DE102009029085A1

DE102009029085A1 - Induktiver Drehwinkelsensor

Info

Publication number: DE102009029085A1
Application number: DE200910029085
Authority: DE
Inventors: Michael Haider; Reinhard Dittmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2011-03-03

Abstract

Es sind schon induktive Drehwinkelgeber bekannt, mit einem Spulenkern, mit zwei mit dem Spulenkern zusammenwirkenden elektrischen Spulen und mit einem drehbar gelagerten, einen durch den Spulenkern verlaufenden magnetischen Fluss beeinflussenden Magnetelement. Nachteilig ist, dass zwei elektrische Spulen erforderlich sind und dadurch zwei Signale ausgewertet werden müssen. Außerdem wird ein vergleichsweise großer Bauraum benötigt. Bei dem erfindungsgemäßen Drehwinkelgeber werden der benötigte Bauraum und die Herstellungskosten verringert. Erfin einen eine Längsachse (4) aufweisenden Innenkern (5) und einen den Innenkern (5) umgebenden Außenkeadialer Richtung bezüglich der Längsachse (4) zwischen dem Außenkern (6) und dem Innenkern (5) angeordnet ist, wobei das Magnetelement (3) derart angeordnet ist, dass ein über den Innenkern (5), den Außenkern (6) und das Magnetelement (3) verlaufender magnetischer Kreis gebildet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem induktiven Drehwinkelsensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist schon ein induktiver Drehwinkelsensor aus der DE 43 35 594 A1 bekannt, mit einem Spulenkern, mit zwei mit dem Spulenkern zusammenwirkenden elektrischen Spulen und mit einem drehbar gelagerten, einen durch den Spulenkern verlaufenden magnetischen Fluss beeinflussenden Magnetelement. Das Magnetelement ist radial innerhalb der elektrischen Spulen und des Spulenkerns drehbar angeordnet. Dabei wird der wirksame Anteil des Magnetelements, welcher als Kern der ersten Spule wirkt und der wirksame Anteil des Magnetelements, der als Kern der zweiten Spule wirkt, verändert. Nachteilig ist, dass zwei elektrische Spulen erforderlich sind und dadurch zwei Signale ausgewertet werden müssen. Außerdem wird ein vergleichsweise großer Bauraum benötigt.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße induktive Drehwinkelsensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass der Drehwinkelsensor kleiner gebaut werden kann und damit weniger Bauraum benötigt, indem der Spulenkern einen eine Längsachse aufweisenden Innenkern und einen den Innenkern umgebenden Außenkern aufweist und die elektrische Spule in radialer Richtung bezüglich der Längsachse zwischen dem Außenkern und dem Innenkern angeordnet ist, wobei das Magnetelement derart angeordnet ist, dass ein über den Innenkern, den Außenkern und das Magnetelement verlaufender magnetischer Kreis gebildet ist. Der erfindungsgemäße Drehwinkelsensor ist ein sehr einfach aufgebauter berührungsloser Drehwinkelsensor mit geringen Herstellungskosten.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen induktiven Drehwinkelsensors möglich.
Besonders vorteilhaft ist, wenn der Außenkern und das Magnetelement derart ausgebildet sind, dass sich zumindest abschnittsweise eine Abhängigkeit des magnetischen Flusses des Magnetkreises von dem Drehwinkel des Magnetelementes ergibt, da der Drehwinkel auf diese Weise durch Messung des magnetischen Flusses bzw. der Induktivität berührungslos ermittelt werden kann.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn sich zumindest abschnittsweise eine lineare Abhängigkeit des magnetischen Flusses des Magnetkreises vom Drehwinkel des Magnetelementes ergibt, da die Messgenauigkeit auf diese Weise für jeden Drehwinkel gleich hoch ist. Bauformbedingt wird für einen großen Drehwinkelbereich von bis zu 90 Grad eine hohe Linearität des Messsignals erzielt.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn zwischen dem Außenkern und dem Magnetelement ein variabler Luftspalt vorgesehen ist, da auf diese Weise ein variabler magnetischer Fluss im Magnetkreis erreicht wird. Der Luftspalt kann ein Axialspalt und/oder Radialspalt sein, wobei also ein axialer und/oder radialer Abstand zwischen dem Außenkern und dem Magnetelement besteht.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird der Luftspalt in Umfangsrichtung gesehen durch zumindest eine Ausnehmung im Außenkern verändert.
Desweiteren vorteilhaft ist, wenn zwischen dem Magnetelement und dem Innenkern ein weiterer Luftspalt besteht, da auf diese Weise eine berührungslose Drehwinkelerfassung erreicht ist.
Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn das Magnetelement viereckförmig ausgeführt ist und zwei gegenüberliegende bogenförmige und zwei gegenüberliegende geradlinige Kanten aufweist, da auf diese Weise über einen großen Drehwinkelbereich eine hohe Linearität des Drehwinkelgebers erreicht wird.
Vorteilhaft ist, wenn der Innenkern an seinem dem Magnetelement abgewandten Ende mit dem Außenkern magnetisch leitend verbunden ist, da auf diese Weise ein magnetischer Kreis gebildet wird.
Außerdem vorteilhaft ist, wenn der Drehwinkelgeber in einem Tankstandsgeber eingesetzt wird und das Magnetelement über einen Hebel mit einem Schwimmkörper mechanisch gekoppelt ist, dessen Lage vom Tankstand abhängig ist. Der Drehwinkelgeber lässt sich gut in Kraftstoffen einsetzen, da der Spulenkern und das Magnetelement beispielsweise aus Ferrit bestehen, das abgesehen von hoch konzentrierten Säuren hoch medienbeständig ist.
Der Drehwinkelgeber ist robust gegenüber im Kraftstoff auftretenden Stoffen, da er berührungslos ausgeführt ist. Er ist auch robust gegenüber Vibrationen, so dass er auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden könnte – exemplarisch in Kraftfahrzeugen als Winkelgeber für z. B. das elektronische Fahrpedal.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehwinkelgeber in einer dreidimensionalen Ansicht und
2 eine Schnittansicht des Drehwinkelgebers nach 1.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehwinkelgeber in vereinfachter Form in einer dreidimensionalen Ansicht.
Der erfindungsgemäße Drehwinkelgeber dient dazu, einen Drehwinkel einer Einrichtung zu erfassen.
Der Drehwinkelsensor weist einen Spulenkern 1, eine mit dem Spulenkern 1 zusammenwirkende elektrische Spule 2 und ein drehbar gelagertes Magnetelement 3 auf, das auch als magnetisches Joch bezeichnet werden kann. Die elektrische Spule 2 erzeugt in dem Spulenkern 1 einen magnetischen Fluss, der von dem Magnetelement 3 beeinflusst wird. Der Spulenkern 1 und das Magnetelement 3 sind aus einem ferromagnetischen Material oder einem ferrimagnetischen Material, beispielsweise Ferrit, hergestellt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Spulenkern 1 einen eine Langsachse 4 aufweisenden Innenkern 5 und einen den Innenkern 5 umgebenden Außenkern 6 aufweist und die elektrische Spule 2 in radialer Richtung bezüglich der Langsachse 4 zwischen dem Innenkern 5 und dem Außenkern 6 angeordnet ist. Der Innenkern 5 ist beispielsweise stabförmig oder I-förmig und der Außenkern 6 ringförmig oder kreisförmig ausgebildet. Der Innenkern 5 ist an seinem dem Magnetelement 3 abgewandten Ende mit dem Außenkern 6 magnetisch leitend verbunden, beispielsweise mittels eines Bodenabschnitts 6.1 des Außenkerns 6.
Erfindungsgemäß ist das Magnetelement 3 derart angeordnet, dass ein über den Innenkern 5, den Außenkern 6 und das Magnetelement 3 verlaufender magnetischer Kreis gebildet ist. Der Außenkern 6 und das Magnetelement 3 sind derart ausgebildet, dass sich zumindest abschnittsweise eine Abhängigkeit des magnetischen Flusses des Magnetkreises vom Drehwinkel des Magnetelementes 3 ergibt, die beispielsweise linear sein kann.
Um den magnetischen Fluss in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Magnetelementes 3 zu verändern, ist zwischen dem Außenkern 6 und dem Magnetelement 3 ein variabler Luftspalt 9 vorgesehen. Der Luftspalt 9 kann einen bezüglich der Längsachse 4 axialen und/oder radialen Abstand zwischen dem Außenkern 6 und dem Magnetelement 3 umfassen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist das Magnetelement 3 in axialer und radialer Richtung bezüglich der Längsachse 4 gesehen innerhalb des Außenkerns 6 angeordnet. Die radialen Abmessungen des Magnetelements 3 sind gemäß dem Ausführungsbeispiel also kleiner als der Innenumfang des Außenkerns 6. Beispielsweise überragt der Außenkern 6 den Innenkern 5 in axialer Richtung bezüglich der Langsachse 4, wobei das Magnetelement 3 in axialer Richtung gesehen zwischen der Stirnseite des Innenkerns 5 und der Stirnseite des Außenkerns 6 angeordnet ist. Das Magnetelement 3 kann aber auch außerhalb des Außenkerns 6 angeordnet sein und die Abmessung des Innenumfangs des Außenkerns 6 in radialer Richtung überragen. Das Magnetelement 3 ist quer zur Längsachse 4 des Innenkerns 5 angeordnet und verläuft über den Innenkern 5 hinweg zum Außenkern 6 hin nach radial außen. Zwischen dem Magnetelement 3 und dem Innenkern 5 besteht ein weiterer Luftspalt 11, dessen Spaltmaß 12 aber konstant bleibt.
Der Luftspalt 9 ändert sich in Umfangsrichtung durch zumindest eine Ausnehmung 10 im Außenkern 6.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind zwei diametral gegenüberliegende Ausnehmungen 10 vorgesehen. Die Ausnehmungen 10 sind beispielsweise nierenförmig oder kreisabschnittsförmig ausgeführt.
Das Magnetelement 3 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel viereckförmig ausgeführt und weist zwei gegenüberliegende bogenförmige Kanten 15 und zwei gegenüberliegende geradlinige Kanten 16 auf.
Es sind selbstverständlich auch andere geometrische Ausbildungen von Außenkern 6 und Magnetelement 3 möglich, bei denen die Position des Magnetelementes 3 zum Außenkern 6 den magnetischen Fluss variiert.
Zwischen den bogenförmigen Kanten 15 des Magnetelementes 3 und dem Innenumfang des Außenkerns 6 ist ein jeweils engster Luftspalt 9 und zwischen den geradlinigen Kanten 16 und dem Innenumfang des Außenkerns 6 ein jeweils weitester Luftspalt 9 gebildet. Das Spaltmaß 9.1 und die in Umfangsrichtung gemessene Länge des engsten Luftspalts 9 bestimmen jeweils die Höhe des magnetischen Flusses. Bei Überlappung der bogenförmigen Kanten 15 mit den Ausnehmungen 10 wird die in Umfangsrichtung gemessene Länge des engsten Luftspaltes 9 verkürzt, so dass der magnetische Fluss abnimmt. Der Winkelbereich, in dem der Drehwinkelgeber messen kann, wird daher bestimmt durch die Bogenlänge der bogenförmigen Kante 15 des Magnetelementes 3. Die Bogenlänge der Ausnehmung 10 ist etwas größer als die Bogenlänge der bogenförmigen Kanten 15 des Magnetelementes 3.
Die elektrische Spule 2 ist mittels einer Isolation 7 gegenüber dem Spulenkern 1, 5, 6 elektrisch isoliert.
Die Kerne 5, 6 sind beispielsweise im Trockenpressprozess hergestellt.
Der erfindungsgemäße Drehwinkelgeber kann beispielsweise als Tankstandsgeber verwendet werden, indem das Magnetelement 3 über einen Hebelarm 20 mit einem Schwimmkörper 21 mechanisch gekoppelt ist, dessen Lage vom Tankstand abhängig ist. Dazu ist der Hebelarm 20 in einem Lager 22 drehbar gelagert. Auch könnte die Erfindung bei einem elektronischen Fahrpedalmodul oder in anderen Anwendungen mit Potentiometern eingesetzt werden.
2 zeigt eine Schnittansicht des Drehwinkelgebers nach 1.
Bei dem Drehwinkelgeber nach 2 sind die gegenüber dem Drehwinkelgeber nach 1 gleichbleibenden oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4335594 A1 [0002]

Claims

Drehwinkelsensor mit einem Spulenkern (1), mit zumindest einer mit dem Spulenkern (1) zusammenwirkenden elektrischen Spule (2) und mit einem drehbar gelagerten, einen magnetischen Fluss im Spulenkern (1) beeinflussenden Magnetelement (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (1) einen eine Langsachse (4) aufweisenden Innenkern (5) und einen den Innenkern (5) umgebenden Außenkern (6) aufweist und die elektrische Spule (2) in radialer Richtung bezüglich der Längsachse (4) zwischen dem Außenkern (6) und dem Innenkern (5) angeordnet ist, wobei das Magnetelement (3) derart angeordnet ist, dass ein über den Innenkern (5), den Außenkern (6) und das Magnetelement (3) verlaufender magnetischer Kreis gebildet ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenkern (6) und das Magnetelement (3) derart ausgebildet sind, dass sich zumindest abschnittsweise eine Abhängigkeit des magnetischen Flusses des Magnetkreises vom Drehwinkel des Magnetelementes (3) ergibt.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest abschnittsweise eine lineare Abhängigkeit des magnetischen Flusses des Magnetkreises vom Drehwinkel des Magnetelementes (3) ergibt.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Außenkern (6) und dem Magnetelement (3) ein variabler Luftspalt (9) vorgesehen ist.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (9) ein Axialspalt und/oder Radialspalt ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (9) in Umfangsrichtung gesehen durch zumindest eine Ausnehmung (10) im Außenkern (6) verändert wird.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Magnetelement (3) und dem Innenkern (5) ein weiterer Luftspalt (11) besteht.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (3) viereckförmig ausgeführt ist und zwei gegenüberliegende bogenförmige Kanten (15) und zwei gegenüberliegende geradlinige Kanten (16) aufweist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkern (5) an seinem dem Magnetelement (3) abgewandten Ende mit dem Außenkern (6) magnetisch leitend verbunden ist.
Tankstandsgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (3) über einen Hebelarm (20) mit einem Schwimmkörper (21) mechanisch gekoppelt ist, dessen Lage vom Tankstand abhängig ist.