DE19753779A1 - Measuring system for non-contact determination of rotation angle between stator and rotor - Google Patents

Measuring system for non-contact determination of rotation angle between stator and rotor

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Abstract

A permanent magnet, which is polarized parallel to the shaft, is arranged at a distance (L1) from the rotor, which is filled with a magnetically non-conducting material. The distances between the rotor and the permanent magnet and between the stator and the permanent magnet are adjusted, so that the magnetic force acting from the permanent magnet on the rotor and the stator are approximately equal. The system has a carrier plate (15) of soft magnetic material, acting as the rotor, and fixed on a shaft (11). The stator (20) consists of two separate segments.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Meßvorrichtung zur berüh­ rungslosen Erfassung eines Drehwinkels nach der Gattung des Anspruchs 1. Aus der nachveröffentlichten DE-OS 196 34 281.3 (zum Beispiel Fig. 12) ist ein Sensor bekannt, der in drei Ebenen übereinander ausgebildet ist. Der Rotor bildet hier­ bei die mittlere Ebene und besteht aus der Trägerplatte für einen Permanentmagneten. Aufgrund des Magnetfeldes des Per­ manentmagneten ergeben sich zu den beiden als Stator dienen­ den, aus magnetisch leitendem Material bestehenden Platten, unterschiedliche magnetische Anziehungskräfte. Diese können zu einem Axialspiel der Rotorlagerung führen und somit das Meßergebnis negativ beeinflussen.The invention relates to a measuring device for contactless detection of an angle of rotation according to the preamble of claim 1. From the subsequently published DE-OS 196 34 281.3 (for example Fig. 12) a sensor is known which is formed in three levels one above the other. The rotor forms the middle level and consists of the carrier plate for a permanent magnet. Due to the magnetic field of the permanent magnet, the two stator plates, made of magnetically conductive material, have different magnetic attractive forces. These can lead to axial play in the rotor bearing and thus negatively influence the measurement result.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung zur berührungslosen Er­ fassung eines Drehwinkels mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß ein nahezu kraftfreier Magnetkreis im Sensor erzeugt wird, der eine axialspielfreie Rotorlagerung bewirkt. Dadurch wird die La­ gerung des Rotors relativ leichtgängig. Die Halterung des Stators, der Trägerplatte und des Magneten wird kaum be­ lastet. Bei axial empfindlichen Sensoren ergeben sich da­ durch geringere Meßfehler. Die Auflagekraft des Rotors auf der Welle kann somit eingestellt werden. Die Anlageflächen des Rotors auf seiner Auflage sind so bestimmbar, daß ein möglichst geringer Reibungswiderstand entsteht.The measuring device according to the invention for contactless He setting of an angle of rotation with the characteristic features of claim 1 has the advantage that an almost force-free magnetic circuit is generated in the sensor, the one causes axial play free rotor bearing. This will make the La  rotor is relatively easy to move. The bracket of the Stator, the carrier plate and the magnet is hardly be burdens. With axially sensitive sensors, this results in due to lower measurement errors. The contact force of the rotor the shaft can thus be adjusted. The investment areas of the rotor on its support can be determined so that a the lowest possible frictional resistance.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im An­ spruch 1 angegebenen Meßvorrichtung möglich.By the measures listed in the subclaims advantageous training and improvements in the on Say 1 specified measuring device possible.

Zeichnungdrawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Aus­ führungsbeispiel und die Fig. 2 eine Draufsicht auf den Stator.An embodiment of the invention is shown in the drawing and in the following description he explains. Fig. 1 shows a section through an exemplary embodiment and Fig. 2 is a plan view of the stator.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

In Fig. 1 ist mit 10 ein Sensor bezeichnet, der mit Hilfe einer Achse 11 mit einem nicht dargestellten Bauteil verbun­ den ist, dessen Drehbewegung bestimmt werden soll. Der Sen­ sor 10 selbst ist in einem Gehäuse 12 angeordnet, das Teil eines Pedalwertgebers ist. Das Gehäuse 12 kann zum Beispiel aus Kunststoff bestehen. Um den Sensor 10 in das Gehäuse 12 einbauen zu können, weist es eine Öffnung auf, die von einem Deckel 13 verschlossen ist. Auf der Stirnseite der Achse 11 ist mittig eine Trägerplatte 15 aufgesetzt, die als Rotor dient. Die Achse 11 und die Trägerplatte 15 können sowohl als Einzelbauteil oder auch als einziges gesamtes Bauteil hergestellt sein. Auf der Trägerplatte 15 ist möglichst mit großem radialen Abstand vom Mittelpunkt, d. h. vom Ansatzpunkt der Achse 11, ein ringförmiger Permanentmagnet 16 angeordnet. Je größer der Abstand ist, desto besser ist die Auflösung des Meßsignals. Der Permanentmagnet 16 ist mit Hilfe eines Distanzstücks 17 aus magnetisch nicht leitendem Material auf der Trägerplatte 15 befestigt. Dadurch entsteht zwischen dem Permanentmagneten 16 und der Trägerplatte 15 ein Abstand L1. Das Distanzstück 17 kann eine Kunststoffumspritzung der Trägerplatte 15 sein. Der Permanentmagnet 16 selbst kann als Kreisausschnitt oder Teil eines Kreisrings ausgeführt sein. Sein Winkelbereich ist mindestens so groß, wie der zu bestimmende maximale Drehwinkel des zu überwachenden bzw. des zu messenden Bauteils. Beträgt der Winkelbereich des Permanentmagneten 16 zum Beispiel 180 Grad, so kann ein zu messender Drehwinkel von 180 Grad erreicht werden. Der Permanentmagnet 16 ist ferner in Achsrichtung, d. h. senkrecht zur Trägerplatte 15 bzw. parallel zur Richtung der Achse 11 polarisiert. Die Trägerplatte 15 besteht aus magnetisch leitendem, insbesondere weichmagnetischem Material. Ferner besteht auch die Achse 11 oder zumindest ihr der Trägerplatte 15 zugewandtes Ende auch aus magnetisch leitendem, insbesondere weichmagnetischem Material.In Fig. 1, 10 denotes a sensor which is verbun with the help of an axis 11 with a component, not shown, whose rotational movement is to be determined. The sensor 10 itself is arranged in a housing 12 which is part of a pedal value transmitter. The housing 12 can be made of plastic, for example. In order to be able to install the sensor 10 in the housing 12 , it has an opening which is closed by a cover 13 . A support plate 15 , which serves as a rotor, is placed in the center on the end face of the axis 11 . The axis 11 and the carrier plate 15 can be produced both as a single component or as a single entire component. An annular permanent magnet 16 is arranged on the carrier plate 15 as far as possible with a large radial distance from the center, ie from the starting point of the axis 11 . The larger the distance, the better the resolution of the measurement signal. The permanent magnet 16 is fastened on the carrier plate 15 with the aid of a spacer 17 made of magnetically non-conductive material. This creates a distance L1 between the permanent magnet 16 and the carrier plate 15 . The spacer 17 can be a plastic encapsulation of the carrier plate 15 . The permanent magnet 16 itself can be designed as a circular section or part of a circular ring. Its angular range is at least as large as the maximum angle of rotation to be determined of the component to be monitored or measured. If the angular range of the permanent magnet 16 is, for example, 180 degrees, a rotation angle of 180 degrees to be measured can be achieved. The permanent magnet 16 is also polarized in the axial direction, ie perpendicular to the carrier plate 15 or parallel to the direction of the axis 11 . The carrier plate 15 consists of magnetically conductive, in particular soft magnetic material. Furthermore, the axis 11 or at least its end facing the carrier plate 15 also consists of magnetically conductive, in particular soft magnetic material.

In einer zweiten Ebene unter dem Permanentmagneten 16 ist parallel zur Trägerplatte 15 ein Stator angeordnet, der in der Fig. 2 näher dargestellt ist. Der Stator 20 weist zum Permanentmagneten 16 hin einen Abstand L2 auf. Der Stator 20 besteht aus zwei Segmenten 26, 27, wobei das Segment 27 einen Bogen 29 aufweist, mit dem es die Achse 11 umschließt. Im Ausführungsbeispiel ist der Bogen 29 als Kreisbogen aus­ gebildet. Es ist aber auch eine andere Kontur denkbar. We­ sentlich dabei ist aber, daß ein magnetisch leitender Fluß zwischen dem Kreisbogen 29, d. h. dem Segment 27 und der Achse 11 möglich ist. Die Achse 11 ist zumindest im Bereich zwischen dem Rotor und dem Stator aus magnetisch leitendem Material hergestellt. Ein magnetischer Rückfluß wäre auch über zusätzliche Rückflußstücke denkbar. Zwischen den beiden Segmenten 26, 27 ist ein durchgehender Spalt ausgebildet, der zwei gleich ausgebildete äußere Abschnitte 31 und einen mittigen, im Bereich des Bogens 29 befindlichen Distanzab­ schnitt 32 aufweist. Beim Distanzspalt 32 ist es wichtig, daß zwischen den Segmenten 26 und 27, d. h. im Bereich des Bogens 29, kein magnetischer Fluß der vom Permanentmagneten 16 erzeugten Magnetlinien möglich ist. Der Distanzabschnitt 32 kann deshalb mit Luft oder einem anderen magnetisch nicht leitenden Material ausgefüllt sein. Der Distanzabschnitt ist im Verhältnis zum Abschnitt 31 des Spalts größer ausgebil­ det, um diesen obengenannten Effekt zu erreichen. Im Aus­ führungsbeispiel ist der Distanzabschnitt 32 mit der das Ge­ häuse bildenden Kunststoffmasse gefüllt, die gleichzeitig auch den Stator 20 mitumgreift und als zusätzliche Auflage­ fläche A1 für die Trägerplatte 15 dient. Diese Kunststoff­ masse liegt auch mit einer Auflagefläche A2 auf einem Ge­ häuseteil auf. Sowohl im Bereich der Auflagefläche A1 als auch A2 soll ein möglichst geringer Reibungswiderstand er­ reicht werden. Im Abschnitt 31 des Spalts ist etwa mittig ein magnetfeldempfindliches Element 35, wie zum Beispiel Feldplatte, Spulen, Magnettransistor, magnetoresistives Ele­ ment oder ein Hallelement angeordnet. Wichtig hierbei ist, daß das magnetfeldempfindliche Element eine möglichst lineare Abhängigkeit seines Ausgangssignals von der magneti­ schen Induktion B aufweist. In der Fig. 2 ist eine Messung mit Hilfe eines einzigen magnetfeldempfindlichen Elements 35, eines Hallelements, dargestellt. In diesem Fall muß das Element 35 möglichst mittig im Spalt 31 angeordnet sein. Hingegen wäre es auch möglich, zum Beispiel jeweils ein Ele­ ment 35 in beiden Abschnitten 31 des Spalts anzuordnen, um zum Beispiel eine redundante Messung (Sicherheitsmessung) durchführen zu können. Auch wäre es denkbar, in einem Ab­ schnitt 31 des Spalts zwei Elemente 35 anzuordnen. In a second plane below the permanent magnet 16 , a stator is arranged parallel to the carrier plate 15 , which is shown in more detail in FIG. 2. The stator 20 is at a distance L2 from the permanent magnet 16 . The stator 20 consists of two segments 26 , 27 , the segment 27 having an arc 29 with which it surrounds the axis 11 . In the exemplary embodiment, the arc 29 is formed as a circular arc. However, a different contour is also conceivable. However, it is important that a magnetically conductive flux between the circular arc 29 , ie the segment 27 and the axis 11, is possible. The axis 11 is made of magnetically conductive material at least in the area between the rotor and the stator. A magnetic reflux would also be conceivable via additional reflux pieces. A continuous gap is formed between the two segments 26 , 27 , which has two identical outer sections 31 and a central section 32 located in the region of the arc 29 . With the spacing gap 32 it is important that between the segments 26 and 27 , ie in the area of the arc 29 , no magnetic flux of the magnetic lines generated by the permanent magnet 16 is possible. The spacer section 32 can therefore be filled with air or another magnetically non-conductive material. The distance section is designed to be larger in relation to section 31 of the gap in order to achieve the above-mentioned effect. In the exemplary embodiment, the spacer section 32 is filled with the plastic compound forming the housing, which at the same time also grips the stator 20 and serves as an additional support surface A1 for the carrier plate 15 . This plastic mass is also with a support surface A2 on a Ge housing part. Both in the area of the bearing surface A1 and A2, the lowest possible frictional resistance should be sufficient. In section 31 of the gap, a magnetic field-sensitive element 35 , such as a field plate, coils, magnetic transistor, magnetoresistive element or a Hall element, is arranged approximately in the center. It is important here that the magnetic field-sensitive element has a linear dependence of its output signal on the magnetic induction B. In FIG. 2 is a measurement by means of a single magnetic field-sensitive element 35, a Hall element, is shown. In this case, the element 35 must be arranged as centrally as possible in the gap 31 . On the other hand, it would also be possible, for example, to arrange an element 35 in each of the two sections 31 of the gap, for example in order to be able to carry out a redundant measurement (safety measurement). It would also be conceivable to arrange two elements 35 in a section 31 of the gap.

Abhängig von der Drehbewegung der als Rotor dienenden Trä­ gerplatte 15 und somit des Permanentmagneten 16 wird die Größe der das Element 35 durchströmenden Magnetlinien verän­ dert. Da der Stator 20 und die Trägerplatte 15 aus magne­ tisch leitendem Material bestehen, werden vom in Achsrich­ tung polarisierten Permanentmagneten magnetische Kräfte so­ wohl auf die Trägerplatte 15 als auch auf den Stator 20 aus­ geübt. Die jeweils wirkende magnetische Kraft F ist unter anderem abhängig von der Größe des jeweiligen Abstandes L1 bzw. L2. Ist die auf den Rotor ausgeübte magnetische Kraft nicht genauso groß wie die auf den Stator ausgeübte magne­ tische Kraft, so kann es zu einer geringen Taumelbewegung der Trägerplatte 15 kommen. Diese Bewegung kann zu Meß­ fehlern führen. Deshalb ist es notwendig, daß die vom Perma­ nentmagneten 16 ausgehende magnetische Kraft F sowohl auf den Stator als auch auf den Rotor gleich groß ist, d. h. FStator = FRotor. Dies bedeutet, daß die beiden Abstände L1 bzw. L2, abhängig vom weichmagnetischen Material und vom Vo­ lumen der Trägerplatte und des Stators so ausgelegt werden müssen, daß die jeweils wirkende magnetische Kraft FStator = FRotor ist. In einfacher Weise kann dies durch Vergrößern oder Verkleinern des Abstandes L1 bzw. des Abstands L2 er­ folgen. Durch diese Variation des Abstandes L1 kann ein in seiner Größe und Richtung bestimmter magnetischer Kraftfluß erzeugt werden, der eine axialspielfreie Lagerung der Trägerplatte 15 ermöglicht.Depending on the rotational movement of the serving as rotor Trä gerplatte 15 and thus the permanent magnet 16 , the size of the magnetic lines flowing through the element 35 is changed. Since the stator 20 and the carrier plate 15 are made of magnetically conductive material, magnetic forces are exerted on the carrier plate 15 and on the stator 20 from the permanent magnet polarized device in the axial direction. The respectively acting magnetic force F depends, among other things, on the size of the respective distance L1 or L2. If the magnetic force exerted on the rotor is not as large as the magnetic force exerted on the stator, there may be a slight wobbling movement of the carrier plate 15 . This movement can lead to measurement errors. It is therefore necessary that the magnetic force F emanating from the permanent magnet 16 on both the stator and the rotor is the same, ie F stator = F rotor . This means that the two distances L1 and L2, depending on the soft magnetic material and on the volume of the carrier plate and the stator, must be designed such that the magnetic force acting in each case F stator = F rotor . In a simple manner, this can be done by increasing or decreasing the distance L1 or the distance L2. Through this variation of the distance L1, a magnetic force flow determined in terms of its size and direction can be generated, which enables the support plate 15 to be supported without axial play.

Bei Verwendung einer möglichst homogenen aufmagnetisierten Permanentmagneten 16 und gleicher Dicke sowohl des Stators 20 als auch der als Rotor dienenden Trägerplatte 15 sind die Abstände L1 und L2 gleich groß. Ist hingegen z. B. der Stator 20 doppelt so dick wie die Trägerplatte 15, so muß der Ab­ stand L2 größer als der Abstand L1, hier z. B. doppelt so groß sein. When using a magnetized permanent magnet 16 that is as homogeneous as possible and having the same thickness of both the stator 20 and the carrier plate 15 serving as a rotor, the distances L1 and L2 are the same. However, if B. the stator 20 twice as thick as the support plate 15 , the Ab stood L2 greater than the distance L1, here z. B. be twice as large.

Der Stator kann auch aus zwei anders geformten Segmenten be­ stehen. Der Spalt, in dem sich das magnetfeldempfindliche Element befindet, könnte auch mittig durchlaufen, so daß zwei gleich große Segmente vorhanden sind. Wesentlich ist ein Aufbau des Rotors und des Stators in zwei Ebenen, zwischen denen der Permanentmagnet 16 angeordnet ist. Die Polarisierungsrichtung des Permanentmagneten 16 ist axial, d. h. parallel zur Achse ausgerichtet.The stator can also be made up of two differently shaped segments. The gap in which the magnetic field-sensitive element is located could also pass through in the middle, so that there are two segments of equal size. What is essential is a construction of the rotor and the stator in two planes, between which the permanent magnet 16 is arranged. The direction of polarization of the permanent magnet 16 is aligned axially, ie parallel to the axis.

Claims (7)

1. Meßvorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Dreh­ winkels α zwischen einem Stator (20) und einem Rotor (15), wobei auf dem Rotor (15) ein Permanentmagnet (16) angeordnet ist, wobei sich in mindestens einem Spalt (31) mindestens ein magnetfeldempfindliches Element (35) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (16) zum Rotor (15) hin einen Abstand L1 aufweist, der mit elektrisch nicht lei­ tendem Material gefüllt ist, daß der Permanentmagnet (16) zum Stator (20) hin einen Abstand (L2) aufweist und daß die beiden Abstände (L1 und L2) so aufeinander abgestimmt sind, daß die vom Permanentmagneten (16) auf den Rotor (15) wir­ kende magnetische Kraft nahezu gleich groß der auf den Sta­ tor (20) wirkenden magnetischen Kraft ist.1. Measuring device for non-contact detection of a rotation angle α between a stator ( 20 ) and a rotor ( 15 ), a rotor ( 16 ) being arranged on the rotor ( 15 ), with at least one magnetic field sensitive in at least one gap ( 31 ) Element ( 35 ), characterized in that the permanent magnet ( 16 ) to the rotor ( 15 ) has a distance L1 which is filled with electrically non-conductive material, that the permanent magnet ( 16 ) to the stator ( 20 ) has a distance (L2) and that the two distances (L1 and L2) are coordinated so that the permanent magnet ( 16 ) on the rotor ( 15 ) we kend magnetic force almost the same as the gate force ( 20 ) acting magnetic force is. 2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (11) mindestens im Bereich zwischen dem Stator (20) und dem Rotor (15), der Stator (20) und der Rotor (15) aus magnetisch leitendem Material besteht.2. Measuring device according to claim 1, characterized in that the axis ( 11 ) at least in the region between the stator ( 20 ) and the rotor ( 15 ), the stator ( 20 ) and the rotor ( 15 ) consists of magnetically conductive material. 3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Permanentmagnet (16) mit Hilfe eines Elements (17) aus magnetisch nicht leitendem Material an dem Rotor (15) befestigt ist und der Abstand (L1) der Dicke des Elements (17) entspricht.3. Measuring device according to claim 1 and / or 2, characterized in that the permanent magnet ( 16 ) with the aid of an element ( 17 ) made of magnetically non-conductive material on the rotor ( 15 ) and the distance (L1) of the thickness of the Elements ( 17 ) corresponds. 4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (20) aus mindestens zwei Teilen (26, 27) besteht, die durch mindestens einen magne­ tisch nicht leitenden Spalt (31, 32) getrennt sind und wobei sich in mindestens einem Spalt (31) mindestens ein magnet­ feldempfindliches Element (35) befindet.4. Measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the stator ( 20 ) consists of at least two parts ( 26 , 27 ) which are separated by at least one magnetically non-conductive gap ( 31 , 32 ) and wherein at least one magnetic field-sensitive element ( 35 ) is located in at least one gap ( 31 ). 5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil (26) des Stators (20) keine magnetisch leitende Verbindung mit dem Rotor (15) aufweist.5. Measuring device according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least a part ( 26 ) of the stator ( 20 ) has no magnetically conductive connection with the rotor ( 15 ). 6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein erster Spalt (32) zwischen den beiden Teilen (26, 27) des Stators (20) vorhan­ den ist, der den Magnetfluß des Permanentmagneten (16) be­ hindert und so steuert, daß er über mindestens einen der an­ deren Spalte (31) verläuft.6. Measuring device according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least a first gap ( 32 ) between the two parts ( 26 , 27 ) of the stator ( 20 ) is present, which prevents the magnetic flux of the permanent magnet ( 16 ) from being and controls it so that it runs over at least one of the other at the column ( 31 ). 7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Polarisierung des Per­ manentmagneten (16) senkrecht zum Rotor (15) bzw. zum Stator (20) verläuft.7. Measuring device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the magnetic polarization of the permanent magnet ( 16 ) perpendicular to the rotor ( 15 ) or to the stator ( 20 ).
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