DE102022115350A1

DE102022115350A1 - Vorrichtung zur Relativlagenbestimmung

Info

Publication number: DE102022115350A1
Application number: DE102022115350.9A
Authority: DE
Inventors: Felix Hüning; Michael Bragard; Paul Kowalewski
Original assignee: Fachhochschule Aachen
Current assignee: Fachhochschule Aachen
Priority date: 2022-06-21
Filing date: 2022-06-21
Publication date: 2023-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Relativlage zwischen einem feststehenden Teil und einem zu demselben in eine Bewegungsrichtung bewegbaren beweglichen Teil, wobei der feststehende Teil mit einem Wiegandsensor versehen ist, wobei der Wiegandsensor zwischen zwei gegenpolig zueinander ausgebildeten Permanentmagneten angeordnet ist und dass der bewegliche Teil eine Mehrzahl von beabstandet zueinander angeordneten Magnetisierungsstegen aus einem magnetisch leitenden Material aufweist, die in der Bewegungsrichtung zumindest eine gleich große Erstreckung aufweisen wie der Permanentmagnet, dass ein Abstand zwischen benachbarten Magnetisierungsstegen derart gewählt ist, dass in einer ersten Relativlage ein erster Permanentmagnet von einem der Magnetisierungsstege überdeckt ist und ein zweiter Permanentmagnet nicht von einem der Magnetisierungsstege überdeckt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Relativlage zwischen einem feststehenden Teil und einem zu demselben in eine Bewegungsrichtung bewegbaren beweglichen Teil, wobei der feststehende Teil mit einem Wiegandsensor versehen ist.
Aus der GB 2 126 351 A ist ein Wiegandsensor bestehend aus einem Wieganddraht und einer Sensorwicklung bekannt, wobei der Wiegandsensor ortsfest in einem kleinen Abstand zu einer rotierenden Scheibe angeordnet ist. Die rotierende Scheibe weist an einer Umfangsstelle einen Permanentmagneten auf, der - wie der Wiegandsensor - parallel zu einer Drehachse der Scheibe verlaufend angeordnet ist. Immer, wenn sich der mitbewegte Permanentmagnet während der Rotation der Scheibe in der Nähe des Wiegandsensors befindet, wird ein Wiegandpuls ausgelöst, der über eine nachgeordnete Auswerteelektronik weiterverarbeitet wird zur Bestimmung der Relativlage der rotierenden Scheibe zu dem feststehenden Wiegandsensor. Auf einer der Scheibe abgewandten Seite des Wiegandsensors ist ein weiterer zweiter Permanentmagnet angeordnet, der zu dem mit der auf der Scheibe angeordneten, mitlaufenden ersten Permanentmagneten in entgegengesetzter Richtung magnetisiert ist. Während der zweite Permanentmagnet ständig auf den Wiegandsensor einwirkt, wirkt der erste Permanentmagnet auf dem Wiegandsensor nur in einer bestimmten Drehstellung der Scheibe ein, in der er sich in der Nähe zu dem Wiegandsensor befindet. Der zweite Permanentmagnet dient zur magnetischen Rückstellung des Wiegandsensors. Auf diese kann das unbeabsichtigte Auftreten von Wiegandpulsen in einer Drehstellung der Scheibe, in der sich der mitbewegte erste Permanentmagnet entfernt zu dem Wiegandsensor befindet, vermieden werden.
Aus der DE 10 2011 109 551 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Relativlage zwischen einem feststehenden Teil und einem beweglichen Teil bekannt, die zum einen einen Wiegandsensor und zum anderen zwei Hallsensoren umfasst. Der Wiegandsensor und die Hallsensoren sind in Umfangsrichtung eines als Rotor ausgebildeten beweglichen Teils versetzt zueinander angeordnet. Die Erstreckungsrichtung des Wiegandsensors verläuft senkrecht zu einer Drehachse des Rotors sowie tangential zu demselben. Der Rotor weist randseitig eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung ausgerichtete Permanentmagneten auf, die unterschiedlich ausgebildet sind. Zwei dieser Mehrzahl von mitlaufenden Permanentmagneten sind derart ausgebildet, dass sie beim Vorbeilaufen an dem Wiegandsensor einen entsprechenden Ummagnetisierungspuls in demselben induzieren. Dieser kann zur Bestimmung der Relativlage zwischen dem Rotor und dem als Stator ausgebildeten feststehenden Teil genutzt werden. Die Hallsensoren werden dazu genutzt, die Auflösung der Messung zu verbessern. Nachteilig an der bekannten Vorrichtung, ist, dass sie relativ aufwendig und teuer ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Relativlage zwischen einem feststehenden Teil und einem beweglichen Teil derart weiterzubilden, dass auf einfache Weise der Messaufwand reduziert werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Wiegandsensor zwischen zwei gegenpolig zueinander ausgebildeten Permanentmagneten angeordnet ist und dass der bewegliche Teil eine Mehrzahl von beabstandet zueinander angeordneten Magnetisierungsstegen aus einem magnetisch leitenden Material aufweist, die in der Bewegungsrichtung zumindest eine gleich große Erstreckung aufweisen wie der Permanentmagnet, dass ein Abstand zwischen benachbarten Magnetisierungsstegen derart gewählt ist, dass in einer ersten Relativlage ein erster Permanentmagnet von einem der Magnetisierungsstege überdeckt ist und ein zweiter Permanentmagnet nicht von einem der Magnetisierungsstege überdeckt ist.
Die Erfindung ermöglicht eine einfache und präzise Bestimmung einer Relativlage zwischen einem feststehenden Teil und einem beweglichen Teil einer Anordnung, beispielsweise zwischen einem Rotor und einem Stator einer elektrischen Maschine. Einem herkömmlichen Wiegandsensor sind zwei in unterschiedliche Richtungen magnetisierte Permanentmagneten zugeordnet. Die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagneten ist im Wesentlichen parallel zur Erstreckung eines Wieganddrahtes des Wiegandsensors. Der zwischen den beiden Permanentmagneten angeordnete Wiegandsensor kann aufgrund der parallelen Ausrichtung magnetischen Feldstärken der beiden Permanentmagneten im Ausgangszustand keine Anregung zu einem Wiegandpuls erhalten. Der Wiegandpuls wird nach der Erfindung erst dadurch erzeugt, dass sich aus einem magnetisch leitenden Material bestehende Magnetisierungsstege des beweglichen Teils einen der beiden Permanentmagneten überdecken, so dass dieser Permanentmagnet einen magnetischen Kurzschluss erfährt. Das in diesem Augenblick auf den Wiegandsensor wirkende Magnetfeld wird ausschließlich durch den anderen Permanentmagneten bereitgestellt. Die Magnetisierungsstege können vorzugsweise einfach als Vorsprünge oder Zähne eines Zahnrades bzw. des Rotors ausgebildet sein, was den Herstellungsaufwand reduziert. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Permanentmagneten halb so groß wie ein Abstand zwischen den benachbarten Magnetisierungsstegen des beweglichen Teils. Vorteilhaft können hierdurch die Wiegand pulse äquidistant erzeugt werden.
Wenn der feststehende Teil als ein Stator und der bewegliche Teil als ein Rotor ausgebildet ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung Messdaten für einen Rotorlagegeber liefern. Mittels einer nachgeordneten Auswerteelektronik (Auswerteeinrichtung) kann die aktuelle Lage des Rotors bestimmt werden, um in Abhängigkeit davon eine vorgegebene Regelung der elektrischen Maschine zu erzeugen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Paare von gegenpolig zueinander angeordneten ersten und zweiten Permanentmagneten mit jeweils dazwischen angeordneten Wiegandsensoren verteilt in Umfangsrichtung zu dem beweglichen Teil angeordnet, so dass hierdurch zum einen die Auflösung der Messung verbessert und zum anderen eine Drehrichtungserkennung des Rotors bereitgestellt werden kann.
Wenn mehrere Zahnräder axial versetzt zueinander angeordnet sind, kann die Auflösung der Messvorrichtung weiter erhöht werden.
Der Wiegandsensor ist mit einer Auswerteelektronik verbunden, die vorzugsweise einen Schmitt-Trigger zur Umwandlung der von dem Wiegandsensor bereitgestellten Wiegandpulse weiter verarbeitbare Messsignale aufweist.
Soll die Relativlage insbesondere bei hohen Drehzahlen des Rotors ermittelt werden, weist die Auswerteelektronik vorzugsweise ein Bandpassfilter auf, welches niedrig frequente Induktionsspannungen sowie hochfrequente Störeinkopplungen unterdrückt. Vorteilhaft wird hierdurch eine präzise Signalauswertung auch bei hohen Drehzahlen des Rotors gewährleistet.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist die Auswerteelektronik keinen Filter zur Unterdrückung der Induktionsspannungen auf. Bei hohen Drehzahlen des Rotors können die im Wiegandsensor induzierten Induktionsspannungen für die Auswertung genutzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine Darstellung eines zwischen zwei gegenpolig ausgebildeten Permanentmagneten angeordneten Wiegandsensor, dem axial versetzt ein aus magnetisch leitendem Material bestehenden Zahnrad zugeordnet ist,
2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Messanordnung,
3 eine Darstellung von zwei jeweils einem Wiegandsensor zugeordneten Permanentmagnetpaaren in unterschiedlichen Drehstellungen des Zahnrades,
4 ein Spannungs-Zeit-Diagramm der Messanordnung bei Nulldrehzahl,
5 ein Spanungs-Zeit-Diagramm der Messanordnung bei hohen Drehzahlen und
6 ein Blockschaltbild einer alternativen Messanordnung.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Relativlage zwischen einem feststehenden Teil 1 und einen zu demselben in einer Bewegungsrichtung R beweglichen Teil 2 besteht im Wesentlichen aus einem Wiegandsensor 3 und einem Magnetpaar 4 von gegenpolig zueinander angeordneten Permanentmagneten 5, 5'.
Handelt es sich nicht um eine lineare Bewegungsrichtung zwischen dem feststehenden Teil 1 und dem beweglichen Teil 2, sondern um eine rotatorische Bewegungsrichtung R, kann das feststehende Teil 1 einen Stator und das bewegliche Teil 2 einen Rotor aufweisen. In diesem Fall handelt es sich um eine elektrische Maschine, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung als Rotorlagegeber zur Bestimmung der aktuellen Position des Rotors 2 zu dem Stator 1 dient. Eine Auswerteeinrichtung 6 verarbeitet und wertet ein von dem Wiegandsensor 3 erzeugtes Sensorsignal 7 aus, um in Abhängigkeit von dem ermittelten aktuellen Rotorwinkel die elektrische Maschine zu regeln.
Der Wiegandsensor 3 besteht in üblicher Weise aus einem Draht 8 und einer demselben zugeordneten Spule 9. In 1 ist der Einfachheit halber lediglich der Draht 8 des Wiegandsensors 3 gestrichelt dargestellt, der zwischen einem ersten Permanentmagneten 5 und einem zweiten Permanentmagneten 5' des Permanentmagnetpaares 4 angeordnet ist. Wirken lediglich der erste Permanentmagnet 5 und der zweite Permanentmagnet 5' auf den Wiegandsensor 3, verlaufen magnetische Feldlinien von einem Nordpol N des ersten Permanentmagneten 5 zu einem Südpol S des zweiten Permanentmagneten 5' bzw. von einem Nordpol N des zweiten Permanentmagneten 5' zu einem Südpol S des ersten Permanentmagneten 5. Der Verlauf dieser magnetischen Feldlinien verläuft somit in einem Bogenabschnitt bzw. in der Bewegungsrichtung R, wenn der Wiegandsensor 3 sowie der erste Permanentmagnet 5 und der zweite Permanentmagnet 5' radial angeordnet sind. Aufgrund der senkrechten Ausrichtung des Magnetfeldes auf den Draht 8 des Wiegandsensors 3 erfolgt keine Magnetisierung desselben, so dass auch kein Wiegandpuls 13 erzeugt werden kann.
Zur Erreichung eines in Richtung des Drahtes 8 des Wiegandsensors 3 orientierten Magnetfeldes ist ein Zahnrad 10 mit einer Mehrzahl von als Magnetisierungsstege ausgebildeten Zähnen 11 vorgesehen, wobei das Zahnrad 10 als Teil des Rotors 2 in Bewegungsrichtung R verdrehbar ist. Wird in einer ersten Drehstellung des Zahnrades 10 bzw. ersten Relativlage 12 desselben zu dem Magnetpaar 4 der erste Permanentmagnet 5 von einem der Zähne 11 überdeckt, während der zweite Permanentmagnet 5' nicht von einem der Zähne 11 überdeckt wird, tritt quasi ein magnetischer Kurzschluss ein, wobei das auf den Draht 8 des Wiegandsensors 3 wirkende Magnetfeld allein durch den zweiten Permanentmagneten 5' erzeugt wird. Die Magnetfeldlinien verlaufen in Richtung des Drahtes 8, so dass in der Spule 9 des Wiegandsensors 3 ein entsprechender Wiegandpuls 13 induziert wird.
Das Messprinzip beruht somit darauf, durch abwechselndes Kurzschließen der beiden Permanentmagneten 5, 5' einen in 3 dargestellten symmetrischen spitz zulaufenden Wiegandpuls 13 zu erzeugen.
Aus 1 ist die Anordnung des Wiegandsensors 3 und des Magnetfeldpaares 4 im Verhältnis zu dem Zahnrad 10 ersichtlich. Die Zähne 11 des Zahnrades 10 sind gleich verteilt in Umfangsrichtung angeordnet. Zwei benachbarte Zähne 11 schließen einen Teilungswinkel α ein, der abhängig ist von einer Zahnanzahl z. Damit der Wiegandpuls 13 äquidistant erzeugt werden kann, ist ein Winkel β zwischen den beiden Permanentmagneten 5, 5' des Magnetpaares 4 halb so groß wie ein von zwei benachbarten Zähnen 11 eingeschlossene Winkel α. Darüber hinaus muss sichergestellt sein, dass der Draht 8 des Wiegandsensors 3 zwischen den beiden Permanentmagneten 5, 5' angeordnet sein kann. Ein Abstand c der beiden Permanentmagneten 5, 5' des Magnetpaares 4 muss somit eine Mindestgröße aufweisen. Die für die mechanische Auflösung des Lagegebers bestimmende Zahnanzahl z sowie ein Außenradius r_a der Zähne 11 ergibt sich aus folgender Gleichung $r_{a} = r_{i} + L = \frac{z}{π} \cdot (c + w) + L$
wobei r_i dem Innenradius des Zahnrades 10 entspricht, in dessen Höhe innere Ränder des Magnetfeldpaares 4 angeordnet sind. Eine Zahnlänge L ergibt sich als Differenz zwischen dem Außendurchmesser r_a und dem Innendurchmesser r_i des Zahnrades 10. Eine Zahnweite w ist mindestens bzw. bevorzugt gleich groß zu einer Breite der Permanentmagneten 5, 5'.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gemäß 3 sind dem Zahnrad 10 zwei Paare 4,4' von Permanentmagneten 5, 5' zugeordnet, um zum einen die Auflösung weiter zu erhöhen und zum anderen eine Richtungserkennung des Rotors bereitzustellen. Die zwei Paare 4, 4' von Permanentmagneten 5, 5' sowie die denselben zugeordneten Wiegandsensoren 3, 3' sind im Wesentlichen um 180° in Bewegungsrichtung R versetzt zueinander angeordnet.
In der ersten Relativlage 12 zwischen dem feststehenden Teil 1 und dem beweglichen Teil 2 ist lediglich der erste Permanentmagnet 5 des ersten Paares 4 durch einen ersten Zahn 11' überdeckt, während der zweite Permanentmagnet 5' des ersten Paares 4 zwischen dem ersten Zahn 11' und einem in Bewegungsrichtung R benachbarten hinteren zweiten Zahn 11" sowie die Permanentmagneten 5, 5' des zweiten Paares 4' zwischen weiteren Zähnen 11 nicht überdeckt angeordnet sind. Es wird somit in dieser Drehstellung eines zwischen den Permanentmagneten 5, 5' des ersten Paares 4 angeordneten Wiegandsensors 3 erzeugt.
Während der zweite Permanentmagnet 5' des ersten Paares 4 zentral zwischen dem ersten Zahn 11' und dem zweiten Zahn 11'' angeordnet ist, sind die Permanentmagneten 5, 5' des zweiten Paares 4' jeweils unmittelbar angrenzend zu einem dritten Zahn 11''' angeordnet.
In einer zweiten Relativlage 14, in der sich das Zahnrad 10 um einen kleinen Winkel ϑ=α/4 in Bewegungsrichtung R weiterbewegt hat, wird der erste Permanentmagnet 5, also der in Bewegungsrichtung R vordere Permanentmagnet 5 des Magnetpaares 4' von dem dritten Zahn 11''' überdeckt, während der zweite Permanentmagnet 5‘ des zweiten Magnetpaares 4' mittig zwischen dem dritten Zahn 11' und einem in Bewegungsrichtung R hinter demselben angeordneten vierten Zahn 11 ^IV angeordnet ist. Ferner sind die beiden Permanentmagneten 5, 5' des ersten Magnetpaares 4 unmittelbar angrenzend zu dem ersten Zahn 11' bzw. zweiten Zahn 11" angeordnet.
Ein in 3 dargestellte zweite Wiegandsensor 3' bzw. das zweite Magnetpaar 4' ist in einem Winkel α · (n + 1/2N) versetzt angeordnet, wenn N die Anzahl der Magnetpaare 4, 4' vorgibt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Magnetfeldpaarzahl N=2.
In der zweiten Relativlage 14 ist das Zahnrad 10 um den Winkel ϑ=α1/4 im Vergleich zur ersten Relativlage 12 verdreht zu dem Stator 1 angeordnet. In dieser zweiten Relativlage 14 wird der erste Permanentmagnet 5 des zweiten Magnetpaares 4' von dem dritten Zahn 11''' überdeckt, während der zweite Permanentmagnet 5‘ des zweiten Magnetpaares 4' etwa mittig zwischen dem benachbarten dritten Zahn 11''' und dem vierten Zahn 11 ^IV sowie die Permanentmagneten 5, 5' des ersten Magnetpaares 4 angrenzend zu dem ersten Zahn 11' bzw. zweiten Zahn 11'' angeordnet sind. Da lediglich der erste Permanentmagnet 5 des zweiten Magnetpaares 4' kurzgeschlossen ist, wird nur in dem zweiten Wiegandsensor 3' der Wiegandpuls 13 induziert.
Bei weiterer Relativverdrehung des Zahnrades 10 zu dem Stator 1 um den Winkel ϑ=α1/4 in eine dritte Relativlage 15 ist der zweite Permanentmagnet 5' des ersten Magnetpaares 4 durch den zweiten Zahn 11'' überdeckt, während der erste Permanentmagnet 5 des ersten Magnetpaares 4 nicht überdeckt ist und während die Permanentmagneten 5, 5' des zweiten Magnetpaares 4' ebenfalls nicht überdeckt sind. Eine Ummagnetisierung tritt somit lediglich bei dem ersten Wiegandsensor 3 auf, wobei infolge der entgegengesetzten Magnetisierungsrichtung des zweiten Permanentmagneten 5' im Vergleich zum ersten Permanentmagneten 5 der Wiegandpuls 13 entgegengesetzt zu dem Wiegandpuls 13 in der ersten Relativlage 12, also im vorliegenden Fall in negativer Richtung, induziert wird.
Bei weiterer Verdrehung des Zahnrades 10 um den Winkel ϑ=α1/4 in eine vierte Relativlage 18 ist der zweite Permanentmagnet 5` des zweiten Magnetpaares 4' von dem vierten Zahn 11^IV überdeckt, während der erste Permanentmagnet 5 des zweiten Magnetpaares 4' sowie die Permanentmagneten 5, 5' des ersten Magnetpaares 4 freiliegen bzw. nicht von Zähnen 11 überdeckt sind. Es wird somit durch den zweiten Wiegandsensor 3 ein negativer Wiegandpuls 13 erzeugt.
Gegebenenfalls kann die mechanische Auflösung der Messvorrichtung durch weitere Magnetpaare, zwischen denen jeweils ein Wiegandsensor 3 angeordnet ist, erhöht werden. Hierbei ist sicherzustellen, dass die Magnetpaare 4, 4' um den Winkel α×(n + 1/2N) gegeneinander verdreht angeordnet sind.
Alternativ oder zusätzlich kann die Auflösung auch dadurch erhöht werden, dass mehrere axial versetzt zueinander angeordnete Zahnräder 10 mit jeweils einer Anzahl von denselben zugeordneten Magnetpaaren 4, 4' vorgesehen sind. Die mechanische Auflösung r des so gebildeten Lagegebers hängt von der Zahnanzahl z und der Anzahl der Kombinationen K von Magnetpaaren 4, 4' ab: $r = \frac{360 °}{2 \cdot z \cdot K} .$
Bei Anwendung von mehr als zwei Kombinationen K von Wiegandsensoren 3, 3' bzw. Magnetpaaren 4, 4' ist jedoch eine Logikschaltung notwendig, um aus den resultierenden Wiegand-Pulsmustern die aktuelle Rotorlage zu bestimmen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird von einer Kombination K=2 von Magnetpaaren je Zahnrad 10 ausgegangen, so dass die Wiegandpulse 13 in einer A- und B-Spur eines klassischen Inkrementalgebers, vorzugsweise eines nicht-invertierenden Schmitt-Triggers 16 mit vorzugsweise variabel einstellbarer Triggerschwelle, einer Auswerteeinrichtung 6 weiterverarbeitet werden. In 4 ist ein Zeitdiagramm des Wiegandpulses 13 und einer A-Spur des Schmitt-Triggers 16 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass Wiegandpulse 13 in einer Höhe von ca. 100 mV den Schmitt-Trigger 16 auslösen, so dass ein Rechtecksignal am Ausgang (A-Spur) des Schmitt-Triggers 16 erzeugt wird in der Zeit zwischen den beiden Wiegandpulsen 13 desselben Wiegandsensors 3.
Bei relativ hohen Drehzahlen der Maschine bzw. des Rotors steigt die Änderung der magnetischen Flussdichte B, so dass es zur Erzeugung von zusätzlichen Induktionsspannungen zwischen den in 4 dargestellten Wiegandpulsen 13 kommt. Dies kann dazu führen, dass die Triggerschwelle des Schmitt-Triggers 16 nicht durch den Wiegandpuls 13 selbst, sondern durch die Induktionsspannung ausgelöst wird. Zur Vermeidung einer fehlerhaften Signalauswertung weist die Auswerteeinrichtung 6 deshalb einen Bandpassfilter 17 auf, der die niedrigen Frequenzen der Induktionsspannung einerseits sowie hochfrequente Störeinkopplung andererseits unterdrückt.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann bei höheren Drehzahlen des Rotors 3 auch die Induktionsspannung selbst zur Ermittlung des aktuellen Rotorwinkels herangezogen werden. Wie aus 5 ersichtlich ist, können die um 90° versetzt zueinander angeordneten Sinusverläufe von einer ersten Induktionsspannung 24 und einer zweiten Induktionsspannung 24', die jeweils den unterschiedlichen Wiegandsensoren 3,3' zugeordnet sind, verwendet werden zur Ermittlung des aktuellen Relativwinkels zwischen dem Stator und dem Rotor. Ein Nulldurchgang des Induktionsspannungssignals 24, 24' liefert den benötigten Referenzpunkt für die Bestimmung des Rotorwinkels. Ein Schmitt-Trigger 16 sowie ein Bandfilter sind für den Einsatz bei hohen Drehzahlen nicht notwendig.
Bei kleiner oder mittlerer Drehzahl erfolgt die Auswertung auf Basis der Wiegandpulse 3, 3'. Bei hoher Drehzahl erfolgt die Auswertung auf Basis der Induktionsspannungen 24, 24'.
Die Auswerteeinrichtung 6 liefert ein aktuelles Lagesignal 19, dass einer Motorregelung 20 für die elektrische Maschine 21 dienen kann.
Vorzugsweise ist das Zahnrad 10 einstückig ausgebildet, so dass es bei hohen Drehzahlen zu betreiben ist.
Beispielsweise kann das Zahnrad 10 auf einer Rotorachse axial versetzt zu dem Rotor fixiert sein.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann das Zahnrad 10 auch Bestandteil des Rotors sein, wenn die elektrische Maschine beispielsweise als ein Reluktanzmotor ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann für die Motorsteuerung oder Motorregelung eingesetzt werden. Sie kann zur Drehrichtungserkennung des Motors eingesetzt werden. Es kann sich um eine in drehmoment-, drehzahl- oder positionsgeregelte Maschine handeln.
Vorzugsweise sind das Magnetpaar 4 und der Wiegandsensor 3 in einem gemeinsamen Gehäuse integriert angeordnet und an dem Stator 1 starr befestigt.
Das Zahnrad 10 sowie die Zähne 11 bestehen aus einem magnetisch leitenden Material. Alternativ können auch lediglich auch die Zähne 11 aus einem magnetischen Material ausgebildet sein, während der weitere Teil des Zahnrades 10 aus einem nicht magnetisch leitenden Material besteht.
Nach einer nicht dargestellten weiteren Ausführungsform der Erfindung kann statt des rotierenden Zahnrades 10 eine linear bewegliche Zahnstange vorgesehen sein, die mit in Linearrichtung versetzt zueinander angeordneten Permanentmagneten eines Magnetpaares sowie des eingeschlossenen Wiegandsensors 3,3' zusammenwirken.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung gemäß 6 kann der Wiegandsensor 3, 3' eine Auswerteeinheit 6' speisen, die einen Zähler 23 zum Hochzählen der Wiegandpulse 13 aufweist. Die Auswerteeinheit 6' weist ferner einen nicht flüchtigen Speicher 22 auf, der durch die zeitlich versetzt anliegenden Wiegandpulse 13 gespeist wird. Der nicht flüchtige Speicher 22 ist mit dem Zähler 23 verbunden, der in Abhängigkeit von den Wiegandpulsen 13 dieselben hochzählt. Auf diese Weise wird ein Absolutwertgeber gebildet, der als Bestandteil der erfindungsgemäßen (Sensor)-vorrichtung energieautark betrieben werden kann. Eine externe Energiequelle oder eine Batterie sind somit nicht notwendig.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 2126351 A [0002]
DE 102011109551 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung einer Relativlage zwischen einem feststehenden Teil (1) und einem zu demselben in eine Bewegungsrichtung (R) bewegbaren beweglichen Teil (2), wobei der feststehende Teil (1) mit einem Wiegandsensor (3, 3') versehen ist, dadurch gekennzeichnet, - dass der Wiegandsensor (3, 3') zwischen zwei gegenpolig zueinander ausgebildeten Permanentmagneten (5, 5') angeordnet ist und - dass der bewegliche Teil (2) eine Mehrzahl von beabstandet zueinander angeordneten Magnetisierungsstegen aus einem magnetisch leitenden Material aufweist, die in der Bewegungsrichtung (R) zumindest eine gleich große Erstreckung aufweisen wie der Permanentmagnet (5, 5'), - dass ein Abstand zwischen benachbarten Magnetisierungsstegen (11, 11', 11'', 11''', 11^IV) derart gewählt ist, dass in einer ersten Relativlage (12) ein erster Permanentmagnet (5) von einem der Magnetisierungsstege (11, 11', 11'', 11''', 11^IV) überdeckt ist und ein zweiter Permanentmagnet (5') nicht von einem der Magnetisierungsstege (11, 11', 11'', 11''', 11^IV) überdeckt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen benachbarten Zähnen (11, 11', 11'', 11''', 11^IV) des Zahnrades (10) größer ist als ein Abstand zwischen einem ersten Permanentmagneten (5) und einem zweiten Permanentmagneten (5') eines durch dieselben gebildeten Magnetpaares (4, 4').
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (c) zwischen dem ersten Permanentmagneten (5) und dem zweiten Permanentmagneten (5') halb so groß ist wie der Abstand zwischen den benachbarten Magnetisierungsstegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten Magnetisierungsstege in einem gleichen Abstand (c) zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Permanentmagnet (5) und der zweite Permanentmagnet (5') jeweils eine senkrecht zur Bewegungsrichtung (R) verlaufende Magnetfeldrichtung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der feststehende Teil (1) als ein Stator einer elektrischen Maschine (21) und der bewegliche Teil (2) als ein rotorfest angeordnetes Zahnrad (10) ausgebildet ist, wobei die Magnetisierungsstege (11, 11', 11''. 11''', 11^IV) durch Zähne (11, 11', 11'', 11''', 11^IV) des Zahnrades (10) gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Permanentmagnet (5) und der zweite Permanentmagnet (5') des Magnetpaares (4, 4') jeweils radial ausgerichtet angeordnet sind, wobei ein Abstandswinkel (β) zwischen dem ersten Permanentmagnet (5) und dem zweiten Permanentmagnet (5') halb so groß ist wie ein Teilungswinkel (α) zwischen zwei benachbarten Zähnen (11, 11', 11'', 11 ''', 11^IV).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zahnrad (10) mehrere Magnetpaare (4, 4') mit jeweils zwischen denselben angeordneten Wiegandsensoren (3, 3') zugeordnet ist, wobei die Magnetpaare (4, 4') in einem Winkel (ϑ) versetzt zueinander angeordnet sind, wobei ϑ = α · (n + 1/2N) ist, mit α gleich Teilungswinkel, n gleich natürliche Zahl, N gleich Anzahl der Magnetpaare.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere axial versetzt zueinander angeordnete Zahnräder (10) vorgesehen sind mit jeweils einer Anzahl von denselben zugeordneten Magnetpaaren (4, 4').
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Magnetpaar (4') derart versetzt zu dem ersten Magnetpaar (4) angeordnet ist, - dass in einer zweiten Relativlage (14) ein erster Permanentmagnet (5) des zweiten Magnetpaares (4') von einem der Zähne (11''') des Zahnrades (10) überdeckt ist und ein zweiter Permanentmagnet (5') des zweiten Magnetpaares (4') und die Permanentmagneten (5, 5') des ersten Magnetpaares (4) nicht von einem der Zähne (11) überdeckt sind, - dass in einer dritten Relativlage (15) der zweite Permanentmagnet (5') des ersten Magnetpaares (4) von einem der Zähne (11 '') überdeckt ist und der erste Permanentmagnet (5) des ersten Magnetpaares (4) und der erste und zweite Permanentmagnet (5, 5') des zweiten Magnetpaares (4') nicht von einem der Zähne (11) überdeckt sind, und - dass in einer vierten Relativlage (18) der zweite Permanentmagnet (5') des zweiten Magnetpaares (4') von einem der Zähne (11^IV) überdeckt ist und der erste Permanentmagnet (5) des zweiten Magnetpaares (4') und die Permanentmagneten (5, 5') des ersten Magnetpaares (4) nicht von einem der Zähne (11) überdeckt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wiegandsensor (3) mit einer Auswerteeinrichtung (6) verbunden ist enthaltend einen Schwellwertschalter (16) zur Umwandlung eines von dem Wiegandsensor (3) bereitgestellten Wiegandpulses (13) in ein Messsignal (19), mittels dessen der Rotorwinkel bezogen auf eine Referenz bestimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (6) einen Bandpassfilter (17) aufweist zur Unterdrückung von niedrig frequenten Induktionsspannungen bei hoher Drehzahl des Rotors (2) und zur Unterdrückung von hoch frequenten Störeinkopplungen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wiegandsensor (3, 3') mit einer Auswerteeinheit (6') verbunden ist, die einen nichtflüchtigen Speicher (22) und einen Zähler (23) zum Hochzählen der Wiegandpulse (13) aufweist, wobei die Auswerteeinheit (6') aussschließlich durch die Wiegandpulse (13) gespeist wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (6) derart ausgebildet ist, dass das Messsignal (19) bei einer niedrigen oder mittleren Drehzahl des Rotors (2) durch die von dem Wiegandsensor (3, 3') bereitgestellten Wiegandpulsen (13) gebildet ist, und dass bei einer hohen Drehzahl das Messsignal (19) durch an dem Wiegandsensor (3, 3') abfallende Induktionsspannungen (24, 24') gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneten (5, 5') und ein Draht (8) des Wiegandsensors (3, 3') radial ausgerichtet angeordnet sind.
Verfahren zur Bestimmung einer Relativlage zwischen einem Stator (1) und einem Rotor (2), wobei ein Wiegandsensor (3, 3') ummagnetisiert wird zur Erzeugung eines Wiegandpulses (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Ummagnetisierung des Wiegandsensors (3, 3') durch abwechselnde Überdeckung von Permanentmagneten (5, 5') eines Magnetpaares (4, 4') durch einen aus einem magnetisch leitenden Material bestehenden Magnetisierungsstege (11, 11', 11'', 11''', 11^IV) erfolgt, zwischen denen der Wiegandsensor angeordnet ist.