DE102006020700B4

DE102006020700B4 - Einrichtung zur Drehwinkelerfassung

Info

Publication number: DE102006020700B4
Application number: DE200610020700
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Grönefeld
Original assignee: WINDHORST BETEILIGUNGSGESELLSCHAFT MBH; WINDHORST BETEILIGUNGSGMBH
Current assignee: WINDHORST BETEILIGUNGSGESELLSCHAFT MBH; WINDHORST BETEILIGUNGSGMBH
Priority date: 2006-05-04
Filing date: 2006-05-04
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2026-05-05
Also published as: DE102006020700A1

Abstract

Einrichtung zur Drehwinkelerfassung eines konstruktiven Elementes mit einem an dem konstruktiven Element befestigtern Gebermagneten und mindestens einem seitlich zum konstruktiven Element angeordneten Sensor, der den Magnetfeldwinkel in der Ebene senkrecht zur Drehachse des konstruktiven Elementes erfasst, wobei der Gebermagnet senkrecht zur Drehachse diametral (d. h. zweipolig) oder lateral mehrpolig magnetisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet ein einteiliger, symmetrischer, ringförmiger Rotationskörper ist, der einen in axialer Richtung mittig angeordneten verjüngten ringförmigen Bereich mit kleinerem Außendurchmesser aufweist, und dass der Sensor in axialer Richtung mittig zum Gebermagneten angeordnet ist.

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.
Anordnungen hierzu zeigt beispielsweise die Schrift DE 10 2005 022 128 A1 , wobei mit 2 diskreten Hallelementen die zwei Feldkomponenten erfaßt werden. Hierbei wird als Gebermagnet ein Ringmagnet, oder werden zur Erzeugung eines stärkeren Signales 2 Ringmagnete eingesetzt. In den Schriften DE 38 21 083 A1 und EP 1 300 662 A2 sind Möglichkeiten der Drehmomentdetektion gezeigt, die aus einer doppelten Winkeldetektion abgeleitet werden.
Während sich das Feld bei einer stirnseitigen Sensoranordnung auf der Achse synchron mit dem Drehwinkel des Magneten mit dreht, 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.
In der Patentschrift DE 602 03 366 T2 ist ein Verfahren zur Linearisierung vorgestellt, welches zwei Magnetfeldumformer und eine Auswertung auf der Sensorseite erfordert. Die in dem Anspruch 5 der zitierten Patentschrift definierte Magnetisierung beschreibt mathematisch eine außen mehrpolige laterale Magnetisierung und erzeugt keine ausreichende Linearität.
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 Gebermagnet als ein einteiliger, symmetrischer, ringförmiger Rotationskörper ausgebildet ist, der einen in axialer Richtung mittig angeordneten, verjüngten ringförmigen Bereich mit kleinerem Außendurchmesser aufweist, und bei dem der Sensor in axialer Richtung mittig zum Gebermagneten seitlich angeordnet ist. Hierbei ist die Verjüngung so auf den radialen Abstand des Sensors angepaßt, daß der gemessene Feldwinkel sich linear zum mechanischen Drehwinkel der Achse verhält, wobei der gemessene Drehwinkel α_mag sich bei 2n Polen des Magneten zum mechanischen Drehwinkel α_Mech in guter Näherung linear verhält gemäß: αmag = –nαMech
Bei diametraler Magnetisierung (2n = 2) wird das lineare Verhalten dadurch am günstigsten, dass bei einem größeren Außendurchmesser des Gebermagneten von 8 mm–60 mm die Verjüngung auf Höhe des Sensors sich über eine Breite in axialer Richtung von 1 mm bis 12 mm, vorzugsweise 2–10 mm erstreckt, und dass die Messfläche des Winkelsensors auf einem Abstand zur Drehachse liegt, der größer als der halbe größere Außendurchmesser des Gebermagneten aber nicht mehr als radial 6 mm hierzu nach außen verschoben liegt. Für Magnetabmessungen, die deutlich größer oder kleiner als der genannte größere Außendurchmesser sind, vergrößern/verkleinern sich die gegebenen Abmessungen entsprechend.
Für lateral mehrpolig (2n > 2) magnetisierte Magnethälften, bei denen der Feldwinkel sich mit mehrfacher Rotation per Umdrehung des mechanischen Elementes dreht, liegt bei gleichem größeren Außendurchmesser des Gebermagneten der günstigste Meßabstand maximal 4 mm radial außerhalb des halben größeren Außendurchmessers und der Verjüngungsbereich beträgt 0,5 mm bis 10 mm vorzugsweise 1 mm bis 6 mm. Hierbei sind vorzugsweise 4 bis 8 laterale Pole zu verwenden, da bei größerer Polzahl das Magnetfeld für heute gängige Sensortypen zu gering wird.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Gebermagneten ist es möglich, diesen als rotationssymmetrischen Körper kostengünstig zu gestalten, es ist aber auch möglich, dem Gebermagneten Anflächungen, Verzahnungen oder Kerben 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.
Die Erfindung wird anhand des folgenden Beispieles für einen diametral magnetisierten (d. h. zweipoligen) Magneten erläutert:
In der 1 ist ein Magnetring auf einer Achse nach dem Stand der Technik mit einem seitlich angeordneten Winkelsensor in seitlicher Ansicht gezeigt. 2 zeigt die gleiche Anordnung in der Aufsicht. Der Winkelsensor erfaßt den Feldwinkel in der Ebene senkrecht zur Drehachse. In der 3 ist der mechanische Drehwinkel gegen den Feldwinkel am Sensorort beispielhaft auf einem Meßkreis von 42 mm für einen Ringmagneten mit diametraler Magnetisierung, dem Außendurchmesser 35 mm, dem Innendurchmesser 10 mm und der Höhe von 8 mm dargestellt.
4 und 5 zeigen die beiden Ansichten für die erfindungsgemäße Einrichtung. Der Gebermagnet ist in Ringform mit einem verjüngten Bereich ausgebildet. Der verjüngte Bereich liegt symmetrisch und befindet sich achsial auf der Höhe des Meßsensors. Dies dient der einteiligen Magnetgestaltung. In 6 ist der resultierende Winkelverlauf des Magnetfeldes in Bezug zur Magnetdrehung für das Beispiel aus 4 und 5 gezeigt, wobei die Gesamthöhe von 23,6 mm und die Verjüngung auf den Durchmesser 16 mm über eine Höhe von 11,6 mm den besonders linearen Verlauf bewirken. Die weiteren Abmessungen sind identisch zum Beispiel aus 3.

1: Gebermagnet
1a: Magnetringteil mit größerem Außendurchmesser
1b: zu 1a symmetrischer Magnetringteil
2: Drehachse
3: Magnetisierung
4: Feldrichtung
5: Drehrichtung der Drehachse und des Magneten
6: Drehrichtung des Magnetfeldes
7: Sensor
8: Welle oder Teil eines konstruktiven Elementes
9: verjüngter Zwischenbereich des Magneten

Claims

Einrichtung zur Drehwinkelerfassung eines konstruktiven Elementes mit einem an dem konstruktiven Element befestigtern Gebermagneten und mindestens einem seitlich zum konstruktiven Element angeordneten Sensor, der den Magnetfeldwinkel in der Ebene senkrecht zur Drehachse des konstruktiven Elementes erfasst, wobei der Gebermagnet senkrecht zur Drehachse diametral (d. h. zweipolig) oder lateral mehrpolig magnetisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet ein einteiliger, symmetrischer, ringförmiger Rotationskörper ist, der einen in axialer Richtung mittig angeordneten verjüngten ringförmigen Bereich mit kleinerem Außendurchmesser aufweist, und dass der Sensor in axialer Richtung mittig zum Gebermagneten angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der größere Außendurchmesser des Magneten zwischen 8 und 60 mm liegt, die Meßfläche des Sensors auf einem Abstand zur Drehachse liegt, der größer aber maximal 6 mm größer als der halbe größere Außendurchmesser des Magneten ist, der Magnet diametral magnetisiert ist und einen verjüngten Bereich über eine Breite in axialer Richtung von 2 bis 10 mm aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der größere Außendurchmesser des Magneten zwischen 8 und 60 mm liegt, die Meßfläche des Sensors auf einem Abstand zur Drehachse liegt, der größer aber maximal 4 mm größer als der halbe größere Außendurchmesser des Magneten ist, der Magnet lateral 4–8 polig magnetisiert ist und einen verjüngten Bereich über eine Breite in axialer Richtung von einem bis 6 mm aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet aus einem kunststoffgebundenen Magnetmaterial besteht.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Gebermagneten eine in einer Kunststoffmatrix eingebettete Legierung von Seltenerd- und Übergangsmetallen ist.