DE102015116303A1

DE102015116303A1 - Vorrichtung zur Kompensation externer magnetischer Streufelder bzw. zum Kompensieren des Einflusses eines Magnetfeldgradienten auf einen Magnetfeldsensor

Info

Publication number: DE102015116303A1
Application number: DE102015116303.9A
Authority: DE
Inventors: Johannes Giessibl
Original assignee: Methode Electronics Malta Ltd
Current assignee: Methode Electronics Malta Ltd
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2017-03-30

Abstract

Vorrichtung zum Kompensieren eines Einflusses eines Magnetfeldgradienten, welcher durch eine Bauteilgeometrie wenigstens einer ersten Komponente (1) erzeugbar ist auf einen Magnetfeldsensor (17, 18). Die Vorrichtung umfasst mindestens zwei Magnetfeldsensoren (17, 18), die außerhalb des magnetischen Gleichgewichts einer weiteren ferromagnetischen Komponente (1) angeordnet sind. Die Vorrichtung umfasst weiter mindestens zwei Magnetfeldsensoren (17, 18), die jeweils eine voneinander abweichende Sensitivität aufweisen. Derjenige Magnetfeldsensor (17, 18), welcher, bedingt durch seine räumliche Anordnung relativ zur weiteren ferromagnetischen Komponente (1), im Vergleich zum anderen Magnetfeldsensor (17, 18) in einem höheren Maße dem Einfluss des Magnetfeldgradienten ausgesetzt ist, eine Sensitivität aufweist, die von der Sensitivität des anderen Sensors abweicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation externer oder äußerer magnetischer Streufelder oder in anderen Worten zum Kompensieren eines Einflusses eines Magnetfeldgradienten auf einen Magnetfeldsensor nach den Merkmalen des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus der US 6,553,847 B2 ist ein magnetoelastischer Sensor bekannt, der ein Outputsignal bereitstellt, das die Einwirkung eines Drehmoments auf eine Welle darstellt, wobei auf der Welle ein Magnetfeld erzeugt ist.
Im Bereich des Magnetfeldes der Welle ist ein Magnetfeldsensor angeordnet. Der Magnetfeldsensor misst die Einwirkung des auf die Welle wirkenden Drehmoments auf das Magnetfeld.
Eine Magnetisierung eines metallenen Körpers wird durch Annäherung eines magnetischen Materials an den magnetisierbaren metallenen Körper oder durch Anlegung elektrischer Energie oder durch eine zeitliche Änderung eines elektrischen Feldes erzeugt.
Die Magnetisierung des Körpers wird durch Magnetfeldlinien veranschaulicht, die in jedem Punkt des Magnetfeldes die Richtung und den Richtungssinn der Magnetisierung bzw. des magnetischen Flusses zeigen.
Magnetische Feldlinien haben weder einen Anfang noch ein Ende, sondern sie verlaufen als geschlossene Bahnen.
Die magnetischen Feldlinien treten am Nordpol des Magneten bzw. des magnetisierten metallenen Körpers aus diesem aus und am Südpol wieder in den Magneten bzw. den magnetisierten Körper ein.
Derartige Magnetfelder können von Magnetfeldsensoren erfasst bzw. gemessen und über darin integrierte oder damit verbundene Gerätschaften ausgewertet werden.
Magnetfeldsensoren finden z. B. im Kraftfahrzeugbau sowie bei der Herstellung von Elektrowerkzeugen und von Elektrohaushaltsgeräten Verwendung. Sie dienen beispielsweise der Kontrolle von mechanischen Abläufen. Im Rahmen gestiegener Sicherheits- und Qualitätsanforderungen gewinnen sie z. B. bei der Messung unterschiedlichster physikalischer Größen zunehmend an Bedeutung. Die Magnetfeldsensoren werden vorzugsweise in Mess-, Regel- und in Prüfgeräten eingesetzt. Magnetfeldsensoren kommen zusätzlich in Maschinen und Anlagen sowie zur Drehzahlkontrolle an Elektromotoren zum Einsatz.
Magnetfeldsensoren werden in zunehmendem Maße auch zur Erfassung von Kräften, die auf einen metallenen magnetisierten Körper einwirken können, eingesetzt. Solche Kräfte können etwa durch die, insbesondere erhöhte, Beaufschlagung eines Drehmoments auf eine Welle auftreten, die magnetisiert ist. Eine solche Kraft hat nämlich Auswirkungen auf den Stress im Bauteil, welcher die Magnetfeldlage des betreffenden Körpers verändert und die von Magnetfeldsensoren erfasst werden kann.
Diese Magnetfeldsensoren werden dabei in einer räumlichen Nähe, die von Faktoren wie Platzbedarf, Empfangsstärke oder dergleichen beeinflusst wird, zu dem Magnetfelder aufweisenden bzw. emittierenden Körper angeordnet.
Derartige Magnetfeldsensoren sind in der Regel räumlich beabstandet von dem betreffenden magnetisierbaren oder magnetisierten Körper angeordnet.
Idealerweise werden derartige Magnetfeldsensoren räumlich so angeordnet, dass sie eine Position mit neutralem magnetischen Feld (magnetisches Gleichgewicht) eines magnetisierten metallenen Körpers nutzen können. Das magnetische Gleichgewicht des jeweiligen magnetisierten metallenen Körpers liegt – vereinfacht ausgedrückt – häufig in der Mitte des jeweiligen magnetisierten metallenen Körpers.
Dieses vorerwähnte magnetische Gleichgewicht des jeweiligen magnetisierten metallenen Körpers kann jedoch im Einzelfall aus verschiedenen Umständen beeinflusst werden oder jedenfalls für Magnetfeldsensoren nicht nutzbar sein.
So kann es etwa aus Gründen eingeschränkter Platzverhältnisse notwendig sein, die Magnetfeldsensoren außerhalb des räumlichen Bereichs dieses magnetischen Gleichgewichts anzuordnen.
Bei dieser – wie es nachfolgend bezeichnet werden soll – räumlich nicht-symmetrischen Anordnung der Magnetfeldsensoren im Vergleich zum magnetischen Gleichgewicht des magnetisierten metallenen Körper, ist dann – wie es ebenfalls nachfolgend bezeichnet werden soll – häufig ein nicht-symmetrisches darüber hinaus externes Störmagnetfeld durch die Magnetfeldsensoren erfassbar, welches zu einem fehlerhaften Messsignal führt.
Hierbei sind aber – zunächst zu Erläuterungszwecken ohne Berücksichtigung des Einflusses externer Magnetfelder – wenigstens zwei Grundkonstellationen zu unterscheiden.
Werden etwa zwei Magnetfeldsensoren radial beabstandet, räumlich nicht-symmetrisch zu einem (einzelnen) magnetisierten Körper bzw. Bauteil, etwa einer Lenkwelle, angeordnet und dieses Bauteil mit einer Kraft, also etwa mit einem Drehmoment, beaufschlagt, so müssen die Magnetfeldsensoren dazu in der Lage sein, trotz ihrer nicht-symmetrischen Anordnung das durch die Kraftbeaufschlagung entstehende Magnetfeld zu erfassen.
Gleichfalls kann das magnetische Gleichgewicht des jeweiligen magnetisierten metallenen Körpers etwa beeinflusst werden, wenn dieser konstruktiv und/oder funktional mit einem zweiten nicht magnetisierten metallenen Körper zusammenwirkt und das Gebilde als Magnetfeldantenne wirkt. Strahlt der jeweilige magnetisierte metallene Körper z. B. unter Drehmomentbeaufschlagung ein Magnetfeld ab, so müssen Magnetfeldsensoren auch in einer solchen Konstellation des Vorhandenseins zweier metallener Körper und ihrer nicht-symmetrischen Anordnung zu dem magnetisierten Bauteil in der Lage sein, ein solcherart beeinflusstes Magnetfeld zu erfassen.
Werden Magnetfeldsensoren in dem betreffenden räumlichen Bereich angeordnet, so erfassen sie die dort vorkommenden Magnetfelder.
Ist die Konzentration der Magnetfelder einer ferromagnetischen Komponente oder in dem genannten Beispiel des Zusammenwirkens von wenigstens zwei metallenen Körpern, d. h. zwei ferromagnetischen Komponenten, zumindest bereichsweise zueinander unterschiedlich, so ergeben diese Magnetfelder zueinander einen Differenzwert und somit wird dies in der vorliegenden Erfindung als Magnetfeldgradient bzw. als Gradient der magnetischen Flussdichten bezeichnet.
Der Magnetfeldgradient ist umso höher, je größer der Unterschied der Dichte der Magnetfelder in den jeweiligen Bereichen der ferromagnetischen Komponente ausgebildet ist.
Da in Fällen dieser beiden Grundkonstellationen regelmäßig wenigstens zwei ihrerseits voneinander beabstandete Magnetfeldsensoren eingesetzt werden, etwa in axialer Richtung und in Beabstandung zu dem oder den Messobjekt(en), können aufgrund dessen das etwa durch Stressbeaufschlagung auf dem Körper entstehende Magnetfeld durch beide Sensoren erfasst und ihre jeweiligen einzelsensor-bezogenen Ergebnisse zueinander in Beziehung gesetzt werden.
Die vorstehenden Fallkonstellationen lassen sich also etwa dahin zusammenfassen, dass auf die jeweils betroffene ferromagnetische Komponente eine komponenten-immanente Beeinflussung oder Änderung der Magnetfeldlage erfolgt. Die komponenten-immanente Beeinflussung oder Änderung der Magnetfeldlage kann in diesen Beispielsfällen etwa durch eine Einwirkung einer gesonderten Kraft oder eines gesonderten Drehmoments entstehen. Ein weiteres Problem, auf das sich die Erfindung bezieht, kann aber dann entstehen, wenn auf derartige ferromagnetische Komponenten ein externes oder mehrere externe Magnetfelder einwirken, die im Bereich der Anordnung der differenziellen Sensoren einen Magnetfeldgradienten erzeugen und das Messergebnis verfälschen.
Soweit nachfolgend in Bezug auf ein solches externes Magnetfeld der Singular verwendet wird, bedeutet dies lediglich eine Vereinfachung der Darstellung und keine zahlenmäßige Einschränkung. Es kann sich dabei also um ein einzelnes externes Magnetfeld oder aber auch um mehrere Magnetfelder handeln, die auf solche ferromagnetische Komponenten einwirken können.
Bei einem solchen externen Magnetfeld kann es sich etwa um das (homogene) Erdmagnetfeld handeln. Es kann aber auch, z. B. temporär, ein anderes Magnetfeld auf diese ferromagnetischen Komponenten wirken. Eine solche Situation kann z. B. eintreten, wenn die ferromagnetischen Komponenten etwa in der Nähe weiterer elektrischer Bauteile angeordnet sind, oder etwa wenn die ferromagnetischen Komponenten in ein Fahrzeug eingebaut sind, das beispielsweise in der Nähe einer elektrischen Leitung einer Straßenbahn fährt, das Straßenbahnschienen überquert oder dergleichen. All diese externen Magnetfelder wirken auf die dargestellten ferromagnetischen Komponenten ein. Es handelt sich dabei um sogenannte magnetische Streufelder.
Diese magnetischen Streufelder können die vorbeschriebene Magnetfeldlage, die beispielsweise durch eine auf einen magnetisierten metallenen Körper wirkende Kraft entsteht, beeinflussen oder überlagern.
In der ersten Fallkonstellation eines einzelnen magnetisierten Körpers, etwa einer Lenkwelle, wirkt im Fall des Auftretens eines externen Magnetfelds insbesondere dessen Stirnseite oder Spitze als sogenannte Magnetfeldantenne, weil sich die Magnetfeldlinien bzw. Magnetfelder – wie der elektrische Strom auch – den Weg des geringsten Widerstands suchen und sich deshalb an dem Bauteilende der ferromagnetischen Komponente konzentrieren. Sind in diesem räumlichen Bereich Magnetfeldsensoren angeordnet, also nicht-symmetrisch platziert, so unterliegen einer ggf. zusätzlichen Beeinflussung der Magnetfeldlage aufgrund eines externen magnetischen Streufeldes.
In diesem Fall kommt es zu einer Konzentration der Magnetfelder mit entsprechenden Magnetfeldgradienten.
Auch in der vorerwähnten zweiten Fallgestaltung kann ein externes magnetisches Streufeld zu einer Beeinflussung, Verfälschung oder Überlagerung einer komponenten-immanenten Magnetfeldlage kommen. Ist etwa eine nicht-magnetisierte Kurbelwelle an einer magnetisierten metallenen Mitnehmerscheibe angebracht und sind etwa die wenigstens zwei Magnetfeldsensoren axial oder radial beabstandet im Bereich der Stirnseite der Kurbelwelle, also in dem Bereich der Verbindung von Kurbelwelle und Mitnehmerscheibe, angeordnet, so kann ein derartiges externes Magnetfeld ebenfalls zu einer Beeinflussung oder Überlagerung des durch eine Kraftbeaufschlagung auftretenden Magnetfeldes führen.
Nachfolgend wird ein solches durch Kraftbeaufschlagung entstehendes Magnetfeld auch als stress-basiert bezeichnet.
Denn aufgrund des vorbeschriebenen Effektes konzentrieren sich die Magnetfeldlinien dieses externen magnetischen Streufeldes im Bereich der Stirnseite der Kurbelwelle, die damit ebenfalls die Funktion einer Magnetfeldantenne übernimmt. Die Erfassung der Magnetfeldlage durch die in diesem Bereich angeordneten Magnetfeldsensoren wird also in hohem Maße durch diese Konzentration des externen magnetischen Streufeldes beeinflusst.
Die Beeinflussung der Magnetlage durch ein externes magnetisches Streufeld hat Auswirkungen auf die Genauigkeit der Erfassung bzw. Messung und ggf. Auswertungen von stress-basierten Magnetfeldern des betreffenden magnetisierten metallenen Körpers.
Die vorbeschriebene Situation lässt sich deshalb auch als magnetische Nicht-Symmetrie von metallenen Körper im Vergleich zur Positionierung des/der Magnetsensors(en) aufgrund abgelenkten externen magnetischen Feldes umschreiben.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kompensation externer magnetischer Streufelder bzw. zur Kompensation des Einflusses eines Magnetfeldgradienten auf einen Magnetfeldsensor bereitzustellen.
Die Magnetfeldsensoren sollen ungeachtet der Kompensation externer Streufelder die stress-basierten Magnetfeldänderungen magnetisierter metallener Körper erfassen und auswerten können.
Des Weiteren soll eine solche Vorrichtung auf möglichst alle denkbaren Einbausituationen ausrichtbar sein.
Die Vorrichtung soll es ermöglichen, diese Aufgaben präzise und kostengünstig zu erfüllen.
Weitere Apparaturen, Vorrichtungen insbesondere bezogen auf die Berücksichtigung externer Streufelder sollen möglichst entfallen können.
Des weiteren sollen ein Verfahren zu dieser Kompensation und eine Verwendung dieser Technologie ermöglicht werden. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt. Das Verfahren und die Verwendung sind in den Ansprüchen 7 und 8 niedergelegt.
Zusammenfassung
Die Erfindung sieht die Anordnung von wenigstens zwei Magnetfeldsensoren mit der Möglichkeit der Kompensation externer magnetischer Streufelder vor, die abgelenkt/konzentriert werden durch die unsymmetrische Ausrichtung magnetisierter oder nicht magnetisierter metallener Körper im Vergleich zum Sensor.
Die Ablenkung erfolgt in Richtung zu einem metallenen Körper, der die Wirkung einer Magnetfeldantenne hat und an dessen Ein- und Austrittspunkten sich die Magnetfelder konzentrieren Die Erfindung offenbart insbesondere eine Vorrichtung zum Kompensieren des Einflusses eines Magnetfeldgradienten auf einen Magnetfeldsensor, der im Bereich einer ferromagnetischen Komponente angeordnet ist.
Unter Kompensation wird vorliegend die Reduzierung oder Eliminierung des Einflusses externer magnetischer Streufelder verstanden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kompensation externer magnetischer Streufelder in Bezug auf eine ferromagnetische Komponente umfasst

– mindestens zwei Magnetfeldsensoren,
– die jeweils eine voneinander abweichende Sensitivität aufweisen,
– wobei derjenige Magnetfeldsensor, welcher im Vergleich zum anderen Magnetfeldsensor eine höhere Stärke des nicht-symmetrischen Magnetfeldes der ferromagnetischen Komponente erfasst, eine Sensitivität aufweist, die von der Sensitivität des anderen Magnetfeldsensors abweicht,
– wobei insbesondere derjenige Magnetfeldsensor, welcher im Vergleich zum anderen Magnetfeldsensor eine höhere Stärke des nicht-symmetrischen Magnetfeldes der ferromagnetischen Komponente erfasst, eine geringere Sensitivität aufweist, als der andere Magnetfeldsensor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand wesentlicher Funktions- und Bauteile der Vorrichtung näher beschrieben.
Rein beispielhaft und nur zu Erläuterungszwecken wird von zwei Fallgestaltungen ausgegangen.
Das Ausführungsbeispiel der ersten Fallgestaltung betrifft die Anordnung von wenigstens zwei Magnetfeldsensoren außerhalb des magnetischen Gleichgewichts eines einzelnen magnetisierten metallenen Körpers, z. B. einer Lenkwelle. Es wirkt ein externes magnetisches Streufeld.
Das Ausführungsbeispiel der zweiten Fallgestaltung betrifft das Zusammenwirken zweier ferromagnetischer Komponenten, in deren Verbindungsbereich, beabstandet hiervon, zwei Magnetfeldsensoren angeordnet sind. Beispielhaft soll von einer Verbindung einer nicht magnetisierten Kurbelwelle mit einer magnetisierten Mitnehmerscheibe, nachfolgend auch Flexplate genannt, ausgegangen werden. Die Flexplate ist dabei an der Stirnseite der Kurbelwelle befestigt. Im Bereich dieser Stirnseite sind auch – in einem gewissen Abstand hiervon – wenigstens zwei Magnetfeldsensoren angeordnet. Es soll angenommen werden, dass die Flexplate unter Stress ein Magnetfeld erzeugt, jedoch darüber hinaus ein externes magnetisches Streufeld wirkt.
Zur genaueren Identifizierung der vorerwähnten Körper in beiden Fallgestaltungen soll der nicht magnetisierte Körper der zweiten Fallgestaltung, also im Beispiel die Kurbelwelle, als ferromagnetischer Körper oder nicht magnetisierter Körper bezeichnet werden, während die in beiden Fallgestaltungen verbleibenden Körper als magnetisierte metallene Körper beschrieben werden. Beide magnetisierte Körper senden insbesondere unter Stress ein Magnetfeld aus und können deshalb auch je als Magnetfeldemittent bezeichnet werden. Alle drei Körper sind ferromagnetische Komponenten im Sinne der erfindungsgemäßen Terminologie.
Ferromagnetischer Körper
Es wird beispielhaft davon ausgegangen, dass es sich bei dem ferromagnetischen Körper um eine Kurbelwelle eines Fahrzeugs handelt. Es kann aber auch eine Steuerwelle, eine Nockenwelle oder eine sonstige Welle zur Übertragung eines Drehmoments oder ein sonstiges ferromagnetisches Bauteil sein. Es ist ohne weiteres einleuchtend, dass das magnetische Gleichgewicht etwa bei einer Nockenwelle und bei einer geraden Welle bei ansonsten gleichem Material räumlich und wirkmäßig voneinander abweichen kann.
Magnetfeldkonzentrator
Befindet sich etwa in der zweiten Fallgestaltung im Bereich der ferromagnetischen Komponente ein magnetisierter Körper, so wirkt der ferromagnetische Körper als Magnetfeldantenne bzw. als Magnetfeldkonzentrator. Im Beispiel der ersten Fallgestaltung fallen diese Effekte in einem Bauteil zusammen.
Hinzu treten können die Wirkungen der Magnetfeldkonzentration aufgrund des Einwirkens eines externen magnetischen Streufeldes, wie oben beschrieben.
Der magnetisierte bzw. magnetisierbare metallene Körper ist in räumlicher Nähe des ferromagnetischen Körpers angeordnet. Rein beispielhaft und in keiner Weise ausschließlich wird davon ausgegangen, dass er an der Stirnseite des ferromagnetischen Körpers angeordnet ist. Er kann mit dieser gegebenenfalls verbunden sein.
Es wird beispielhaft davon ausgegangen, dass es sich bei dem Magnetfeldkonzentrator um die Kurbelwelle eines Fahrzeugs handelt.
Magnetfeldantenne
Ist im Beispiel der zweiten Fallgestaltung der magnetisierte metallene Körper, also z. B. eine Mitnehmerscheibe, beispielsweise an der Stirnseite des ferromagnetischen Körpers angeordnet, so werden trotz dieses Umstandes die magnetischen Felder des externen magnetischen Streufeldes in dem erwähnten Beispiel seiner räumlichen Anordnung an der Stirnseite des ferromagnetischen Körpers angezogen und auf den ferromagnetischen Körper jedenfalls teilweise übergeleitet.
In dem Beispielsfall einer Kurbelwelle ist sie die Magnetfeldantenne, die den Magnetfluss externer Magnetfelder, also im Beispiel des externen magnetischen Streufeldes, beeinflusst.
Die Umleitung der von einem externen magnetischen Streufeld herrührenden Magnetfeldlinien auf den ferromagnetischen Körper erfolgt durch diese Magnetfeldantennenfunktion. Es wird dabei davon ausgegangen, dass sich die Magnetfeldlinien bzw. Magnetfelder – wie der elektrische Strom auch – den Weg des geringsten Widerstands suchen und sich deshalb an dem Bauteilende des ferromagnetischen Körpers – also im Beispielsfall an der Stirnseite der Kurbelwelle – konzentrieren. Insbesondere die Bauteilenden des ferromagnetischen Körpers weisen die höchste Magnetfeldkonzentration auf
Auf diese Weise erhöht sich im Bereich der Stirnseite des ferromagnetischen Körpers die Magnetfeldkonzentration gegenüber dem übrigen Bereich der ferromagnetischen Komponente.
Die höhere Magnetfeldkonzentration des ferromagnetischen Körpers im Bereich der Stirnseiten des ferromagnetischen Körpers erzeugt einen exponentiell fallenden Gradienten zum magnetischen Gleichgewicht im Zentrum. Es wird dabei davon ausgegangen, dass hierdurch ein Magnetfeldgradient in Luft entsteht.
Das externe magnetische Streufeld ist somit in demjenigen räumlichen Übergangsbereich zum ferromagnetischen Körper (hier: an seiner Stirnseite), zu dem hin die Magnetfelder der umgeleitet werden, stärker als im übrigen Bereich der ferromagnetischen Komponente.
Der vorbeschriebene Effekt tritt auch bei der ersten Fallgestaltung ein, bei der nur ein (einzelner) magnetisierter Körper vorhanden ist, dessen Stirnseiten gleichsam einen Magnetfeld-Gradienten zum Gleichgewicht hin erzeugen.
Magnetfeldgradient und Magnetfeldsensor
Ein Magnetfeldsensor misst die magnetische Flussdichte und Feldstärke des Magnetfeldes und leitet sie in einer auswertbaren Form vorzugsweise an eine elektronische Einrichtung zur Signalverarbeitung weiter. Das magnetische Feld wird dabei in der Einheit T (Tesla) gemessen.
Sensoren können z. B. nach ihrem Wirkprinzip in magnetische, optische, induktive und mechanische Sensoren unterteilt werden.
Im Folgenden wird beispielhaft von wenigstens einem magnetischen Sensor ausgegangen.
Magnetfeldsensoren kommen z. B. in Form von Fluxgates, Hallsonden oder Potentialspulen zum Einsatz.
Beispielhaft und in keiner Weise ausschließlich wird im Weiteren von einem Magnetfeldsensor, vorzugsweise von einem Fluxgate-Sensor ausgegangen.
Magnetfeldsensoren funktionieren berührungsfrei und somit ohne äußere mechanische Betätigungskraft.
Die Auswertung des durch das Magnetfeld am jeweiligen Sensor entstehenden Signals erfolgt vorzugsweise kontinuierlich, analog, digital, und zwar entweder unmittelbar oder über eine integrierte oder eine nachgeschaltete Elektronik.
Vorliegend wird umfasst ein Magnetfeldsensor jeweils wenigstens eine Magnetfeldsensorspule. Die wenigstens eine Spule umfasst vorzugsweise Drahtwicklungen.
Zwei Magnetfeldsensoren umfassen also wenigstens zwei Magnetfeldsensorspulen. Die Magnetfeldsensorspulen sind dabei bevorzugt benachbart zueinander angeordnet. Sie können in ihrer Positionierung zueinander ein sogenanntes inneres Band und ein äußeres Band und das von den Bändern emittierende Magnetfeld messen.
Sie können in einem Gehäuse untergebracht sein.
Räumliche Anordnung des Magnetfeldsensors
Es sind mindestens zwei Magnetfeldsensoren vorgesehen, die räumlich im Beispiels der zweiten Fallgestaltung von dem magnetischen Körper sowie von dem ferromagnetischen Körper entfernt angeordnet sind.
Sie sind in beiden Fallgestaltungen z. B. je nach den zur Verfügung stehenden Platzverhältnissen gegebenenfalls außerhalb des durch das magnetische Gleichgewicht der ferromagnetischen Komponente gebildeten Raumes angeordnet. Die Entfernung bemisst sich natürlich nicht nur nach den Platzverhältnissen sondern auch nach der jeweils zur Verfügung stehenden oder gewünschten Sensitivität oder nach der Stärke der Magnetisierung.
Die Magnetfeldsensoren können dabei eher in dem räumlich entfernten Bereich der ferromagnetischen Komponente angeordnet, zu dem hin die Magnetfelder des externen magnetischen Streufelds umgeleitet werden, als in dem übrigen Bereich der ferromagnetischen Komponente, der von diesem Bereich weiter entfernt ist.
So können sie beispielsweise räumlich beabstandet, z. B. oberhalb, der Stirnseite z. B. der Kurbelwelle oder der Lenkwelle angeordnet sein, wobei an der Stirnseite die Wirkung der Magnetfeldantenne den größten Einfluss hat.
Der Magnetfeldgradient ist durch eine Bauteilgeometrie wenigstens einer Magnetfeldantenne erzeugbar.
Die Magnetfeldsensoren können entweder axial und/oder horizontal und/oder paralell zur ferromagnetischen Komponente sowie zu dem magnetisierten Körper angeordnet sein.
Die Anordnung ist bevorzugt zu der ferromagnetischen Komponente und/oder zum magnetisierten Körpers beabstandet.
Die Magnetfeldsensoren erfassen bzw. messen bevorzugt zunächst die magnetische Flussdichte und Feldstärke des Magnetfeldes, das durch Stress erzeugt wird, und leiten die Ergebnisse in einer auswertbaren Form vorzugsweise an eine elektronische Einrichtung zur Signalverarbeitung und/oder zur Anzeige weiter.
Diese Weiterleitung kann entweder das Ergebnis vor oder nach Kompensation des externen magnetischen Streufeldes betreffen.
In ihrer axialen oder radialen Anordnung relativ zum magnetisierten Körper bzw. zur ferromagnetischen Komponente ist weiterhin jeder der beiden Magnetfeldsensoren auf Grund des Magnetfeldgradienten einem unterschiedlich starken Magnetfeld des externen Magnetfelds ausgesetzt
Sind die beiden Magnetfeldsensoren axial zum magnetisierten Körper bzw. zur ferromagnetischen Komponente angeordnet, so ist auf Grund des Magnetfeldgradienten derjenige Magnetfeldsensor einem stärkeren Magnetfeld ausgesetzt, der dem Magnetfeld mit der höheren Flussdichte am nächsten liegt. Dies wird häufig derjenige Sensor sein, der näher zum Bauteilende der ferromagnetischen Komponente beabstandet ist.
Im Fall einer radialen Anordnung der beiden Magnetfeldsensoren relativ zur ferromagnetischen Komponente ist auf Grund des Magnetfeldgradienten derjenige Magnetfeldsensor einem stärkeren Magnetfeld ausgesetzt, der räumlich näher zur ferromagnetischen Komponente angeordnet ist.
Sensitivität der Magnetfeldsensoren
Um die eingangs geschilderten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, sieht die Erfindung die Möglichkeit der Kompensation externer magnetischer Streufelder vor, die abgelenkt werden durch die Ausrichtung magnetisierter metallener Körper im Vergleich zum Sensor.
Dazu sind mindestens zwei Magnetfeldsensoren vorgesehen, die jeweils eine voneinander abweichende Sensitivität aufweisen.
Ein Magnetfeldsensor weist eine Sensitivität auf, welche von der Sensitivität des anderen Magnetfeldsensors abweicht.
Derjenige Magnetfeldsensor, hat eine abweichende, geringere Sensitivität, welcher auf Grund der kleineren räumlichen Nähe zum Körper in einem höheren Maße dem Einfluss des Magnetfeldes ausgesetzt ist, als dies bei dem anderen Sensor der Fall ist.
Der erhöhte Einfluss des Magnetfeldes beruht im Fall von radial zum magnetisierten Körper angeordneten Magnetfeldsensoren beispielsweise darauf, dass der eine Magnetfeldsensor räumlich radial näher zum Körper angeordnet ist, als der andere radial weiter entfernte Magnetfeldsensor.
Dasselbe gilt spiegelbildlich bei einer axialen Anordnung der Magnetfeldsensoren.
Kompensieren des Einflusses von externen magnetischen Streufeldern
Wie dargelegt, resultieren die äußeren magnetischen Streufelder durch eine bereichsweise Konzentration eines Magnetfeldes in der Entstehung eines Magnetfeldgradienten.
Zum Kompensieren des Einflusses von externen magnetischen Streufeldern und damit zum Kompensieren des Einflusses des Magnetfeldgradienten, welcher durch die Bauteilgeometrie entsteht, und zum Zweck der Erreichung der unterschiedlichen Sensitivität weist jeder einzelne Magnetfeldsensor einen individuellen Kanal auf. Statt eines individuellen Kanals können beispielsweise auch unterschiedlich sensitive Fluxgates verwendet werden.
Der Kanal umfasst sowohl das Medium, über das die Signalübertragung erfolgt, als auch den gesamten Übertragungsweg von einem Sender zu einem Empfänger.
Zum Ausgleich des Einflusses des Magnetfeldgradienten auf die beiden Magnetfeldsensoren sind die Kanäle der jeweiligen Magnetfeldsensoren so ansteuerbar, dass der Einfluss des Magnetfeldgradienten auf den Magnetfeldsensor über die Sensitivität des zugehörigen Kanals gesteuert werden kann.
Die Sensitivität des Magnetfeldsensors ist in einer alternativen Ausführungsform durch Variationen der Anzahl der Wicklungen, der Spule des jeweiligen Magnetfeldsensors steuerbar. Die vorstehende Beschreibung gilt prinzipiell auch für die vorerwähnte erste Fallgestaltung, die durch eine Anordnung der Magnetfeldsensoren außerhalb des magnetischen Gleichgewichts, jedoch ohne Gradient des stressbasierten Magnetfeldes, eines einzelnen magnetisierten metallenen Körpers gekennzeichnet ist. Der metallene Körper ist zugleich das magnetisierte Bauteil. Dadurch dass die Magnetfeldsensoren am Ende dieses Körpers platziert sind, entsteht der Magnetfeldgradient, der entsprechend den vorstehenden Erläuterungen reduziert oder eliminiert wird.
Darüber hinaus Erfassung des durch eine Krafteinwirkung entstehenden Magnetfeldes.
In einer weiteren Ausführungsform sind die wenigstens zwei Magnetfeldsensoren nicht nur in der Lage, den Einfluss von externen magnetischen Streufeldern zu erfassen und zu kompensieren. Sie können auch gegebenenfalls zusätzlich zu externen Magnetfeldern aufgrund einer Krafteinwirkung entstehende Magnetfelder erfassen.
Zu diesem Zwecke erfassen sie diese Magnetfelder, die an der Oberfläche des Magnetfeldemittenten entstehen. Diese stress-basierten Magnetfelder entstehen aufgrund eines an der Oberfläche des betreffenden Magnetfeldemittenten auftretenden Stresses. Das magnetische Resultat ist analog zu diesem Stress linear aufgebaut.
Der Stress und das darauf basierende Magnetfeld verhalten sich also linear. Dies gilt auch mit Blick auf unterschiedlich hohe Krafteinwirkungen.
Die erfindungsgemäßen Magnetsensoren sind dergestalt aufgebaut, dass sie nicht nur die vorerwähnten Magnetfeldgradient-bezogenen externen Magnetfelder erfassen und kompensieren, sondern auch die linear ausgestalteten stress-basierten Magnetfelder erfassen. Sie sind mithin so ausgestaltet, dass sie zwischen diesen beiden Arten unterschiedlich entstehender und aufgebauter Magnetfelder unterscheiden und diese differenziert oder zusammen erfassen können.
Auch diese durch die Erfassung gewonnenen Informationen werden an eine Auswerte- und/oder Anzeigeeinheit weitergeleitet.
Vorteilhafte Varianten und Ausführungsformen werden anhand der nachfolgenden Zeichnung näher beschrieben.
Hierbei zeigen:
1 eine nicht magnetisierte ferromagnetische Komponente in Form einer Kurbelwelle, die mit einer magnetisierten Mitnehmerscheibe verbunden ist, sowie mit radial angeordneten Magnetfeldsensoren und
2 einen magnetisierten Körper in Form einer Lenkwelle mit axial angeordnetem Magnetfeldsensoren.
Die nicht magnetisierte Kurbelwelle 1 (ferromagnetische Komponente) ist um eine Drehachse 4 drehbar. Im Bereich eines vorderen Endes 5 der Kurbelwelle 1 ist ein magnetisierter metallener Körper 6 in Form eines Mitnehmerblechs 7 angeordnet.
Das (nicht gezeigte Quelle) externe magnetische Streufeld strahlt ein Magnetfeld mit Magnetfeldlinien 11, 8, 13, 15, 12 aus.
Die Kurbelwelle 1 funktioniert als eine Magnetfeldantenne 10; an ihrem vorderen Ende 5 im Bereich 14 konzentrieren sich die Magnetfeldlinien (nicht dargestellt).
Die Magnetfeldantenne 10 nimmt Magnetfeldlinien 11, 8, 13, 15 auf und setzt gleichzeitig Magnetfeldlinien 12 des externen Magnetfelds frei.
Die ferromagnetische Komponente 1 (hier: Kurbelwelle) umfasst damit ein Magnetfeld 13, welches wenigstens einen Magnetfeldgradienten an wenigstens einem Ende der Kurbelwelle aufweist.
Das heisst, gibt es einen Gradienten an einem Ende, so weist auch das andere Ende einen auf.
Radial zur Kurbelwelle 1 (ferromagnetische Komponente) sind zwei Magnetfeldsensoren 17, 18 angeordnet. Der Magnetfeldsensor 18 ist auf Grund der größeren Nähe zur Kurbelwelle 1 einem stärkeren externen Magnetfeld ausgesetzt, als der Magnetfeldsensor 17.
Dies beruht darauf, dass die Kurbelwelle 1 als Magnetfeldantenne 10 wirkt und sich das Magnetfeld der Kurbelwelle 1 im Bereich 14 auf Grund der Überleitung der Magnetfeldlinien 8, 11 verdichtet.
Die Bezugsziffer 15 zeigt den mit geringeren Gradientenbehafteten Magnetfeldbereich, der auf die Kurbelwelle 1 wirkt.
Der Magnetfeldsensor 17 ist auf Grund seiner größeren räumlichen Entfernung zum verstärkten Magnetfeld 14 im Bereich der Kurbelwelle 1 dem verstärkten Magnetfeld 14 in geringerem Maße ausgesetzt.
Die Bezugsziffer 16 zeigt das Ende der Kurbelwelle 1, das von dem Mitnehmerblech 6 abgewandt ist.
Die von den Magnetfeldsensoren 17, 18 erfassten Signale werden an eine Auswerte- und/oder Anzeigeeinheit (nicht gezeigt) weitergeleitet.
In 2 ist der magnetische Körper 20 als Lenkwelle 19 dargestellt.
Die Lenkwelle 19 weist ein vorderes Ende 5 und ein ihm gegenüberliegendes hinteres Ende 25 auf.
Die Lenkwelle 19 umfasst ein Magnetfeld 21. Ihr vorderes Ende 23 ist als Magnetfeldkonzentrationsbereich 22 ausgebildet.
Die extern herrührenden Magnetfeldlinien 11, 21 werden auf die als Magnetfeldantenne wirkende Lenkwelle 19 übergeleitet.
Hierdurch entsteht an dem vorderen Ende 23 und hinteren Ende 25 der Lenkwelle 19 ein konzentriertes Magnetfeld 24.
Der Magnetfeldbereich 24 der Lenkwelle 19 ist durch die Magnetfeldlinien 11 gegenüber dem übrigen Magnetfeld 21 der Lenkwelle 19 höher konzentriert.
Da das Magnetfeld der Lenkwelle 19 im Bereich 24 eine höhere Dichte aufweist, als im übrigen Bereich 21 liegt auch im Fall der 2 an der Lenkwelle 19 ein Magnetfeldgradient von den Enden zu Mitte hin vor.
Die Magnetfeldsensoren 17 und 18 sind sowohl in 1 als auch in 2 außerhalb des magnetischen Gleichgewichts angeordnet.
In 2 ist der Magnetfeldsensor 18 auf Grund der Nähe seiner Anordnung zum höher konzentrierten Magnetfeld 24 der Lenkwelle 19 einer größerem Magnetfeld ausgesetzt, als der Magnetfeldsensor 17.
Bezugszeichenliste

1: ferromagnetische Komponente/Kurbelwelle
2: nicht vergeben
3: nicht vergeben
4: Drehachse
5: vorderes Ende der Kurbelwelle
6: Magnetisierter metallener Körper
7: Mitnehmerscheibe als Beispiel eines magnetisierten Körpers
8: Magnetfeldlinie des externen magnetischen Streufelds
9: nicht vergeben
10: Magnetfeldantenne in Ausgestaltung einer Kurbelwelle 1
11: Magnetfeldlinie des externen magnetischen Streufelds
12: Magnetfeldlinien (austretend)
13: Magnetfeldlinien (eintretend)
14: Bereich hoch verdichteter Magnetfeldlinien (schematisch)
15: Bereich nicht hoch (immer noch Gradient.-verdichteter Magnetfeldlinien (schematisch)
16: hinteres Ende der Kurbelwelle
17: Magnetfeldsensor
18: Magnetfeldsensor
19: Lenkwelle als Beispiel eines magnetisierten Körpers
20: Magnetisierter metallener Körper
21: Magnetfeldlinien (eintretend)
22: Magnetfeldkonzentrationsbereich
23: vorderes Ende der ferromagnetischen Komponente
24: vorderer Bereich konzentriertes Magnetfeld
25: hinterer Bereich konzentriertes Magnetfeld

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6553847 B2 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Kompensation eines externen magnetischen Streufeldes, umfassend – mindestens zwei Magnetfeldsensoren (17, 18), – die ein auf eine ferromagnetische Komponente (1) wirkendes externes Magnetfeld erfassen können, und – die jeweils eine voneinander abweichende Sensitivität aufweisen, – wobei derjenige Magnetfeldsensor (17, 18), welcher im Vergleich zum anderen Magnetfeldsensor (17, 18) eine höhere Stärke des externen Magnetfeldes erfasst, eine Sensitivität aufweist, die von der Sensitivität des anderen Magnetfeldsensors (17, 18) abweicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derjenige Magnetfeldsensor (17, 18), welcher im Vergleich zum anderen Magnetfeldsensor (17, 18) eine höhere Stärke des externen Magnetfeldes erfasst, eine geringere Sensitivität aufweist, als der andere Magnetfeldsensor (17, 18).
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass derjenige Magnetfeldsensor (17, 18), welcher im Vergleich zum anderen Magnetfeldsensor (17, 18) eine höhere Stärke des externen Magnetfeldes erfasst räumlich näher an dem höher konzentrierten Bereich der ferromagnetischen Komponente (1, 20) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, derjenige Magnetfeldsensor (17, 18), welcher im Vergleich zum anderen Magnetfeldsensor (17, 18) eine geringere Stärke des externen Magnetfeldes erfasst, eine höhere Sensitivität aufweist, als der andere Magnetfeldsensor (17, 18).
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (17, 18) im Bereich der erhöhten Konzentration der Magnetfelder (8, 11) des externen Magnetfelds axial oder radial zu der ferromagnetischen Komponente (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Magnetfeldsensoren (17, 18) erfassten Signale an eine Auswerte- und/oder Anzeigeeinheit weitergeleitet werden.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorerwähnten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Magnetfeldsensoren (17, 18) auch ein infolge einer Krafteinwirkung auf die magnetisierte Komponente (1) entstehendes Magnetfeld erfassen können.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Magnetfeldsensoren (17, 18) zwischen dem Magnetfeldgradienten eines externen Magnetfeldes und linear aufgebauten Magnetfeld eines komponenten-immanenten Magnetfeldes differenzieren.
Verfahren zur Kompensation eines externen magnetischen Streufeldes mittels – mindestens zweier Magnetfeldsensoren (17, 18), – die ein nicht-symmetrisches externes Magnetfeld erfassen und – die Erfassung mittels jeweils mit voneinander abweichender Sensitivität der mindestens zwei Magnetfeldsensoren (17, 18) erfolgt, – wobei derjenige Magnetfeldsensor (17, 18), welcher im Vergleich zum anderen Magnetfeldsensor (17, 18) eine höhere Stärke des externen Magnetfeldes erfasst, mit einer geringeren Sensitivität erfasst als der andere Magnetfeldsensor (17, 18).
Verwendung einer Anordnung zur Kompensation eines externen magnetischen Streufeldes, umfassend – mindestens zwei Magnetfeldsensoren (17, 18), – die ein nicht-symmetrisches externes Magnetfeld erfassen können, und – die jeweils eine voneinander abweichende Sensitivität aufweisen, – wobei derjenige Magnetfeldsensor (17, 18), welcher im Vergleich zum anderen Magnetfeldsensor (17, 18) eine höhere Stärke des nicht-symmetrischen Magnetfeldes erfasst, eine Sensitivität aufweist, die von der Sensitivität des anderen Magnetfeldsensors (17, 18) abweicht.