DE102006020700A1 - Mechanical unit`s angle of rotation detecting device, has sensor e.g. field angle sensor, arranged lateral to rotating unit, where sensor detects magnetic field angle in plane perpendicular to rotational axis - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Drehwinkelerfassung vermittels von Dauermagneten und Feldwinkelsensoren. Die berührungslose magnetische Erfassung des Drehwinkels eines konstruktiven Elementes, z.B. einer Welle, mit einem daran fixierten sich mitdrehendem Gebermagneten geschieht konventionell über die Auswertung einer magnetischen Feldkomponente, gemessen z.B. mit Hallsensoren, oder über die Auswertung des Feldwinkels, der mithilfe zum Beispiel magnetoresistiver Sensoren oder Hall-arrays gemessen wird. Sensoren, die den Feldwinkel erfassen, lassen sich grundsätzlich in zwei Positionen anbringen. Zum einen kann der Sensor auf der Drehachse stirnseitig vor dem konstruktiven Element angeordnet sein. Bei einer durchgehenden Welle oder wenn aus Platzgründen eine stirnseitige Anordnung nicht infrage kommt, kann der Sensor seitlich der Welle angeordnet sein, wobei der Gebermagnet diametral (d.h. zweipolig) oder an der Außenseite mehrpolig lateral magnetisiert ist.The The invention relates to a device for detecting the rotation angle of permanent magnets and field angle sensors. The non-contact magnetic detection of the angle of rotation of a structural element, e.g. a wave, with a rotating encoder magnet fixed to it happens conventionally over the evaluation of a magnetic field component, measured e.g. with Hall sensors, or over the evaluation of the field angle using, for example, magnetoresistive sensors or Hall arrays is measured. Sensors that detect the field angle, can be basically in two positions. For one, the sensor on the Rotary axis be arranged frontally before the structural element. For a continuous wave or if space reasons one Frontal arrangement is out of the question, the sensor can side the shaft, the encoder magnet being diametrically (i.e. bipolar) or on the outside multipolar is laterally magnetized.
Während sich das Feld bei einer stirnseitigen Sensoranordnung auf der Achse synchron mit dem Drehwinkel des Magneten mitdreht, zeigt die Felddrehung bei einem seitlich angeordneten Sensor in Bezug auf die Drehung der Welle einen mehr oder wenig stark nicht linearen Verlauf. Dies erschwert die Auswertung und führt insbesondere in dem Bereich, über den die Felddrehung unterproportional langsam zur mechanischen Rotation verläuft, zu einem erhöhten Meßfehler.While the field in a front-end sensor arrangement on the axis synchronously rotates with the rotation angle of the magnet, shows the field rotation with a laterally arranged sensor with respect to the rotation the wave a more or less strong non-linear course. This complicates the evaluation and leads especially in the field, about the field rotation is less slowly proportional to the mechanical rotation runs, to an increased Measurement error.
In
der Patentschrift
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen,
bei welcher die Drehung eines konstruktiven Elementes mit daran
befestigten Magneten über
einen Feldwinkelsensor außerhalb
der Achse erfaßt
wird, und bei welcher der vom Sensor erfaßte Winkel möglichst
linear über
eine gesamte Umdrehung des Drehelementes den mechanischen Winkel
widerspiegelt. Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
daß ein
diametral oder lateral mehrpolig magnetisierter Magnet aus zwei symmetrischen
Hälften
gleicher Magnetisierung aufgebaut ist, die in achsialer Richtung
eine starke geometrische Verjüngung
oder einen unmagnetischen Werkstoff oder unmagnetisierten Bereich
aufweisen, oder daß durch
einen Spalt in achsialer Richtung auf Höhe des Drehwinkelsensors
Im einfachsten Fall besteht damit der magnetische Geber aus 2 Magnetscheiben oder Magnetringen, die parallel magnetisiert sind und durch einen magnetisch nicht wirksamen Spalt getrennt sind. Anstatt einfacher Ringe können auch in Stufen abgesetzte rotationssymmetrische Körper verwendet werden, wobei der Magnet dann durch den größten Durchmesser charakterisiert wird. Der Spalt kann offen sein, wenn beispielsweise die Ringmagnete auf der Achse in dem entsprechenden Abstand fixiert sind, oder er kann durch ein Distanzstück, z.B. einen unmagnetischen Kunststoffring oder einen stark verjüngten Magnetbereich oder einen nicht magnetisierten Bereich aus dem gleichen Magnetwerkstoff dargestellt sein.in the The simplest case is that the magnetic encoder consists of 2 magnetic disks or magnet rings that are magnetized in parallel and magnetically not effective gap are separated. Instead of simple rings can also used in stages offset rotationally symmetric body, wherein the magnet then by the largest diameter is characterized. The gap may be open, for example the ring magnets are fixed on the axle at the appropriate distance, or he can by a spacer, e.g. a nonmagnetic plastic ring or a highly tapered magnet area or a non-magnetized region of the same magnetic material be shown.
Bei diametraler Magnetisierung (2n = 2) wird das lineare Verhalten dadurch am günstigsten, dass bei einem (größten) Außendurchmesser von 8 mm–60 mm der Spalt oder der magnetisch unwirksame Bereich auf Höhe des Sensors im Bereich 1 mm bis 12 mm, vorzugsweise 2–10 mm liegt, und dass die Meßfläche des Winkelsensors auf einem größeren Durchmesser als dem (größten) Außendurchmesser der beiden Gebermagnethälften aber nicht mehr als radial 6 mm hierzu nach außen verschoben liegt. Für Magnetabmessungen, die deutlich größer oder kleiner als der genannte Außendurchmesser sind, vergrößern/verkleinern sich die gegebenen Abmessungen entsprechend.at diametral magnetization (2n = 2) becomes the linear behavior by the cheapest, that at one (largest) outer diameter from 8mm-60 mm, the gap or the magnetically inactive area at the level of the sensor in the range 1 mm to 12 mm, preferably 2-10 mm, and that the Measuring surface of Angle sensor on a larger diameter as the (largest) outer diameter the two donor magnet halves but not more than radially displaced 6 mm to the outside. For magnet dimensions, the significantly larger or are smaller than said outer diameter, Zoom In / Out the given dimensions correspond.
Für lateral mehrpolig (2n > 2) magnetisierte Magnethälften, bei denen der Feldwinkel sich mit mehrfacher Rotation per Umdrehung des mechanischen Elementes dreht, liegt bei gleichem (größten) Außendurchmesser der Gebermagnethälften der günstigste Meßabstand maximal 4 mm radial außerhalb des (größten) Außendurchmessers und der Spaltbereich beträgt 0,5 mm bis 10 mm vorzugsweise 1 mm bis 6 mm. Hierbei sind vorzugsweise 4 bis 8 Polen lateral zu verwenden, da bei größerer Polzahl das Magnetfeld für heute gängige Sensortypen zu gering wird.For lateral multipolar (2n> 2) magnetized magnet halves, where the field angle with multiple rotation per revolution of the mechanical element rotates, lies with the same (largest) outer diameter the donor magnet halves the cheapest measuring distance maximum 4 mm radially outside of the (largest) outer diameter and the gap range is 0.5 mm to 10 mm, preferably 1 mm to 6 mm. These are preferably 4 to 8 poles to use laterally, as with larger number of poles, the magnetic field for today common Sensor types is too low.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Gebermagnethälften ist es möglich, die Gebermagnethälften als rotationssymmetrische Körper kostengünstig zu gestalten, es ist aber auch möglich, den Teilen des Gebermagneten Anflächungen, Verzahnungen, Kerben oder ähnliche Verdrehsicherungen zur Ausrichtung und Fixierung z.B. auf der Welle zu geben. Zur Formgestaltung des Gebermagneten sind kunststoffgebundene Magnetwerkstoffe besonders vorteilhaft, da diese im Spritzgußverfahren oder formpreßtechnisch auch in komplexer Geometrie hergestellt werden können. Zur Erreichung eines ausreichenden Meßsignales sind je nach Empfindlichkeit und Größe der Sensoren insbesondere Magnetwerkstoffe auf Basis von Seltenerdübergangsmetallen von Vorteil.The inventive arrangement of the Gebermagnethälften it is possible to make the Gebermagnethälften cost as a rotationally symmetrical body, but it is also possible that Parts of the encoder magnet To give surface areas, toothings, notches or similar anti-rotation devices for alignment and fixation, eg on the shaft. For the design of the encoder magnet plastic-bonded magnetic materials are particularly advantageous because they can be produced by injection molding or molding technology in complex geometry. Depending on the sensitivity and size of the sensors, magnetic materials based on rare earth transition metals are particularly advantageous for achieving a sufficient measuring signal.
Die Erfindung wird anhand des folgenden Beispieles für einen diametral magnetisierten (d.h. zweipoligen) Magneten erläutert:The The invention will be described with reference to the following example of a diametrically magnetized (i.e., bipolar) magnets explained:
In
der
In
- 11
- Gebermagnetsensor magnet
- 1a1a
- Magnethälfte, Teil des GebermagnetenMagnet half, part of the encoder magnet
- 1b1b
-
zu
1a symmetrische 2. Magnethälfteto1a symmetrical 2nd half of the magnet - 22
- Drehachseaxis of rotation
- 33
- Magnetisierungmagnetization
- 44
- Feldrichtungfield direction
- 55
- Drehrichtung der Drehachse und des Magnetendirection of rotation the axis of rotation and the magnet
- 66
- Drehrichtung des Magnetfeldesdirection of rotation of the magnetic field
- 77
- Sensorsensor
- 88th
- Welle oder Teil eines konstruktiven Elementeswave or part of a constructive element
- 99
- verjüngter Zwischenbereich des Magneten oder unmagnetisches Distanzstück oder nicht magnetisierter Bereich des MagnetenTapered intermediate area of the magnet or non-magnetic spacer or non-magnetized Area of the magnet
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