebung, erfordert jedoch andererseits einen hohen Fertigungsaufwand sowie hohe Kosten sowohl aufgrund des bereitzustellenden Vollmaterial-Rohlings als auch aufgrund von Materialverlusten, wie sie bei spanenden Bearbeitungen unvermeidbar auftreten. Conventionally, the encoder element is usually manufactured from a solid metal material by machining. On the one hand, this enables very precise shaping, but on the other hand, it requires a high manufacturing effort and high costs both because of the solid material blank to be provided and because of material losses that unavoidably occur during machining.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG UND VORTEILHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN SUMMARY OF THE INVENTION AND ADVANTAGEOUS EMBODIMENTS
Es kann daher ein Bedarf an einem Geberelement für eine Positionssensorik bestehen, welches einfach und kostengünstig hergestellt werden kann und welches dennoch eine ausreichende Präzision bei der Positionsbestimmung ermöglicht. Ferner kann ein Bedarf an einer mit einem solchen Geberelement ausgestatteten Positionssensorik bestehen. Außerdem kann ein Bedarf an einer elektrischen Maschine bestehen, bei der mithilfe der beschriebenen Positionssensorik eine aktuelle Orientierung eines Rotors bestimmt werden kann. There may therefore be a need for a transmitter element for a position sensor system that can be produced simply and inexpensively and that nevertheless allows for sufficient precision when determining the position. Furthermore, there may be a need for a position sensor system equipped with such a transmitter element. In addition, there may be a need for an electric machine in which to help a current orientation of a rotor can be determined using the position sensors described.
Einem solchen Bedarf kann mit dem Gegenstand eines der unabhängigen Ansprüche entsprochen werden. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung definiert und in den Figuren veranschaulicht. Such a need may be met by the subject-matter of any of the independent claims. Advantageous embodiments are defined in the dependent claims and the following description and illustrated in the figures.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Geberelement für eine Positionssensorik, welches einen Grundkörper und mehrere Teiloberflächenschichten aufweist. Der Grundkörper besteht hierbei aus zusammengesinterten Partikeln. Jede der Teiloberflächenschichten ist an einer hin zu dem Positionssensor auszurichtenden Geb er Oberfläche des Grundkörpers angeordnet. Benachbarte Teiloberflächenschichten sind zumindest in Teilbereichen voneinander beabstandet. Jede der Teiloberflächenschichten weist für elektrische Ströme, welche durch ein hin zu der Geb er Oberfläche des Grundkörpers eingestrahltes elektromagnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz von mehr als 0,2 MHz induziert werden, eine höhere elektrische Leitfähigkeit auf als der Grundkörper. A first aspect of the invention relates to a transmitter element for a position sensor system, which has a base body and a plurality of partial surface layers. The base body consists of particles sintered together. Each of the partial surface layers is arranged on a transmitter surface of the base body to be aligned towards the position sensor. Adjacent partial surface layers are spaced apart from one another, at least in partial areas. Each of the partial surface layers has a higher electrical conductivity than the base body for electrical currents which are induced by an alternating electromagnetic field radiated towards the transmitter surface of the base body with a frequency of more than 0.2 MHz.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Positionssensorik beschrieben, welche einen Positionssensor und ein Geberelement gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung aufweist. According to a second aspect of the invention, a position sensor system is described which has a position sensor and a transmitter element according to an embodiment of the first aspect of the invention.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine beschrieben, welche einen Stator, einen Rotor und eine Positionssensorik gemäß einer Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung aufweist. Das Geberelement ist hierbei mechanisch mit dem Rotor gekoppelt. Der Positionssensor ist dazu konfiguriert, eine Position, insbesondere eine Winkelposition, des Geberelements relativ zu dem Stator zu ermitteln. Kurz und grob zusammengefasst und ohne die Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken kann ein Grundgedanke zu der hierin beschriebenen Idee darin gesehen werden, ein Geberelement für eine Positionssensorik anstatt durch spanende Bearbeitung eines Metall-Vollmaterials mithilfe eines Sinterbauteils aus zusammengesinterten Partikeln auszubilden. Solche Sinterbauteile können sehr kostengünstig und für viele Anwendungen ausreichend präzise hergestellt werden, indem ein Rohmaterial in Form eines partikelhaltigen Pulvers in einer geeignet ausgebildeten Form verpresst und anschließend der dabei gebildete Rohling bei erhöhter Temperatur gesintert wird. According to a third aspect of the invention, an electrical machine is described which has a stator, a rotor and a position sensor system according to an embodiment of the second aspect of the invention. In this case, the encoder element is mechanically coupled to the rotor. The position sensor is configured to determine a position, in particular an angular position, of the encoder element relative to the stator. Briefly and roughly summarized and without restricting the invention in any way, a basic idea of the idea described here can be seen in forming a transmitter element for a position sensor system using a sintered component made of particles sintered together instead of machining a solid metal material. Such sintered components can be produced very inexpensively and with sufficient precision for many applications by pressing a raw material in the form of a particle-containing powder in a suitably designed mold and then sintering the blank formed in this way at elevated temperature.
Es wurde beobachtet, dass ein Geberelement, das als einfaches Sinterbauteil gefertigt wurde, bei einem Einsatz in einer Positionssensorik hinsichtlich einer Genauigkeit einer Positionserfassung weiter verbessert werden kann. Insbesondere wurde erkannt, dass Signale, die ein Positionssensor in einer Positionssensorik ermittelt, bei der das herkömmlich spanend gefertigte Geberelement durch ein Sinterbauelement ersetzt wird, bei geeigneter Ausgestaltung des Sinterbauelements ähnlich akkurat oder sogar akkurater sein können und/oder ähnlich unempfindlich auf eine etwaige geringfügige Fehlpositionierung des Geberelements an einer Komponente wie beispielsweise einer Welle eines Rotors einer elektrischen Maschine reagieren können, wie dies bei Positionssensoriken mit herkömmlichen, spanend gefertigten Geberelementen der Fall ist. It has been observed that a transmitter element that was manufactured as a simple sintered component can be further improved with regard to the accuracy of a position detection when used in a position sensor system. In particular, it was recognized that signals that a position sensor determines in a position sensor system in which the conventionally machined encoder element is replaced by a sintered component can be similarly accurate or even more accurate with a suitable configuration of the sintered component and/or similarly insensitive to any slight incorrect positioning of the encoder element can react to a component such as a shaft of a rotor of an electrical machine, as is the case with position sensors with conventional, machined encoder elements.
Es wurde insbesondere beobachtet, dass die Präzision der Positionsermittlung bei Verwendung eines als Sinterbauteil gefertigten Geberelements erheblich gesteigert werden kann, wenn an dessen zu dem Positionssensor gerichteter Oberfläche mehrere spezielle Schichten ausgebildet werden, welche hierin als Teiloberflächenschichten bezeichnet werden und welche im Vergleich zu einem darunterliegenden Teil des Geberelements eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen, insbesondere für den Fall, dass darin Ströme durch hochfrequente elektromagnetische Wechselfelder induziert werden. Die Teiloberflächenschichten sind dabei derart an einem aus Partikeln zusammengesinterten Grundkörper angeordnet, dass sie ein Muster bilden, bei dem benachbarte Teiloberflächenschichten zumindest in Teilbereichen voneinander beabstandet sind. In particular, it has been observed that the precision of the position determination can be significantly increased when using an encoder element manufactured as a sintered component if several special layers are formed on its surface facing the position sensor, which are referred to herein as partial surface layers and which are compared to an underlying part of the transmitter element have a higher electrical conductivity, in particular in the event that currents are induced therein by high-frequency electromagnetic alternating fields. The partial surface layers are arranged on a base body sintered together from particles in such a way that they form a pattern in which adjacent partial surface layers are spaced apart from one another at least in partial areas.
Ein Geberelement, bei dem einerseits der Grundkörper als Sinterbauteil in einfacher und kostengünstiger Weise hergestellt werden kann und bei dem andererseits Teiloberflächenschichten mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit in einfacher Weise hergestellt werden können, ermöglicht dabei eine hohe Messgenauigkeit einer damit ausgestatteten Positionssensorik. A sensor element in which the base body can be produced simply and inexpensively as a sintered component on the one hand and in which partial surface layers with increased electrical conductivity can be produced in a simple manner on the other hand enables a high measuring accuracy of a position sensor system equipped with it.
Nachfolgend werden mögliche Details zu Ausgestaltungen des hierin vorgeschlagenen Geberelements und der damit ausgestatteten Positionssensorik bzw. der damit ausgestatteten elektrischen Maschine erläutert. Possible details on configurations of the encoder element proposed here and the position sensor system equipped therewith or the electric machine equipped therewith are explained below.
Der Grundkörper des Geberelements ist als Sinterbauteil ausgebildet und aus zusammengesinterten Partikeln zusammengesetzt. Insbesondere können die Partikel Metallpartikel sein. Vorzugsweise können hierfür Metalle, Metallmischungen oder Metalllegierungen wie beispielsweise Fe, FeCu, FeP, FeMo, Fe(Mo, Cu, Ni), FeCrMo, wobei Kohlenstoff mit beinhaltet sein kann oder auch Edelstahl ferritisch (bspw. 430), austenitisch (bspw. 316L) oder duplex, eingesetzt werden. Auch Partikel aus Aluminium, Kupfer oder Bronze können eingesetzt werden. Die Partikel können typischerweise Abmessungen in einem Bereich von zwischen 0 und 300 pm, beispielsweise mit einer mittleren Korngröße von 120 bis 150 pm aufweisen. Die Partikel können miteinander verpresst werden. Hierbei können typischerweise Drücke in einem Bereich von bis zu 1000 MPa, besonders bevorzugt im Bereich 600 bis 750 MPa eingesetzt werden. Die Partikel können hierzu in eine bereitgestellte Form eingefüllt werden und dann in der Form verpresst werden, um dem daraus hergestellten Rohling eine gewünschte Geometrie zu verleihen. Anschließend wird der Rohling auf eine erhöhte Temperatur in einem Bereich von typischerweise über 1100 °C im Falle von Eisenbasiswerkstoffen erhitzt, um ihn zu sintern. Durch ein solches Sintern gehen die verpressten Partikel eine mechanisch belastbare stoffliche Verbindung miteinander ein. Auf diese Weise kann der Grundkörper eine hohe mechanische Festigkeit erlangen. Die Teiloberflächenschichten sind in einem Bereich des Geberelements angeordnet, der, wenn das Geberelement in einer Positionssensorik angeordnet ist, hin zu dem Positionssensor ausgerichtet ist bzw. einer Sensoroberfläche des Positionssensors gegenüberliegt. Die Teiloberflächenschichten sind dabei an einer Oberfläche des Grundkörpers angeordnet, welche hierin als Geb er Oberfläche bezeichnet wird und welche dementsprechend zu dem Positionssensor gerichtet ist. The base body of the transmitter element is designed as a sintered component and is composed of particles sintered together. In particular, the particles can be metal particles. Metals, metal mixtures or metal alloys such as Fe, FeCu, FeP, FeMo, Fe(Mo, Cu, Ni), FeCrMo, which can also include carbon, or stainless steel ferritic (e.g. 430), austenitic (e.g. 316L ) or duplex. Aluminum, copper or bronze particles can also be used. The particles can typically have dimensions in a range of between 0 and 300 μm, for example with an average grain size of 120 to 150 μm. The particles can be pressed together. Typically, pressures in a range of up to 1000 MPa, particularly preferably in the range from 600 to 750 MPa, can be used here. For this purpose, the particles can be filled into a mold provided and then pressed in the mold in order to give the blank produced therefrom a desired geometry. The blank is then heated to an elevated temperature, typically in the range above 1100°C in the case of iron-based materials, to sinter it. Through such sintering, the pressed particles enter into a mechanically resilient material connection with one another. In this way, the base body can achieve high mechanical strength. The partial surface layers are arranged in a region of the transmitter element which, when the transmitter element is arranged in a position sensor system, is aligned towards the position sensor or is opposite a sensor surface of the position sensor. In this case, the partial surface layers are arranged on a surface of the base body, which is referred to herein as the encoder surface and which is accordingly directed towards the position sensor.
An dem Grundkörper sind hierbei mehrere Teiloberflächenschichten vorgesehen, wobei diese zumindest in Teilbereichen voneinander beabstandet sind. Die benachbarten Teiloberflächenschichten sind dabei nebeneinander angeordnet, das heißt nicht notwendigerweise orthogonal, aber lateral voneinander beabstandet. Zwischen benachbarten Teiloberflächenschichten können somit an der Geberoberfläche des Grundkörpers Flächenbereiche verbleiben, die nicht von einer der Teiloberflächenschichten überdeckt sind. In this case, a plurality of partial surface layers are provided on the base body, these being spaced apart from one another at least in partial areas. The adjacent partial surface layers are arranged next to one another, that is to say not necessarily orthogonally, but at a distance from one another laterally. Surface areas that are not covered by one of the partial surface layers can thus remain on the donor surface of the base body between adjacent partial surface layers.
Die Teiloberflächenschichten sind gezielt derart ausgestaltet, dass elektrische Ströme, insbesondere Wirbelströme, welche durch Einstrahlen eines elektromagnetischen Wechselfeldes hoher Frequenz in den Teiloberflächenschichten erzeugt werden, dort eine höhere elektrische Leitfähigkeit erfahren, als dies der Fall wäre, wenn dieselben elektrischen Ströme in dem Grundkörper induziert würden. Die erhöhte elektrische Leitfähigkeit soll hierbei für Wechselströme gelten, welche durch elektromagnetische Wechselfelder mit einer Frequenz von wenigstens 0,2 MHz, vorzugsweise wenigstens 1 Mhz und stärker bevorzugt wenigstens 2 MHz eingestrahlt werden. The partial surface layers are specifically designed in such a way that electrical currents, in particular eddy currents, which are generated in the partial surface layers by irradiation of an alternating electromagnetic field of high frequency, experience a higher electrical conductivity there than would be the case if the same electrical currents were induced in the base body . In this case, the increased electrical conductivity should apply to alternating currents which are irradiated by alternating electromagnetic fields with a frequency of at least 0.2 MHz, preferably at least 1 MHz and more preferably at least 2 MHz.
Solche hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelder werden typischerweise von Positionssensoren in Positionssensoriken generiert, mithilfe derer Winkelpositionen eines sehr schnell rotierenden Rotors in einer elektrischen Maschine ermittelt werden sollen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass hochfrequente elektrische Wechselströme in elektrisch leitenden Materialien aufgrund des sogenannten Skin-Effekts lediglich in einer sehr oberflächennahen Schicht fließen. Anders ausgedrückt weisen hochfrequente elektromagnetische Wechselfelder nur eine geringe Eindringtiefe in elektrisch leitfähiges Material auf. Die Dicke der Schicht, in der die hochfrequenten Wechselströme fließen, hängt dabei von deren Frequenz ab und nimmt typischerweise mit steigender Frequenz ab. Bei den genannten hohen Frequenzen kann eine solche Schichtdicke kleiner als 1 mm oder sogar kleiner als 0,1 mm sein. Such high-frequency electromagnetic alternating fields are typically generated by position sensors in position sensor systems, with the aid of which the angular positions of a very rapidly rotating rotor in an electrical machine are to be determined. It must be taken into account that high-frequency electrical alternating currents in electrically conductive materials only flow in a layer very close to the surface due to the so-called skin effect. In other words, high-frequency electromagnetic alternating fields have only a small penetration depth in electrically conductive material. The thickness of the layer in which the high-frequency Alternating currents flow depends on their frequency and typically decreases with increasing frequency. At the high frequencies mentioned, such a layer thickness can be less than 1 mm or even less than 0.1 mm.
Es wird davon ausgegangen, dass die im Vergleich zum Grundkörper höhere elektrische Leitfähigkeit für hochfrequente Wechselströme in den Teiloberflächenschichten dazu beiträgt, dass mit einer mit einem solchen Geberelement ausgestatteten Positionssensorik Relativpositionen mit hoher Genauigkeit und/oder geringerer Empfindlichkeit gegenüber Fehljustierungen ermittelt werden können. It is assumed that the higher electrical conductivity for high-frequency alternating currents in the partial surface layers compared to the base body contributes to the fact that a position sensor system equipped with such a transmitter element can be used to determine relative positions with high accuracy and/or less sensitivity to misalignments.
Gemäß einer Ausführungsform unterscheiden sich die Teiloberflächenschichten hinsichtlich eines sie bildenden Materials und/oder hinsichtlich einer in ihnen vorherrschenden Materi al dichte von dem Grundkörper. According to one embodiment, the partial surface layers differ from the base body with regard to a material forming them and/or with regard to a material density prevailing in them.
Die Teiloberflächenschichten können insbesondere mit einem Material gebildet sein, welches für elektrische Gleichströme und/oder für hochfrequente elektrische Wechselströme eine hohe Leitfähigkeit aufweist, insbesondere eine höhere Leitfähigkeit aufweist als ein für den Grundkörper eingesetztes Material. The partial surface layers can in particular be formed with a material which has a high conductivity for electrical direct currents and/or for high-frequency electrical alternating currents, in particular has a higher conductivity than a material used for the base body.
Alternativ oder ergänzend kann das Material der Teiloberflächenschichten eine andere mikroskopische und/oder makroskopische Struktur aufweisen als dasjenige des Grundkörpers. Beispielsweise kann der Grundkörper aufgrund seiner Ausbildung als Sinterbauteil eine Vielzahl von Korngrenzen und/oder Poren zwischen benachbarten Partikeln aufweisen, wohingegen die Teiloberflächenschichten mit weniger oder keinen solchen Korngrenzen und/oder Poren versehen sein können. Das Ausbilden der Teiloberflächenschichten mit anderen Materialien und/oder anderen Porositäten als in dem Grundkörper führt im Allgemeinen auch dazu, dass die Materi al dichte in den Teiloberflächenschichten sich von derjenigen in dem Grundkörper unterscheidet. Alternatively or additionally, the material of the partial surface layers can have a different microscopic and/or macroscopic structure than that of the base body. For example, the base body can have a large number of grain boundaries and/or pores between adjacent particles due to its design as a sintered component, whereas the partial surface layers can be provided with fewer or no such grain boundaries and/or pores. Forming the partial surface layers with different materials and/or different porosities than in the base body generally also means that the material density in the partial surface layers differs from that in the base body.
Die genannten Unterschiede können zu der gewünschten erhöhten elektrischen Leitfähigkeit für Wechselströme innerhalb der Teiloberflächenschichten beitragen und auf diese Weise eine Detektionsgenauigkeit der mit dem Geberelement ausgestatteten Positionssensorik erhöhen. The differences mentioned can contribute to the desired increased electrical conductivity for alternating currents within the partial surface layers and in this way increase a detection accuracy of the position sensor system equipped with the transmitter element.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Teiloberflächenschichten jeweils als separate Schicht an der Geb er Oberfläche angehaftet. According to one embodiment, the partial surface layers are each adhered as a separate layer to the encoder surface.
Anders ausgedrückt kann jede der Teiloberflächenschichten zunächst als separate Komponente bereitgestellt werden und dann mit dem Grundkörper an dessen Geberoberfläche verbunden werden. Die Teiloberflächenschichten können somit vorab hergestellt und anschließend an dem Grundkörper angebracht werden. Hierdurch können die Teiloberflächenschichten mit geeigneten und eventuell speziell hierfür angepassten Herstellungsverfahren gefertigt werden, wobei keine Rücksicht auf Eigenschaften des Grundkörpers genommen werden braucht. Die Teiloberflächen können beispielsweise als dünne Folie oder dünne Plättchen bereitgestellt werden. In other words, each of the partial surface layers can first be provided as a separate component and then connected to the base body on its donor surface. The partial surface layers can thus be produced in advance and then attached to the base body. As a result, the partial surface layers can be manufactured using suitable manufacturing processes that may be specially adapted for this purpose, with the properties of the base body not having to be taken into account. The partial surfaces can be provided, for example, as a thin film or thin platelets.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Teiloberflächenschichten jeweils mittels einer Haftschicht an der Geberoberfläche angehaftet. According to one embodiment, the partial surface layers are each adhered to the donor surface by means of an adhesive layer.
Die Haftschicht kann mit einem Klebstoff ausgebildet sein. Die Haftschicht kann eine zu der Geberoberfläche des Grundkörpers gerichtete Oberfläche einer Teiloberflächenschicht vollflächig oder in Teilbereichen bedecken. Die Haftschicht ist typischerweise dünner als die Teiloberflächenschicht. Mithilfe der Haftschicht kann die Teiloberflächenschichten einfach, zuverlässig und/oder mechanisch belastbar an dem Grundkörper fixiert werden. The adhesive layer may be formed with an adhesive. The adhesive layer can cover a surface of a partial surface layer that faces the donor surface of the base body over the entire surface or in partial areas. The adhesion layer is typically thinner than the partial surface layer. With the aid of the adhesive layer, the partial surface layers can be fixed to the base body in a simple, reliable and/or mechanically resilient manner.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Teiloberflächenschichten jeweils an einer Trägerfolie angelagert. According to one embodiment, the partial surface layers are each attached to a carrier film.
Die Trägerfolie kann aus einem beliebigen Material bestehen. Insbesondere kann die Trägerfolie als Kunststofffolie, Metallfolie oder Ähnlichem ausgebildet sein. Die Trägerfolie kann dünner oder dicker als die Teiloberflächenschichten sein. Jede der Teiloberflächenschichten kann an einer eigenen Trägerfolie angelagert sein. Alternativ können mehrere Teiloberflächenschichten an einer gemeinsamen Trägerfolie angelagert sein. Indem die Teiloberflächenschichten jeweils an einer Trägerfolie angelagert werden, können diese in einfacher Weise hergestellt werden. Beispielsweise können die Teiloberflächenschichten mit industriell etablierten Schichtbildungsverfahren aus einer flüssigen Phase oder einer Gasphase auf die Trägerfolie abgeschieden werden. The carrier film can be made of any material. In particular, the carrier foil can be designed as a plastic foil, metal foil or the like. The carrier foil can be thinner or thicker than the partial surface layers. Each of the partial surface layers can be attached to its own carrier film. Alternatively several partial surface layers can be attached to a common carrier film. Since the partial surface layers are each attached to a carrier film, they can be produced in a simple manner. For example, the partial surface layers can be deposited onto the carrier film from a liquid phase or a gas phase using industrially established layer formation processes.
Alternativ ist jedoch auch vorstellbar, die Teiloberflächenschichten ohne Trägerfolie, d.h. als selbstragende Schichten, bereitzustellen. Alternatively, however, it is also conceivable to provide the partial surface layers without a carrier film, i.e. as self-supporting layers.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Teiloberflächenschichten jeweils als vollflächige Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus einem Metall, bevorzugt mit Kupfer oder Aluminium, ausgebildet. According to one embodiment, the partial surface layers are each formed as a full-area layer of an electrically conductive material, in particular of a metal, preferably with copper or aluminum.
Mit anderen Worten kann jede der Teiloberflächenschichten als in sich homogene Schicht ausgebildet sein. Die Teiloberflächenschicht kann hierbei eine homogene Schichtdicke und/oder ein homogenes Volumen aufweisen. Hierdurch kann auch eine elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Teiloberflächenschicht homogen, insbesondere isotrop, sein. Dies kann sich vorteilhaft auf eine Messgenauigkeit der mit dem Geberelement ausgestatteten Positionssensorik auswirken. Vorzugsweise ist die Teiloberflächenschicht dabei mit einem elektrisch sehr gut leitfähigen Material ausgebildet. Hierzu können bevorzugt Metalle, insbesondere Metalle mit hoher Leitfähigkeit wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, eingesetzt werden. Alternativ erscheint jedoch auch eine Ausgestaltung der Teiloberflächenschichten mit anderen gut leitfähigen Materialien, beispielsweise als Kohlenstoffschicht, vorstellbar. In other words, each of the partial surface layers can be formed as an inherently homogeneous layer. The partial surface layer can have a homogeneous layer thickness and/or a homogeneous volume. As a result, an electrical conductivity within the partial surface layer can also be homogeneous, in particular isotropic. This can have an advantageous effect on the measuring accuracy of the position sensor system equipped with the transmitter element. In this case, the partial surface layer is preferably formed with a material that is electrically very well conductive. Metals, in particular metals with high conductivity such as, for example, copper or aluminum, can preferably be used for this purpose. Alternatively, however, a configuration of the partial surface layers with other highly conductive materials, for example a carbon layer, also appears conceivable.
Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die Teiloberflächenschichten jeweils als Gewebe oder Vlies aus elektrisch leitfähigen Fasern, insbesondere aus Kohlefasem oder Metallfasem, ausgebildet. According to another embodiment, the partial surface layers are each formed as a woven fabric or nonwoven fabric made of electrically conductive fibers, in particular carbon fibers or metal fibers.
Solche mit Fasern ausgebildeten Teiloberflächenschichten sind typischerweise nicht homogen, insbesondere nicht isotrop, können aber dennoch vorteilhafte elektrische Eigenschaften aufweisen, um eine Detektionsgenauigkeit der Positionssensorik zu erhöhen. Ferner können solche faserhaltigen Teiloberflächenschichten gezielt mit einer Faserorientierung ausgebildet und/oder auf den Grundkörper aufgebracht werden, um Ihnen gewünschte elektrische Eigenschaften und/oder mechanische Eigenschaften zu verleihen. Ein elektrisch leitfähiges Gewebe oder Vlies kann ferner einfach und kostengünstig bereitgestellt werden. Such partial surface layers formed with fibers are typically not homogeneous, in particular not isotropic, but can nevertheless have advantageous electrical properties in order to increase the detection accuracy of the position sensor system increase. Furthermore, such fiber-containing partial surface layers can be specifically designed with a fiber orientation and/or applied to the base body in order to impart desired electrical properties and/or mechanical properties to them. An electrically conductive fabric or fleece can also be provided easily and inexpensively.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind die Teiloberflächenschichten als Metallplättchen, insbesondere als Kupferplättchen, auf die Geb er Oberfläche aufgepresst. According to an alternative embodiment, the partial surface layers are pressed onto the sensor surface as small metal plates, in particular as small copper plates.
Metallplättchen können vorab mit einer gewünschten Geometrie und/oder Dicke hergestellt werden, beispielsweise durch Pressen und/oder Stanzen von Metallblechen. Einer Herstellung der Metallplättchen kann hierbei sehr einfach sein. Außerdem können die Metallplättchen gute elektrische Eigenschaften aufweisen, welche die Detektionsgenauigkeit der Positionssensorik verbessern. Die Metallplättchen können geeignet an der Geb er Oberfläche des Grundkörpers positioniert werden und dann mit dem Grundkörper verpresst werden. Dabei kann es zu einer mechanisch belastbaren Verbindung zwischen den Metallplättchen und dem Grundkörper kommen. Insbesondere kann Material des Metallplättchens in Poren in dem Grundkörper eingepresst werden und somit für eine mikroskopisch formschlüssige Verbindung zwischen beiden Komponenten sorgen. Eine solche mechanisch belastbare Verbindung kann insbesondere mithilfe von Kupferplättchen erzeugt werden, die aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften eine sehr feste Anbindung an den Grundkörper ermöglichen. Metal flakes can be produced in advance with a desired geometry and/or thickness, for example by pressing and/or stamping metal sheets. Manufacturing the metal plates can be very simple here. In addition, the metal plates can have good electrical properties, which improve the detection accuracy of the position sensors. The metal plates can be suitably positioned on the surface of the base body and then pressed onto the base body. This can result in a mechanically resilient connection between the metal plates and the base body. In particular, material of the small metal plate can be pressed into pores in the base body and thus ensure a microscopically form-fitting connection between the two components. Such a mechanically resilient connection can be produced in particular with the help of copper plates, which allow a very strong connection to the base body due to their mechanical properties.
Gemäß einer Ausführungsform ist Material der Teiloberflächenschichten zumindest oberflächennah in Poren in dem Grundkörper infiltriert. According to one embodiment, material of the partial surface layers is infiltrated at least near the surface in pores in the base body.
Indem Material der Teiloberflächenschichten in Poren des als Sinterbauteil gebildeten Grundkörpers eingreift, kann eine mechanisch besonders belastbare Verbindung zwischen den Teiloberflächenschichten und dem Grundkörper bewirkt werden. Beispielsweise kann eine Teiloberflächenschicht an dem Grundkörper hergestellt werden, indem Material der Teiloberflächenschicht direkt auf den Grundkörper appliziert wird. Auf eine Zwischenschicht, insbesondere eine Haftschicht und/oder eine Träger schicht, kann gegebenenfalls verzichtet werden. Since the material of the partial surface layers engages in pores of the base body formed as a sintered component, a mechanically particularly resilient connection can be brought about between the partial surface layers and the base body. For example, a partial surface layer can be produced on the base body by applying material of the partial surface layer directly to the base body. An intermediate layer, in particular an adhesive layer and/or a carrier layer, can optionally be dispensed with.
Material der Teiloberflächenschicht kann beispielsweise aus einer flüssigen bzw. viskosen Phase auf die Geb er Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht werden und dabei in Poren in dem Grundkörper einfließen, bevor es anschließend trocknet oder aushärtet. Zum Beispiel kann fließfähiges Material auf die Geb er Oberfläche aufge strichen, aufgesprüht, auflackiert, aufgedruckt, aufgesponnen oder in anderer Weise aufgebracht werden. Auch kann leitfähiges Material in einer Lösung gelöst oder in einer Suspension aufgenommen sein und aus dieser auf der Geb er Oberfläche des Grundkörpers abgeschieden werden, beispielsweise galvanisch oder durch stromloses Plattieren. Material of the partial surface layer can, for example, be applied from a liquid or viscous phase to the surface of the base body and flow into pores in the base body before it then dries or hardens. For example, flowable material may be brushed, sprayed, painted, printed, spun-bonded, or otherwise applied to the donor surface. Conductive material can also be dissolved in a solution or taken up in a suspension and deposited from this on the surface of the base body, for example galvanically or by electroless plating.
Alternativ kann Material der Teiloberflächenschicht aus einer gasförmigen Phase auf die Geb er Oberfläche aufgebracht werden, insbesondere aufgedampft oder aufgesputtert werden. Hierzu können Gasphasenabscheidungsprozesse, insbesondere CVD-Prozesse (Chemical Vapor Deposition) oder PVD-Prozesse (Physical Vapor Deposition) eingesetzt werden. Bei solchen Abscheidungsprozessen infiltriert ein Teil des abgeschiedenen Materials im Allgemeinen unweigerlich Poren in dem Grundkörper. Alternatively, material of the partial surface layer can be applied from a gaseous phase to the surface of the encoder, in particular vapor-deposited or sputtered on. Gas phase deposition processes, in particular CVD processes (Chemical Vapor Deposition) or PVD processes (Physical Vapor Deposition) can be used for this purpose. In general, in such deposition processes, some of the deposited material inevitably infiltrates pores in the base body.
Als weitere Alternative kann leitfähiges Material als Feststoff aufgebracht und anschließend verflüssigt, insbesondere aufgeschmolzen, werden, um dadurch in Poren des Grundkörpers einfließen zu können. Beispielsweise kann ein Metallplättchen, insbesondere ein Kupferplättchen oder Aluminiumplättchen, auf die Geb er Oberfläche appliziert werden und dann teilweise oder vollständig aufgeschmolzen werden, sodass dessen verflüssigtes Material Poren an der Geb er Oberfläche infiltrieren kann. As a further alternative, conductive material can be applied as a solid and then liquefied, in particular melted, in order to be able to flow into the pores of the base body. For example, a metal flake, in particular a copper flake or aluminum flake, can be applied to the surface of the encoder and then partially or completely melted, so that its liquefied material can infiltrate pores on the surface of the encoder.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Teiloberflächenschichten als oberflächennah verdichtete Schichtbereiche an dem Grundkörper ausgebildet. Generell weist der Grundkörper aufgrund seiner Zusammensetzung aus Partikeln eine gewisse Porosität auf. Bei dem ursprünglich als Sinterbauteil hergestellten Grundkörper ist dabei die Porosität im Allgemeinen über das gesamte Volumen des Grundkörpers hin weitgehend homogen. In einem Nachbearbeitungsschritt oder durch gezielte Maßnahmen beim Verpressen der Partikel, um den Grundkörper-Rohling zu formen, kann jedoch ein oberflächennaher Schichtbereich an den Grundkörper gezielt verdichtet werden, um auf diese Weise dort die Porosität zu verringern. Hierzu kann der oberflächennahe Schichtbereich beispielsweise gezielt mechanisch bearbeitet werden, um dort eine Anzahl und/oder Größe vorhandener Poren lokal zu reduzieren. Alternativ oder ergänzend kann in den oberflächennahen Schichtbereich ergänzendes Material in dortige Poren eingebracht werden, um den Schichtbereich zu verdichten. Vorzugsweise kann elektrisch gut leitfähiges Material, insbesondere Metall, ergänzend eingebracht werden. Aufgrund der Verdichtung erhält der oberflächennahe Schichtbereich typischerweise eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit und kann daher als gut leitfähige Teiloberflächenschicht wirken. According to one embodiment, the partial surface layers are formed as near-surface compacted layer areas on the base body. In general, the base body has a certain porosity due to its composition of particles. In the case of the base body originally produced as a sintered component, the porosity is generally largely homogeneous over the entire volume of the base body. However, in a post-processing step or through targeted measures when pressing the particles to form the basic body blank, a layer area close to the surface of the basic body can be specifically compacted in order to reduce the porosity there in this way. For this purpose, the layer area close to the surface can be machined in a targeted manner, for example, in order to locally reduce the number and/or size of pores present there. Alternatively or additionally, additional material can be introduced into the pores in the layer area near the surface in order to compact the layer area. Material with good electrical conductivity, in particular metal, can preferably be additionally introduced. Due to the densification, the layer area close to the surface typically has an increased electrical conductivity and can therefore act as a highly conductive partial surface layer.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Grundkörper eine höhere Porosität auf als die Teiloberflächenschichten. According to one embodiment, the base body has a higher porosity than the partial surface layers.
Generell wird unter einer Porosität, die in einem zu betrachtenden Materialvolumen vorherrscht, ein Verhältnis eines Volumens von Poren, die in dem Materialvolumen vorhanden sind, zu dem Gesamtvolumen des Materialvolumens verstanden. Je mehr Poren vorhanden sind und je größer die Poren sind, umso höher ist die Porosität in dem Materialvolumen. In general, a porosity that prevails in a volume of material to be considered is understood to mean a ratio of a volume of pores that are present in the volume of material to the total volume of the volume of material. The more pores there are and the larger the pores, the higher the porosity in the volume of material.
Bei dem hier vorgestellten Geberelement soll die Porosität innerhalb des aus Partikeln gesinterten Grundkörpers generell größer sein als die Porosität in den Teiloberflächenschichten. Dies kann, wie vorangehend bereits detailliert beschrieben, beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass die Teiloberflächenschichten als vollvolumige Schichten ausgebildet werden können, d.h. im Wesentlichen keine Poren aufweisen, oder das vorhandene Poren in dem anfänglich bereitgestellten Grundkörper gezielt oberflächennah mit Material der Teiloberflächenschichten infiltriert werden bzw. die oberflächennahen Schichten anderweitig verdichtet werden. In the case of the transmitter element presented here, the porosity within the base body sintered from particles should generally be greater than the porosity in the partial surface layers. As already described in detail above, this can be brought about, for example, by the partial surface layers being able to be formed as full-volume layers, ie having essentially no pores, or the existing pores in the base body initially provided are specifically infiltrated close to the surface with material of the partial surface layers or the layers close to the surface are otherwise compacted.
Beispielsweise kann die Porosität in dem Grundkörper mehr als 5 %, vorzugsweise mehr als 15 % betragen, wohingegen die Porosität in den Teiloberflächenschichten geringer als 10 %, vorzugweise geringer als 5 %, ist oder gleich 0 ist. Insbesondere kann die Porosität in dem Grundkörper um wenigstens 10 %, vorzugsweise wenigstens 20 %, wenigstens 30 % oder sogar wenigstens 50 % größer sein als in den Teiloberflächenschichten. For example, the porosity in the base body can be more than 5%, preferably more than 15%, whereas the porosity in the partial surface layers is less than 10%, preferably less than 5%, or is equal to 0. In particular, the porosity in the base body can be at least 10%, preferably at least 20%, at least 30% or even at least 50% greater than in the partial surface layers.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Grundkörper eine größere Dicke auf als die Teiloberflächenschichten. According to one embodiment, the base body has a greater thickness than the partial surface layers.
Allgemein dient der Grundkörper unter anderem dazu, dem Geberelement eine ausreichende mechanische Festigkeit zu verleihen, um den auf ihn wirkenden Kräften, insbesondere eventuell wirkenden hohen Fliehkräften, standhalten zu können. Außerdem dient der Grundkörper meist dazu, dass Geberelement an einer Komponente, deren Position ermittelt werden soll, befestigen zu können. Hierzu weist der Grundkörper in der Regel makroskopische Abmessungen, insbesondere eine Dicke von wenigstens 1 mm und meist sogar mehreren Millimetern auf. Die Teiloberflächenschichten sind hingegen unter anderem dazu vorgesehen, dem Geberelement gewünschte elektrische Eigenschaften, insbesondere eine hohe elektrische Leitfähigkeit an dessen Geberoberfläche, zu verleihen. Hierzu kann es genügen, die Teil oberflächen mit einer sehr geringen Dicke, insbesondere einer Dicke von weniger als 1 mm, weniger als 0,5 mm oder sogar weniger als 0,1 mm, auszubilden. Beispielsweise kann die Dicke des Grundkörpers mehr als 50 %, mehr als 100 % oder sogar mehr als 500 % größer sein als die Dicke der Teiloberflächenschichten. In general, the base body serves, among other things, to provide the transmitter element with sufficient mechanical strength in order to be able to withstand the forces acting on it, in particular any high centrifugal forces that may be acting. In addition, the base body is usually used to be able to attach the transmitter element to a component whose position is to be determined. For this purpose, the base body generally has macroscopic dimensions, in particular a thickness of at least 1 mm and usually even several millimeters. The partial surface layers, on the other hand, are intended, inter alia, to impart desired electrical properties to the transmitter element, in particular high electrical conductivity on its transmitter surface. To this end, it may be sufficient to form the part surfaces with a very small thickness, in particular a thickness of less than 1 mm, less than 0.5 mm or even less than 0.1 mm. For example, the thickness of the base body can be more than 50%, more than 100% or even more than 500% greater than the thickness of the partial surface layers.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Teiloberflächenschichten planar. According to one embodiment, the partial surface layers are planar.
Mit anderen Worten können die Teiloberflächenschichten als ebene, d.h. nicht gekrümmte, flächenartige Strukturen ausgebildet sein. Entgegengesetzte Hauptoberflächen einer Teiloberflächenschicht können hierbei parallel zueinander verlaufen, das heißt die Teiloberflächenschicht kann entlang ihrer gesamten Erstreckung eine gleichmäßige Dicke aufweisen. Dies kann eine Herstellung der Teiloberflächenschichten vereinfachen und/oder deren elektrische Eigenschaften positiv beeinflussen. In other words, the partial surface layers can be in the form of planar, ie non-curved, planar structures. opposites In this case, main surfaces of a partial surface layer can run parallel to one another, ie the partial surface layer can have a uniform thickness along its entire extent. This can simplify production of the partial surface layers and/or have a positive effect on their electrical properties.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Teiloberflächenschichten zumindest an einer von dem Grundkörper weg gerichteten Oberfläche plan. According to one embodiment, the partial surface layers are flat at least on a surface directed away from the base body.
Anders ausgedrückt soll vorzugsweise zumindest diejenige Oberfläche einer Teiloberflächenschicht, welche von dem Grundkörper weg und somit beim Einsatz in der Positionssensorik hin zu dem Positionssensor gerichtet ist, eben sein. Ein Spalt zwischen dieser Oberfläche der Teiloberflächenschicht und einer gegenüberliegenden Oberfläche an dem Positionssensor kann somit eine gleichmäßige Dicke aufweisen. Dies kann unter anderem eine Detektionsgenauigkeit der Positionssensorik positiv beeinflussen. In other words, at least that surface of a partial surface layer that is directed away from the base body and thus toward the position sensor when used in the position sensor system should preferably be flat. A gap between this surface of the partial surface layer and an opposite surface on the position sensor can thus have a uniform thickness. Among other things, this can positively influence a detection accuracy of the position sensor system.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Teiloberflächenschichten in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. According to one embodiment, the partial surface layers are arranged in a common plane.
Mit anderen Worten können alle Teiloberflächenschichten des Geberelements vorzugsweise eben sein und lateral nebeneinander angeordnet sein. Lateral benachbarte Teiloberflächenschichten sind dabei zumindest bereichsweise voneinander beabstandet, können jedoch in Teilbereichen auch direkt aneinander angrenzen. Die Anordnung der Teiloberflächenschichten in einer gemeinsamen Ebene kann dabei ermöglichen, das Geberelement derart auszurichten, dass dessen Teiloberflächenschichten alle parallel zu einer planen Oberfläche des Positionssensors ausgerichtet sein können. Hierdurch lässt sich eine Positionsdetektionsgenauigkeit positiv beeinflussen. In other words, all partial surface layers of the transmitter element can preferably be flat and arranged laterally next to one another. Laterally adjacent partial surface layers are spaced apart from one another at least in regions, but can also directly adjoin one another in partial regions. The arrangement of the partial surface layers in a common plane can make it possible to align the sensor element in such a way that its partial surface layers can all be aligned parallel to a planar surface of the position sensor. This allows a position detection accuracy to be positively influenced.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Grundkörper eine rotationssymmetrische Außenkontur auf. Ein Grundkörper mit einer rotationssymmetrischen Außenkontur kann in einfacher Weise bezüglich einer durch das Zentrum des Grundkörpers verlaufenden Rotationsachse gelagert werden, ohne Kräfte, die ansonsten aufgrund von Unwuchten entstehen würden, kompensieren zu müssen. Insbesondere die Außenkontur des Grundkörpers sollte vorzugsweise eine Rotationssymmetrie aufweisen. Die Rotationssymmetrie kann n-ter Ordnung sein (n = 1, 2, 3, . . .), wobei eine geradzahlige Rotationssymmetrie bevorzugt sein kann. Entfernt von einem Außenumfang, insbesondere nahe einem Zentrum, kann der Grundkörper Strukturen wie beispielsweise Zentrierausnehmungen aufweisen, welche keine oder eine andere Symmetrie aufweisen als die Außenkontur des Grundkörpers. Der Grundkörper kann beispielsweise eine zylindrische Form aufweisen bzw. eine kreisförmige Außenkontur besitzen. Alternativ kann der Grundkörper beispielsweise eine polygonförmige Außenkontur aufweisen. According to one embodiment, the base body has a rotationally symmetrical outer contour. A base body with a rotationally symmetrical outer contour can be mounted in a simple manner with respect to an axis of rotation running through the center of the base body, without having to compensate for forces that would otherwise arise due to imbalances. In particular, the outer contour of the base body should preferably have rotational symmetry. The rotational symmetry can be of the nth order (n=1, 2, 3, . . . ), where an even rotational symmetry can be preferred. Away from an outer circumference, in particular near a center, the base body can have structures such as centering recesses, which have no symmetry or a different symmetry than the outer contour of the base body. The base body can, for example, have a cylindrical shape or have a circular outer contour. Alternatively, the base body can have a polygonal outer contour, for example.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Teiloberflächenschichten am Grundkörper rotationssymmetrisch angeordnet. According to one embodiment, the partial surface layers are arranged rotationally symmetrically on the base body.
Auch das Vorsehen der Teiloberflächenschichten in einer rotationssymmetrischen Anordnung kann dazu beitragen, Unwuchten beim Rotieren des Geberelements weitestgehend zu vermeiden. The provision of the partial surface layers in a rotationally symmetrical arrangement can also contribute to avoiding imbalances when the transmitter element rotates as far as possible.
Insbesondere kann gemäß einer Ausführungsform der Grundkörper eine Anzahl n von Teilbereichen aufweisen und insgesamt eine Rotationssymmetrie n-ter Ordnung aufweisen. An jedem der Teilbereiche ist dabei eine der Teiloberflächenschichten angeordnet. In particular, according to one embodiment, the base body can have a number n of partial regions and overall have a rotational symmetry of the nth order. In this case, one of the partial surface layers is arranged on each of the partial regions.
Ein Körper mit einer Rotationssymmetrie n-ter Ordnung wird bei einer Drehung um eine Rotationsachse um einen Winkel von (360°/n) auf sich selbst abgebildet. Neben der Vermeidung von Unwuchten ist die Anordnung der Teiloberflächenschichten auf n Teilbereichen des Grundkörpers, die mit einer Rotationssymmetrie n-ter Ordnung angeordnet sind, vorteilhaft, um anhand von in den Teiloberflächenschichten induzierten Wirbelströmen auf eine aktuelle Orientierung des Geberelementes rückschließen zu können. Gemäß einer Ausführungsform weist der Grundkörper eine Grundkörperbasis und mehrere von der Grundkörperbasis in einer Richtung hin zu dem Positionssensor abragende Trägerbereiche auf. Die Geb er Oberfläche dabei ist an den Trägerbereichen angeordnet. A body with a rotational symmetry of the nth order is imaged onto itself when rotated about an axis of rotation by an angle of (360°/n). In addition to avoiding imbalances, the arrangement of the partial surface layers on n partial areas of the base body, which are arranged with a rotational symmetry of the nth order, is advantageous in order to be able to draw conclusions about a current orientation of the encoder element based on eddy currents induced in the partial surface layers. According to one embodiment, the main body has a main body base and a plurality of carrier areas protruding from the main body base in a direction toward the position sensor. The encoder surface is arranged on the carrier areas.
Anders ausgedrückt kann der Grundkörper einen Basisbereich aufweisen. Diese Grundkörperbasis kann vorzugsweise rotationssymmetrisch, insbesondere zylindrisch, ausgebildet sein. Von der Grundkörperbasis ragen mehrere Trägerbereiche in einer Richtung parallel zu der Rotationssymmetrieachse ab. Beispielsweise können 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr Trägerbereiche vorgesehen sein. Die Trägerbereiche können äquidistant, insbesondere in gleichen Winkelabständen, an der Grundkörperbasis angeordnet sein. Die Trägerbereiche können eine im Wesentlichen flächige Ausgestaltung haben, d.h. eine geringe Dicke aufweisen. Eine weg von dem Grundkörper gerichtete Oberfläche der Trägerbereiche kann die Geberoberfläche des Geberelements bilden. Vorzugsweise ist diese Geberoberfläche eben und planparallel zu einer entgegengesetzten Oberfläche des Grundkörpers an dessen Grundkörperbasis. An jedem der abragenden Trägerbereiche kann dann eine der Teiloberflächenschichten angeordnet sein. Die Verteilung der Teiloberflächenschichten auf mehrere axial von der Grundkörperbasis abragende Trägerbereiche kann elektrische Eigenschaften des Geberelements und daraus resultierend eine Detektionsgenauigkeit der Positionssensorik verbessern. In other words, the base body can have a base area. This basic body base can preferably be designed to be rotationally symmetrical, in particular cylindrical. A plurality of support areas protrude from the main body base in a direction parallel to the axis of rotational symmetry. For example, 2, 3, 4, 5, 6 or more carrier areas can be provided. The carrier areas can be arranged equidistantly, in particular at equal angular distances, on the base body. The carrier areas can have an essentially planar configuration, i.e. have a small thickness. A surface of the carrier areas directed away from the base body can form the transmitter surface of the transmitter element. This transmitter surface is preferably flat and plane-parallel to an opposite surface of the base body at the base of the base body. One of the partial surface layers can then be arranged on each of the protruding carrier areas. The distribution of the partial surface layers over a plurality of carrier areas protruding axially from the main body base can improve electrical properties of the transmitter element and, as a result, a detection accuracy of the position sensor system.
Gemäß einer konkretisierten Ausführungsform sind hierbei benachbarte Trägerbereiche jeweils durch einen quer zu der Geberoberfläche verlaufenden Spalt voneinander beabstandet. According to a specific embodiment, adjacent carrier areas are each spaced apart from one another by a gap running transversely to the transmitter surface.
Der Spalt trennt somit die benachbarten Trägerbereiche sowie die auf ihnen angeordneten Teiloberflächenschichten räumlich voneinander. Elektrisch können die auf benachbarten Trägerbereichen angeordneten Teiloberflächen jedoch indirekt über die Grundkörperbasis miteinander verbunden sein. Aufgrund der räumlichen Trennung und insbesondere aufgrund des Spaltes ist jedoch ein elektrischer Widerstand zwischen benachbarten Teiloberflächenschichten im Allgemeinen deutlich größer als innerhalb einer Teiloberflächenschicht. Dies beeinflusst unter anderem eine Art und Weise, wie Wirbelströme in dem Geberelement und insbesondere in den Teiloberflächenschichten induzierten werden. Aus daraus resultierenden Charakteristika der Wirbelströme kann auf eine Positionierung bzw. Orientierung des Geberelements besonders gut rückgeschlossen werden. The gap thus spatially separates the adjacent carrier areas and the partial surface layers arranged on them from one another. Electrically, however, the sub-surfaces arranged on adjacent carrier areas can be connected to one another indirectly via the base body. Due to the spatial separation and in particular due to the gap, however, an electrical resistance between adjacent partial surface layers is generally significantly greater than within a partial surface layer. This influences, among other things, a way in which eddy currents are induced in the transmitter element and in particular in the partial surface layers. From the resulting characteristics of the eddy currents, conclusions can be drawn particularly well about a positioning or orientation of the transmitter element.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Geberoberfläche uneben. According to one embodiment, the donor surface is uneven.
Unebenheiten an der Geberoberfläche können gezielt bewirkt werden oder sich aufgrund von Eigenschaften von Herstellungsverfahren, die eingesetzt werden, um den Grundkörper zu bilden, ergeben. Insbesondere können sich makroskopische Unebenheiten an der Geb er Oberfläche einstellen, welche deutlich größer sind als beispielsweise Poren in dem Grundkörper. Zum Beispiel können in der Geb er Oberfläche Unebenheiten in Form von Vertiefungen mit Tiefen von mehr als 50 pm oder mehr als 0,1 mm existieren. Solche Unebenheiten können beispielsweise aufgrund von Pressoberflächen an Werkzeugen, die zum Verpressen der zusammenzusinternden Partikel eingesetzt werden, entstehen. Unevenness on the donor surface can be caused in a targeted manner or result from properties of manufacturing processes that are used to form the base body. In particular, macroscopic bumps can appear on the encoder surface, which are significantly larger than, for example, pores in the base body. For example, asperities in the form of depressions with depths of more than 50 μm or more than 0.1 mm can exist in the encoder surface. Such unevenness can arise, for example, due to pressing surfaces on tools that are used to press the particles to be sintered together.
Während bei Geberelementen, welche insgesamt als Sinterbauteil hergestellt wurden, beobachtet wurde, dass Unebenheiten an deren Geb er Oberfläche zu Ungenauigkeiten bei der Positionsdetektierung führen können, wurde bei dem hier vorgestellten Geberelement beobachtet, dass das ergänzende Vorsehen der Teiloberflächenschichten einen solchen negativen Effekt weitestgehend vermeiden kann. While it was observed in the case of encoder elements that were produced as a sintered component overall that unevenness on their encoder surface can lead to inaccuracies in the position detection, it was observed in the encoder element presented here that the additional provision of the partial surface layers can largely avoid such a negative effect .
Insbesondere kann gemäß einer Ausführungsform der Grundkörper an der Geb er Oberfläche eine Facettenform aufweisen, bei der angrenzend an einen Umfang des Grundkörpers ein umlaufende, facettenartige Vertiefung in dem Grundkörper ausgebildet ist. In particular, according to one embodiment, the base body can have a facet shape on the encoder surface, in which case a peripheral, facet-like depression is formed in the base body adjacent to a circumference of the base body.
Eine solche facettenartige Vertiefung kann beispielsweise bewirkt werden, wenn der Grundkörper beim Verpressen der Sinterpartikel mit einem Werkzeug unter Druck gesetzt wird, welches nahe dem Umfang des Grundkörpers konstruktionsbedingt eine Vertiefung in den Grundkörper einpresst. Die Vertiefung kann hierbei eine kegelsegment-artige Form aufweisen. Eine solche Vertiefung wird hierin als facettenartig bezeichnet. Such a facet-like indentation can be brought about, for example, if the base body is pressurized when the sintered particles are pressed with a tool which, due to the design, has a Deepening pressed into the body. In this case, the recess can have a conical segment-like shape. Such an indentation is referred to herein as faceted.
Gemäß einer konkretisierten Ausführungsform überdecken die Teiloberflächenschichten die facettenartige Vertiefung. According to a specific embodiment, the partial surface layers cover the facet-like depression.
Anders ausgedrückt können die Teiloberflächenschichten über die facettenartige Vertiefung an der Geberoberfläche des Grundkörpers verlaufen. Die Teiloberflächenschichten können somit die Vertiefung derart überdecken, dass diese keinen wesentlichen Einfluss mehr auf innerhalb des Geberelements induzierte Wirbelströme haben können. Vielmehr werden solche Wirbelströme überwiegend in den Teiloberflächenschichten induziert, welche vorzugsweise an ihrer zu dem Positionssensor gerichteten Oberfläche eben sind, d.h. keine Vertiefungen aufweisen. Hierdurch kann insgesamt eine Genauigkeit einer Positionsdetektion in der Positionssensorik verbessert werden. In other words, the partial surface layers can run over the facet-like depression on the donor surface of the base body. The partial surface layers can thus cover the depression in such a way that they can no longer have any significant influence on eddy currents induced within the transmitter element. Rather, such eddy currents are predominantly induced in the partial surface layers which are preferably flat on their surface directed towards the position sensor, i.e. have no indentations. As a result, an overall accuracy of a position detection in the position sensor system can be improved.
Gemäß einer alternativen konkretisierten Ausführungsform überdecken die Teiloberflächenschichten die facettenartige Vertiefung nicht. According to an alternative specific embodiment, the partial surface layers do not cover the facet-like depression.
Mit anderen Worten können die Teiloberflächenschichten derart dimensioniert und positioniert sein, dass sie lediglich einen planen Teil der Geb er Oberfläche des Grundkörpers überdecken, die facettenartige Vertiefung jedoch freilassen. Zwar ist bei dieser Ausgestaltung die herstellungsbedingt erzeugte facettenartige Vertiefung freiliegend und kann weiterhin der Sensorfläche des Positionssensors gegenüberliegen. Ihr Einfluss auf Wirbelströme, die sich in dem Geberelement bilden, ist jedoch gering, da diese Wirbelströme sich überwiegend in den Teiloberflächenschichten bilden. In other words, the partial surface layers can be dimensioned and positioned in such a way that they only cover a planar part of the encoder surface of the base body, but leave the facet-like depression free. In this configuration, the facet-like indentation created during production is exposed and can continue to be opposite the sensor surface of the position sensor. However, their influence on eddy currents that form in the transmitter element is small, since these eddy currents form predominantly in the partial surface layers.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Grundkörper eine Befestigungsstruktur auf, welche dazu konfiguriert ist, dass Geberelement an einer Welle eines Rotors einer elektrischen Maschine zu befestigen. Die Befestigungsstruktur kann derart ausgestaltet sein, dass mit ihrer Hilfe der Grundkörper fest, insbesondere drehfest, an der Welle des Rotors fixiert werden kann. Die Befestigungsstruktur kann konzentrisch zu einer Drehachse des Rotors verlaufen. According to one embodiment, the base body has a fastening structure which is configured to fasten the encoder element to a shaft of a rotor of an electrical machine. The fastening structure can be designed in such a way that it can be used to fix the base body firmly, in particular non-rotatably, to the shaft of the rotor. The mounting structure may be concentric with an axis of rotation of the rotor.
Insbesondere kann, gemäß einer Ausführungsform, die Befestigungsstruktur als zentrale Durchgangsöffnung in dem Grundkörper ausgebildet sein. In particular, according to one embodiment, the fastening structure can be designed as a central through-opening in the base body.
Eine solche zentrale Durchgangsöffnung kann in besonders einfacher Weise in dem Grundkörper ausgebildet werden. Mithilfe der zentralen Durchgangsöffnung kann der Grundkörper auf die Welle des Rotors aufgeschoben und an dieser genau hinsichtlich seiner Position, Orientierung und/oder Neigung fixiert werden. Such a central passage opening can be formed in the base body in a particularly simple manner. With the help of the central passage opening, the base body can be pushed onto the shaft of the rotor and fixed there precisely with regard to its position, orientation and/or inclination.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst eine Positionssensorik einen Positionssensor sowie ein Geberelement mit den hierin beschriebenen Eigenschaften. According to the second aspect of the invention, a position sensor system includes a position sensor and a transmitter element with the properties described herein.
Gemäß einer Ausführungsform kann dabei der Positionssensor dazu konfiguriert sein, in dem Geberelement durch Einstrahlen eines hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes Wirbelströme zu induzieren. Der Positionssensor ist hierbei ferner dazu konfiguriert, physikalische Parameter zu messen, welche durch die induzierten Wirbelströme beeinflusst werden, und daraus eine Information über eine Position, insbesondere eine Winkelposition, des Geberelements zu ermitteln. According to one embodiment, the position sensor can be configured to induce eddy currents in the encoder element by irradiating a high-frequency electromagnetic alternating field. In this case, the position sensor is also configured to measure physical parameters which are influenced by the induced eddy currents, and to use this to determine information about a position, in particular an angular position, of the transmitter element.
Eine solche Positionssensorik kann insbesondere dazu eingesetzt werden, eine aktuelle Winkelposition eines Rotors in einer elektrischen Maschine gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung zu detektieren. Das Geberelement ist dabei mechanisch mit dem Rotor gekoppelt, wohingegen der Positionssensor stationär relativ zu dem Stator der elektrischen Maschine gehalten ist. Da die beschriebene Positionssensorik ohne mechanischen Kontakt zwischen dem Positionssensor und dem Geberelement funktioniert, kann sie weitgehend reibungsfrei und/oder verschleißfrei betrieben werden. Das hierin beschriebene Geberelement ermöglicht für die Positionssensorik dabei eine kostengünstige Herstellung bei gleichzeitig erreichbarer hoher Detektionsgenauigkeit. Es wird darauf hingewiesen, dass hierin mögliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung teils mit Bezug auf ein Geberelement und teils mit Bezug auf eine Positionssensorik bzw. eine damit ausgestattete elektrische Maschine beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die für einzelne Ausführungsformen beschriebenen Merkmale in analoger und geeigneter Weise auf andere Ausführungsformen übertragen, angepasst und/oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung und möglicherweise zu Synergieeffekten zu gelangen. Such a position sensor system can be used in particular to detect a current angular position of a rotor in an electrical machine according to the third aspect of the invention. The encoder element is mechanically coupled to the rotor, whereas the position sensor is held stationary relative to the stator of the electrical machine. Since the position sensor system described functions without mechanical contact between the position sensor and the transmitter element, it can be operated largely without friction and/or without wear. The sensor element described here enables cost-effective production for the position sensor system while at the same time achieving high detection accuracy. It is pointed out that possible features and advantages of embodiments of the invention are described here partly with reference to a transmitter element and partly with reference to a position sensor system or an electrical machine equipped therewith. A person skilled in the art will recognize that the features described for individual embodiments can be transferred, adapted and/or exchanged in an analogous and suitable manner to other embodiments in order to arrive at further embodiments of the invention and possibly to achieve synergy effects.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert, wobei weder die Zeichnungen noch die Erläuterungen als die Erfindung in irgendeiner Weise einschränkend auszulegen sind. In the following, advantageous embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the attached drawings, whereby neither the drawings nor the explanations are to be interpreted as restricting the invention in any way.
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Geberelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. FIG. 1 shows a perspective view of a transmitter element according to an embodiment of the invention.
Figur 2 zeigt eine Schnittansicht durch das Geberelement aus Figur 1 entlang der Schnittlinie A-A. FIG. 2 shows a sectional view through the transmitter element from FIG. 1 along section line AA.
Figuren 3 bis 8 sind vergrößerte Darstellungen des in Figur 2 dargestellten Bereichs B für verschiedene Geberelemente gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung. FIGS. 3 to 8 are enlarged illustrations of the area B shown in FIG. 2 for different transmitter elements according to different exemplary embodiments of the invention.
Figur 9 veranschaulicht eine Positionssensorik gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. FIG. 9 illustrates a position sensor system according to an embodiment of the invention.
Figur 10 veranschaulicht eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den verschiedenen Zeichnungen gleiche bzw. gleichwirkende Merkmale. Figure 10 illustrates an electric machine according to an embodiment of the present invention. The figures are merely schematic and not true to scale. In the various drawings, the same reference symbols denote the same features or features that have the same effect.
BESCHREIBUNG VON VORTEILHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DESCRIPTION OF ADVANTAGEOUS EMBODIMENTS
In den Figuren 1 und 2 ist ein Geberelement 1 für eine Positionssensorik 51, wie sie in Figur 9 dargestellt ist, veranschaulicht. A transmitter element 1 for a position sensor system 51, as shown in FIG. 9, is illustrated in FIGS.
Das Geberelement 1 umfasst einen Grundkörper 3 und mehrere Teiloberflächen- schichten 5. Der Grundkörper 3 ist ein Sinterbauteil, welches aus einer Vielzahl von zusammengesinterten Metallpartikeln aufgebaut ist. Der Grundkörper 3 umfasst eine Grundkörperbasis 11 sowie mehrere Trägerbereiche 13. Die Grundkörperbasis 11 weist eine im Wesentlichen zylindrische Kontur auf und ist somit rotationssymmetrisch. Von der Grundkörperbasis 11 ragen im dargestellten Beispiel vier Trägerbereiche 13 in einer Richtung parallel zu einer Rotationssymmetrieachse der Grundkörperbasis 11 ab. Alle Trägerbereiche 13 weisen dabei jeweils eine gleiche Form auf und sind äquidistant, d.h. in gleichen Winkelabständen, an der Grundkörperbasis 11 angeordnet. Dementsprechend bilden die Trägerbereiche 13 vier Teilbereiche 9 an dem Grundkörper 3 aus, welche insgesamt mit einer Rotationssymmetrie vierter Ordnung an dem Grundkörper 3 angeordnet sind. The transmitter element 1 comprises a base body 3 and a plurality of partial surface layers 5. The base body 3 is a sintered component which is made up of a large number of metal particles sintered together. The main body 3 comprises a main body base 11 and a plurality of carrier areas 13. The main body base 11 has an essentially cylindrical contour and is therefore rotationally symmetrical. In the example shown, four carrier areas 13 protrude from the main body base 11 in a direction parallel to an axis of rotational symmetry of the main body base 11 . All carrier areas 13 each have the same shape and are arranged equidistantly, i.e. at equal angular intervals, on the base body 11 . Accordingly, the carrier areas 13 form four partial areas 9 on the base body 3, which are arranged on the base body 3 overall with fourth-order rotational symmetry.
Die Teiloberflächenschichten 5 sind jeweils an einer als Geberoberfläche 7 bezeichneten Oberfläche dieser Teilbereiche 9 angeordnet und bedecken diese im dargestellten Beispiel im Wesentlichen vollflächig. Insbesondere eine außenliegende Oberfläche der Teiloberflächenschichten 5 ist hierbei plan. Benachbarte Trägerbereiche 13 und somit auch die diese bedeckenden Teiloberflächenschichten 5 sind jeweils durch einen quer zu der Geb er Oberfläche 7 verlaufenden Spalt 15 voneinander beabstandet. Die Spalte 15 verlaufen hierbei in dem Grundkörper 3 jeweils in radialer Richtung. Die Spalte 15 können, wie im dargestellten Beispiel, eine gleiche oder ähnliche Breite aufweisen wie die Trägerbereiche 13 bzw. einen gleichen oder ähnlichen Winkelabschnitt überdecken. Alternativ können solche Spalte 15 jedoch auch deutlich schmaler sein bzw. einen deutlich geringeren Winkelabschnitt überdecken als die durch die Spalte 15 voneinander beabstandeten benachbarten Trägerbereiche 13. The partial surface layers 5 are each arranged on a surface of these partial regions 9 referred to as the donor surface 7 and essentially cover the entire surface in the example shown. In particular, an outer surface of the partial surface layers 5 is planar. Adjacent carrier regions 13 and thus also the partial surface layers 5 covering them are spaced apart from one another by a gap 15 running transversely to the surface 7 of the carrier. The gaps 15 each run in the radial direction in the base body 3 . As in the example shown, the gaps 15 can have the same or a similar width as the carrier areas 13 or cover an angle section that is the same or similar. Alternatively, however, such gaps 15 can also be clearly be narrower or cover a significantly smaller angular section than the adjacent support regions 13 spaced apart from one another by the gaps 15.
Im Zentrum des Grundkörpers 3 ist eine Durchgangsöffnung 21 vorgesehen, welche als Befestigungsstruktur 19 dienen kann, mit deren Hilfe das Geberelement 1 beispielsweise an einer Welle 67 einer drehenden Komponente (siehe Fig. 10) befestigt werden kann. A through opening 21 is provided in the center of the base body 3, which can serve as a fastening structure 19, with the aid of which the transmitter element 1 can be fastened, for example, to a shaft 67 of a rotating component (see FIG. 10).
Die in Figur 9 vereinfacht dargestellte Positionssensorik 51 verfügt über einen Positionssensor 53 und ein Geberelement 1. Der Positionssensor 53 umfasst eine Felderzeugungseinrichtung 55 sowie eine Auswerteeinrichtung 57. Mithilfe der Felderzeugungseinrichtung 55 können hochfrequente elektromagnetische Wechselfelder, beispielsweise in einem Frequenzbereich von ein bis fünf Megahertz, erzeugt und in einer Richtung hin zu dem Geberelement 1 abgestrahlt werden. Aufgrund elektrischer Leitfähigkeiten innerhalb des Geberelements 1 induzieren solche Wechselfelder in dem Geberelement 1 Wirbelströme. Diese Wirbelströme beeinflussen ihrerseits physikalische Parameter in dem Geberelement 1 bzw. Wechselwirkungen zwischen dem Geberelement 1 und dem Positionssensor 53. Solche physikalischen Parameter können gemessen werden und mit der Auswerteeinrichtung 57 analysiert werden, um daraus eine Information über eine Position, insbesondere eine Winkelposition des Geberelements 1 relativ zu dem Positionssensor 53 ableiten zu können. The position sensor system 51 shown in simplified form in Figure 9 has a position sensor 53 and a transmitter element 1. The position sensor 53 comprises a field generation device 55 and an evaluation device 57. The field generation device 55 can be used to generate high-frequency electromagnetic alternating fields, for example in a frequency range of one to five megahertz and radiated in a direction towards the transmitter element 1 . Due to electrical conductivities within the transmitter element 1, such alternating fields induce eddy currents in the transmitter element 1. These eddy currents in turn influence physical parameters in the encoder element 1 or interactions between the encoder element 1 and the position sensor 53. Such physical parameters can be measured and analyzed with the evaluation device 57 in order to obtain information about a position, in particular an angular position of the encoder element 1 relative to the position sensor 53 to be able to derive.
Es wurde beobachtet, dass eine Art und Weise, wie erzeugte Wechselfelder in dem Geberelement 1 Wirbelströme erzeugen, einen Einfluss auf eine Messgenauigkeit, mit der in der Positionssensorik 51 die Positionen ermittelt werden können, haben kann. Insbesondere wurde beobachtet, dass die Art und Weise, wie Wirbelströme in einem als Sinterbauteil ausgebildeten Geberelement erzeugt werden, dazu zu führen scheint, dass Messgenauigkeiten bei Verwendung eines solchen Sinterbauteil-Geberelements zumindest in manchen Fällen geringer sind als bei Verwendung eines herkömmlichen Geberelements, das durch spanende Bearbeitung sehr präzise aus einem Vollmaterial hergestellt wurde. Um das beschriebene Defizit zu überwinden, werden an der Geb er Oberfläche 7 des als Sinterbauteil gefertigten Grundkörpers 3 die Teiloberflächenschichten 5 vorgesehen. Diese Teiloberflächenschichten 5 werden in geeigneter Weise hergestellt bzw. gebildet, sodass sie den Wirbelströmen, die durch die von dem Positionssensor 53 eingestrahlten hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelder induziert werden, einen geringeren elektrischen Widerstand entgegensetzen, als dies bei dem gesinterten Grundkörper 3 der Fall ist. Aufgrund der erhöhten elektrischen Leitfähigkeit innerhalb der Teiloberflächenschichten 5 können sich dort die Wirbelströme in genauer definierter Weise ausbilden, wodurch insgesamt die Messgenauigkeit der Positionssensorik 51 erhöht werden kann. It has been observed that a way in which alternating fields generated in the transmitter element 1 produce eddy currents can have an influence on a measuring accuracy with which the positions can be determined in the position sensor system 51 . In particular, it has been observed that the manner in which eddy currents are generated in a sensor element designed as a sintered component appears to result in measurement accuracies when using such a sintered component sensor element being lower, at least in some cases, than when using a conventional sensor element which is characterized by machining was made very precisely from a solid material. In order to overcome the deficit described, the partial surface layers 5 are provided on the surface 7 of the base body 3 manufactured as a sintered component. These partial surface layers 5 are produced or formed in a suitable manner so that they offer a lower electrical resistance to the eddy currents induced by the high-frequency electromagnetic alternating fields irradiated by the position sensor 53 than is the case with the sintered base body 3 . Due to the increased electrical conductivity within the partial surface layers 5, the eddy currents can form there in a more precisely defined manner, as a result of which the measurement accuracy of the position sensor system 51 can be increased overall.
In den Figuren 3 bis 8 sind verschiedene Möglichkeiten, die Teiloberflächenschichten 5 an dem Grundkörper 3 auszubilden, sowie damit einhergehende Eigenschaften veranschaulicht. Die Figuren veranschaulichen den in Figur 2 dargestellten Bereich „B“ eines Geberelements 1. In FIGS. 3 to 8, various possibilities for forming the partial surface layers 5 on the base body 3 and associated properties are illustrated. The figures illustrate the region "B" of a sensor element 1 shown in Figure 2.
Figur 3 zeigt einen Grundkörper 3, an dessen Geb er Oberfläche 7 eine separate Schicht 27 angebracht ist. Die separate Schicht 27 umfasst eine Haftschicht 25, eine Trägerfolie 23 sowie die auf der Trägerfolie 27 abgeschiedene Teiloberflächenschicht 5. Mithilfe der Haftschicht 25 kann die Trägerfolie 23 mechanisch belastbar an der Geb er Oberfläche 7 des Grundkörpers 3 fixiert werden. Die Teiloberflächenschicht 5 ist ihrerseits an der der Haftschicht 25 gegenüberliegenden Seite der Trägerfolie 23 aufgebracht und ist beispielsweise als vollflächige Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium ausgebildet. Alternativ kann die Teiloberflächenschicht 5 aus anderen leitfähigen Materialien bzw. mit einer inhomogenen Struktur ausgebildet sein. Insbesondere kann die Teiloberflächenschicht 5 als Gewebe oder Vlies mit Kohlefasern oder Metallfasern oder anderen elektrisch leitfähigen Fasern ausgebildet sein (nicht veranschaulicht). FIG. 3 shows a base body 3 on whose surface 7 a separate layer 27 is attached. The separate layer 27 comprises an adhesive layer 25, a carrier film 23 and the partial surface layer 5 deposited on the carrier film 27. The partial surface layer 5 is in turn applied to the side of the carrier film 23 opposite the adhesive layer 25 and is designed, for example, as a full-surface layer made of an electrically conductive material such as copper or aluminum. Alternatively, the partial surface layer 5 can be formed from other conductive materials or with an inhomogeneous structure. In particular, the partial surface layer 5 can be in the form of a woven or non-woven fabric with carbon fibers or metal fibers or other electrically conductive fibers (not illustrated).
Figur 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung, bei der die Teiloberflächenschicht 5 alsFigure 4 shows an alternative embodiment in which the partial surface layer 5 as
Metallplättchen 29 an der Geb er Oberfläche 7 des Grundkörpers 3 angebracht ist. Zur Herstellung eines derart ausgestalteten Geberelements 1 kann das Metallplättchen 29, insbesondere wenn es als Kupferplättchen oder Aluminiumplättchen ausgebildet ist, auf die poröse Oberfläche des gesinterten Grundkörpers 3 aufgepresst werden und dadurch eine mechanisch stark belastbare Verbindung mit dieser eingehen. Metal plate 29 on the surface 7 of the base body 3 is attached to the encoder. To the When producing a transducer element 1 configured in this way, the small metal plate 29, particularly if it is designed as a small copper plate or aluminum plate, can be pressed onto the porous surface of the sintered base body 3 and thus enter into a mechanically strong connection with it.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei der Material der Teiloberflächenschicht 5 zumindest oberflächennah in Poren 33 in dem Grundkörper 3 infiltriert ist. Zur Herstellung eines solchen Geberelements 1 kann elektrisch leitfähiges Material, insbesondere Metall, direkt auf die Geberoberfläche 7 des Grundkörpers aufgebracht werden und dabei zumindest teilweise in dortige Poren 33 eindringen. Beispielsweise kann das Metall Form einer flüssigen Suspension oder einer metallpartikelhaltigen Paste auf die Geb er Oberfläche 7 aufgebracht werden. Alternativ kann eine metallische Schicht aufgedampft oder in anderer Weise aus einer Gasphase abgeschieden werden. FIG. 5 shows a further embodiment in which the material of the partial surface layer 5 is infiltrated into pores 33 in the base body 3 at least near the surface. To produce such a transmitter element 1, electrically conductive material, in particular metal, can be applied directly to the transmitter surface 7 of the base body and at least partially penetrate into the pores 33 there. For example, the metal can be applied to the surface 7 of the encoder in the form of a liquid suspension or a paste containing metal particles. Alternatively, a metallic layer can be evaporated or otherwise deposited from a gas phase.
Figur 6 veranschaulicht eine Ausgestaltung, bei der an der Geb er Oberfläche 7 oberflächennah ein verdichteter Schichtbereich 31 an dem Grundkörper 3 ausgebildet ist. In diesem verdichteten Schichtbereich 31 sind zwar ebenso wie in einem angrenzenden Bereich des Grundkörpers 3 Poren 33 vorhanden. Eine Anzahl und/oder Größe von Poren 33‘ in dem verdichteten Schichtbereich 31 ist jedoch deutlich geringer als dies für Poren 33“ in dem darunterliegenden Bereich des Grundkörpers 3 der Fall ist. Der verdichtete Schichtbereich 31 kann beispielsweise durch spezielle Maßnahmen bei der Herstellung des Sinterbauteils oder durch gezieltes Nachbearbeiten eines oberflächennahen Bereiches des Sinterbauteils erzeugt werden. FIG. 6 illustrates an embodiment in which a compacted layer region 31 is formed on the base body 3 on the encoder surface 7 close to the surface. Pores 33 are present in this compressed layer region 31 just like in an adjoining region of the base body 3 . However, the number and/or size of pores 33' in the compressed layer area 31 is significantly smaller than is the case for pores 33'' in the area of the base body 3 underneath. The compressed layer area 31 can be produced, for example, by special measures during the production of the sintered component or by targeted post-processing of an area of the sintered component close to the surface.
Generell kann es bevorzugt sein, die Geb er Oberfläche 7 an dem Grundkörper 3 möglichst eben auszugestalten, um an dieser eine ebenfalls ebene Teiloberflächenschicht 5 anordnen zu können. Allerdings kann es beim Herstellen von Sinterbauteilen notwendig sein, Werkzeuge, beispielsweise in Form von Druckstempeln, einzusetzen, wodurch sich an Oberflächen des hergestellten Sinterbauteils Vertiefungen ergeben können. Insbesondere bei der Herstellung eines Sinterbauteils in Form eines Grundkörpers 3 für das hier vorgestellte Geberelement 1 kann es werkzeugbedingt zu einer Ausbildung facettenartiger Vertiefungen 17 (siehe Figuren 7 und 8) angrenzend an einen Umfang des Grundkörpers 3 kommen. Solche Vertiefungen 17 können eine Fase, d.h. eine Oberfläche, welche schräg zu einer benachbarten restlichen Oberfläche der Geb er Oberfläche verläuft, aufweisen. Die Vertiefungen 17 können typischerweise etwa einen Zehntel Millimeter tief und mehrere Zehntel Millimeter breit sein. In general, it can be preferred to design the transmitter surface 7 on the base body 3 as flat as possible in order to be able to arrange a partial surface layer 5 that is also flat. However, when producing sintered components, it may be necessary to use tools, for example in the form of pressure dies, which can result in indentations on the surfaces of the sintered component produced. Particularly in the production of a sintered component in the form of a base body 3 for the encoder element 1 presented here, the tool can lead to the formation of facet-like depressions 17 (see Figures 7 and 8) come adjacent to a periphery of the base body 3. Such depressions 17 can have a chamfer, ie a surface which runs obliquely to an adjacent remaining surface of the encoder surface. The indentations 17 can typically be about a tenth of a millimeter deep and several tenths of a millimeter wide.
Das hierin beschriebene ergänzende Vorsehen von elektrisch gut leitfähigen Teiloberflächenschichten 5 an der Geberoberfläche 3 kann helfen, einen nachteiligen Einfluss einer herstellungsbedingt unebenen Geb er Oberfläche 7 auf die mit dem Geberelement 1 erreichbare Positionsmessgenauigkeit zu vermeiden. The additional provision of electrically highly conductive partial surface layers 5 on the encoder surface 3 as described herein can help to avoid a disadvantageous influence of an uneven encoder surface 7 caused by production on the position measurement accuracy that can be achieved with the encoder element 1 .
Wie in Figur 7 dargestellt, kann die Teiloberflächenschicht 5 hierbei die facettenartige Vertiefung 17 überdecken. Dementsprechend führen eingestrahlte Wechselfelder dazu, dass sich induzierte Wirbelströme hauptsächlich innerhalb der Teiloberflächenschicht 5 bilden und die darunterliegende Vertiefung 17 keinen erheblichen negativen Einfluss auf die gebildeten Wechselströme hat. As shown in FIG. 7, the partial surface layer 5 can cover the facet-like depression 17 in this case. Accordingly, radiated alternating fields lead to induced eddy currents forming mainly within the partial surface layer 5 and the depression 17 underneath having no significant negative influence on the alternating currents formed.
Alternativ kann, wie in Figur 8 dargestellt, die Teiloberflächenschicht 5 die facettenartige Vertiefung 17 nicht überdecken. In diesem Fall liegt die facettenartige Vertiefung 17 zwar frei. Dennoch werden eingestrahlte Wechselfelder größtenteils in der Teiloberflächenschicht 5 absorbiert und bewirken dort Wirbelströme, da deren elektrische Leitfähigkeit erheblich höher ist als in dem angrenzenden Bereich des Grundkörpers 3 mit der dort ausgebildeten Vertiefung 17. Alternatively, as shown in FIG. 8, the partial surface layer 5 cannot cover the facet-like depression 17 . In this case, the facet-like depression 17 is exposed. Nevertheless, alternating fields radiated in are largely absorbed in the partial surface layer 5 and cause eddy currents there, since their electrical conductivity is considerably higher than in the adjacent area of the base body 3 with the depression 17 formed there.
Figur 10 veranschaulicht eine elektrische Maschine 61 mit einem Stator 63 und einem Rotor 65. Eine Positionssensorik 51, wie sie hierin vorgestellt wurde, wird dazu eingesetzt, eine aktuelle Winkelposition des Rotors 65 relativ zu dem Stator 63 zu ermitteln. Hierzu ist das Geberelement 1 mechanisch mit dem Rotor 65 gekoppelt. Der Positionssensor 53 ist relativ zu dem Stator 63 stationär gehalten. Dementsprechend kann der Positionssensor 53 in der hierin beschriebenen kontaktlosen Weise die Winkelposition des Geberelements 1 relativ zu dem Stator 63 ermitteln. 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. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen. FIG. 10 illustrates an electrical machine 61 with a stator 63 and a rotor 65. A position sensor system 51, as presented here, is used to determine a current angular position of the rotor 65 relative to the stator 63. For this purpose, the encoder element 1 is mechanically coupled to the rotor 65 . The position sensor 53 is held stationary relative to the stator 63 . Accordingly, the position sensor 53 can determine the angular position of the encoder element 1 relative to the stator 63 in the contactless manner described herein. Finally, it should be noted that terms such as "comprising,""comprising," etc. do not exclude other elements or steps, and terms such as "a" or "an" do not exclude a plurality. Furthermore, it should be pointed out that features or steps that have been described with reference to one of the above exemplary embodiments can also be used in combination with other features or steps of other exemplary embodiments described above. Any reference signs in the claims should not be construed as limiting.
Bezugszeichenliste Reference List
I Geberelement I transmitter element
3 Grundkörper 3 basic bodies
5 Teiloberflächenschichten5 partial surface layers
7 Geb er Oberfläche 7 giver surface
9 Teilbereich 9 section
I I Grundkörperbasis I I body base
13 Trägerbereich 13 carrier area
15 Spalt 15 gap
17 Vertiefung 17 deepening
19 Befestigungsstruktur 19 mounting structure
21 Durchgangsöffnung 21 through hole
23 Trägerfolie 23 carrier film
25 Haftschicht 25 adhesive layer
27 separate Schicht 27 separate layer
29 Metallplättchen 29 metal plates
31 verdi chteter S chi chtb er ei ch31 condensed layer area
33 Poren 33 pores
51 Positionssensorik 51 position sensors
53 Positionssensor 53 position sensor
55 Felderzeugungseinrichtung55 field generating device
57 Auswerteeinrichtung 57 evaluation device
61 elektrische Maschine 61 electric machine
63 Stator 63 stator
65 Rotor 65 rotors
67 Welle 67 wave

Claims

Ansprüche Expectations
1. Geberelement (1) für eine Positionssensorik (51), aufweisend: einen Grundkörper (3), und mehrere Teiloberflächenschichten (5), wobei der Grundkörper (3) aus zusammengesinterten Partikeln besteht, wobei jede der Teiloberflächenschichten (5) an einer hin zu dem Positionssensor (53) auszurichtenden Geberoberfläche (7) des Grundkörpers (3) angeordnet ist, wobei benachbarte Teiloberflächenschichten (5) zumindest bereichsweise voneinander beabstandet sind, und wobei jede der Teiloberflächenschichten (5) für elektrische Ströme, welche durch ein hin zu der Geberoberfläche (7) des Grundkörpers (3) eingestrahltes elektromagnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz von mehr als 0,2 MHz induziert werden, eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist als der Grundkörper (3). 1. Transmitter element (1) for a position sensor (51), comprising: a base body (3) and a plurality of partial surface layers (5), wherein the base body (3) consists of particles sintered together, each of the partial surface layers (5) on a towards the transmitter surface (7) of the base body (3) to be aligned with the position sensor (53), with adjacent partial surface layers (5) being spaced apart from one another at least in certain areas, and with each of the partial surface layers (5) for electrical currents which flow through a towards the transmitter surface ( 7) of the base body (3) induced electromagnetic alternating field with a frequency of more than 0.2 MHz, has a higher electrical conductivity than the base body (3).
2. Geberelement nach Anspruch 1, wobei sich die Teiloberflächenschichten (5) hinsichtlich eines sie bildenden Materials und/oder hinsichtlich einer in ihnen vorherrschenden Materi al dichte von dem Grundkörper (3) unterscheiden. 2. Sensor element according to claim 1, wherein the partial surface layers (5) differ in terms of a material forming them and/or in terms of a material density prevailing in them from the base body (3).
3. Geberelement nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Teiloberflächenschichten (5) jeweils als separate Schicht (27) an der Geb er Oberfläche (7) angehaftet sind. 3. Transmitter element according to one of claims 1 and 2, wherein the partial surface layers (5) are each adhered as a separate layer (27) to the transmitter surface (7).
4. Geberelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Teiloberflächenschichten (5) jeweils mittels einer Haftschicht (25) an der Geberoberfläche (7) angehaftet sind. 4. The donor element as claimed in one of claims 1 to 3, in which the partial surface layers (5) are each adhered to the donor surface (7) by means of an adhesive layer (25).
5. Geberelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Teiloberflächenschichten (5) jeweils an einer Trägerfolie (23) angelagert sind. 5. Transmitter element according to one of claims 1 to 4, wherein the partial surface layers (5) are each attached to a carrier film (23).
6. Geberelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Teiloberflächenschichten (5) jeweils als vollflächige Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus einem Metall, bevorzugt mit Kupfer oder Aluminium, ausgebildet sind. 6. Transmitter element according to one of claims 1 to 5, wherein the partial surface layers (5) are each formed as a full-surface layer of an electrically conductive material, in particular of a metal, preferably with copper or aluminum.
7. Geberelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Teiloberflächenschichten (5) jeweils als Gewebe oder Vlies aus elektrisch leitfähigen Fasern, insbesondere aus Kohlefasem oder Metallfasern, ausgebildet sind. 7. Transmitter element according to one of claims 1 to 5, wherein the partial surface layers (5) are each formed as a woven or non-woven fabric made of electrically conductive fibers, in particular carbon fibers or metal fibers.
8. Geberelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Teiloberflächenschichten (5) als Metallplättchen (29), insbesondere als Kupferplättchen, auf die Geberoberfläche (7) aufgepresst sind. 8. Transmitter element according to one of Claims 1 to 3, in which the partial surface layers (5) are pressed onto the transmitter surface (7) as small metal plates (29), in particular as small copper plates.
9. Geberelement nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei Material der Teiloberflächenschichten (5) zumindest oberflächennah in Poren (33) in dem Grundkörper (3) infiltriert ist. 9. Transmitter element according to one of claims 1 and 2, wherein material of the partial surface layers (5) is infiltrated at least near the surface in pores (33) in the base body (3).
10. Geberelement nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Teiloberflächenschichten (5) als oberflächennah verdichtete Schichtbereiche (31) an dem Grundkörper (3) ausgebildet sind. 10. Transmitter element according to one of claims 1 and 2, wherein the partial surface layers (5) are formed as near-surface compressed layer regions (31) on the base body (3).
11. Geberelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (3) eine höhere Porosität aufweist als die Teiloberflächenschichten (5). 11. Transmitter element according to one of the preceding claims, wherein the base body (3) has a higher porosity than the partial surface layers (5).
12. Geberelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (3) eine größere Dicke aufweist als die Teiloberflächenschichten (5). 12. Transmitter element according to one of the preceding claims, wherein the base body (3) has a greater thickness than the partial surface layers (5).
13. Geberelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Teiloberflächenschichten (5) planar sind. 13. A donor element according to any one of the preceding claims, wherein the partial surface layers (5) are planar.
14. Geberelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Teiloberflächenschichten (5) zumindest an einer von dem Grundkörper (3) weg gerichteten Oberfläche plan sind. 14. Transmitter element according to one of the preceding claims, wherein the partial surface layers (5) are planar at least on one of the base body (3) surface directed away.
15. Geberelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Teiloberflächenschichten (5) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. 15. Transmitter element according to one of the preceding claims, wherein the partial surface layers (5) are arranged in a common plane.
16. Geberelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (3) eine rotationssymmetrische Außenkontur aufweist. 16. Transmitter element according to one of the preceding claims, wherein the base body (3) has a rotationally symmetrical outer contour.
17. Geberelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Teiloberflächenschichten (5) am Grundkörper (3) rotationssymmetrisch angeordnet sind. 17. Transmitter element according to one of the preceding claims, wherein the partial surface layers (5) are arranged rotationally symmetrically on the base body (3).
18. Geberelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (3) eine Anzahl n von Teilbereichen (9) aufweist und insgesamt eine Rotationssymmetrie n-ter Ordnung aufweist, wobei an jedem der Teilbereiche (9) eine der Teiloberflächenschichten (5) angeordnet ist. 18. Transmitter element according to one of the preceding claims, wherein the base body (3) has a number n of partial areas (9) and overall has a rotational symmetry of the nth order, one of the partial surface layers (5) being arranged on each of the partial areas (9). .
19. Geberelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (3) eine Grundkörperbasis (11) und mehrere von der Grundkörperbasis (11) in einer Richtung hin zu dem Positionssensor (53) abragende Trägerbereiche (13) aufweist, wobei die Geberoberfläche (7) an den Trägerbereichen (13) angeordnet ist. 19. Transmitter element according to one of the preceding claims, wherein the base body (3) has a base body (11) and a plurality of carrier areas (13) protruding from the base body (11) in a direction towards the position sensor (53), the transmitter surface (7 ) is arranged on the carrier areas (13).
20. Geberelement nach Anspruch 19, wobei benachbarte Trägerbereiche (13) jeweils durch einen quer zu der Geberoberfläche (7) verlaufenden Spalt (15) voneinander beabstandet sind. 20. Transmitter element according to claim 19, wherein adjacent carrier areas (13) are spaced apart from one another in each case by a gap (15) running transversely to the transmitter surface (7).
21. Geberelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Geberoberfläche (7) uneben ist. 21. Transmitter element according to one of the preceding claims, wherein the transmitter surface (7) is uneven.
22. Geberelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (3) an der Geb er Oberfläche (7) eine Facettenform aufweist, bei der angrenzend an einen Umfang des Grundkörpers (3) eine facettenartige Vertiefung (17) in dem Grundkörper (3) ausgebildet ist. 22. Sensor element according to one of the preceding claims, wherein the base body (3) has a facet shape on the sensor surface (7), in which a facet-like depression (17) in the base body (3) adjoins a circumference of the base body (3). is trained.
23. Geberelement nach Anspruch 22, wobei die Teiloberflächenschichten (5) die facettenartige Vertiefung (17) überdecken. 23. Transmitter element according to claim 22, wherein the partial surface layers (5) cover the facet-like depression (17).
24. Geberelement nach Anspruch 22, wobei die Teiloberflächenschichten (5) die facettenartige Vertiefung (17) nicht überdecken. 24. Transmitter element according to claim 22, wherein the partial surface layers (5) do not cover the facet-like depression (17).
25. Geberelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (3) eine Befestigungsstruktur (19) aufweist, welche dazu konfiguriert ist, das Geberelement (1) an einer Welle (67) eines Rotors (65) einer elektrischen Maschine (61) zu befestigen. 25. Transmitter element according to one of the preceding claims, wherein the base body (3) has a fastening structure (19) which is configured to attach the transmitter element (1) to a shaft (67) of a rotor (65) of an electrical machine (61). attach.
26. Geberelement nach Anspruch 25, wobei die Befestigungsstruktur (19) als zentrale Durchgangsöffnung (21) in dem Grundkörper (3) ausgebildet ist. 26. Transmitter element according to claim 25, wherein the fastening structure (19) is designed as a central through-opening (21) in the base body (3).
27. Positionssensorik (51), aufweisend: einen Positionssensor (53), und ein Geberelement (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche. 27 position sensor (51), comprising: a position sensor (53), and a transmitter element (1) according to any one of the preceding claims.
28. Positionssensorik nach Anspruch 27, wobei der Positionssensor (53) dazu konfiguriert ist, in dem Geberelement (1) durch Einstrahlen eines hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes Wirbelströme zu induzieren und wobei der Positionssensor (53) ferner dazu konfiguriert ist, physikalische Parameter zu messen, welche durch die induzierten Wirbelströme beeinflusst werden, und daraus eine Information über eine Position, insbesondere eine Winkelposition, des Geberelements (1) zu ermitteln. 28. Position sensor system according to claim 27, wherein the position sensor (53) is configured to induce eddy currents in the encoder element (1) by irradiating a high-frequency electromagnetic alternating field and wherein the position sensor (53) is further configured to measure physical parameters which by the induced eddy currents are influenced, and to determine from this information about a position, in particular an angular position, of the transmitter element (1).
29. Elektrische Maschine (61), aufweisend: einen Stator (63), einen Rotor (65), und eine Positionssensorik (51) gemäß einem der Ansprüche 27 und 28, wobei das Geberelement (1) mechanisch mit dem Rotor (65) gekoppelt ist, und wobei der Positionssensor (53) dazu konfiguriert ist, eine Position, insbesondere eine Winkelposition, des Geberelements (1) relativ zu dem Stator (63) zu ermitteln. 29. Electrical machine (61), comprising: a stator (63), a rotor (65), and a position sensor (51) according to any one of claims 27 and 28, wherein the encoder element (1) mechanically coupled to the rotor (65). is, and wherein the position sensor (53) is configured to determine a position, in particular an angular position, of the transmitter element (1) relative to the stator (63).
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