DE2856416C2

DE2856416C2 - Induktiver Winkelsegmentgeber

Info

Publication number: DE2856416C2
Application number: DE19782856416
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Hauler; Erich Dr.-Ing. Zabler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-12-28
Filing date: 1978-12-28
Publication date: 1987-01-08
Also published as: DE2856416A1

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Winkelsegmentgeber zur Erfassung der Drehzahl und/oder des Drehwinkels einer Welle, insbesondere der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, der eine aus ferromagnetischem Werkstoff bestehende, mit der Welle gekoppelte Geberscheibe hat, die mehrere in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Segmente aufweist, und einen im Drehbereich der Segmente diesen mit geringem Abstand gegenüberstehenden, ortsfesten Magnetkreis hat, der mindestens eine auf einem E-förmig ausgebildeten Eisenkern sitzende Induktionsspule und einen Dauermagneten enthält.
Für die elektronische Zündung einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine (Ottomotor) wird als Steuergröße die momentane Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle (KW) benötigt. Hierzu sind bereits induktive Winkelsegmentgeber der eingangs beschriebenen Art bekannt.
Aus der US-PS 35 64 313 ist ein induktiver Segmentgeber bekannt. Dort wird ein E-förmiger Eisenkern, auf dem eine Induktionsspule und ein Dauermagnet sitzen, zur induktiven Erfassung der Drehgeschwindigkeit einer Welle herangezogen. Dieser Segmentgeber ist zwar relativ unabhängig von Einbautoleranzen, liefert aber beim Passieren einer jeden Segmentkante lediglich einen unipolaren, einfachen Impuls, der erst durch nachträgliche Differentiation, was zusätzliche Fehlerquellen mit sich bringt, verarbeitet werden kann. Es ist nicht möglich, Anfang und Ende eines jedes Segmentes zu erkennen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Winkelsegmentgeber so auszubilden, daß die Segmentgrenzen elektronisch leicht ausgewertet und kenntlich gemacht werden können, ohne daß es hierzu aufwendiger Schalteinrichtungen bedarf.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale vorgeschlagen. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 die Geberscheibe eines erfindungsgemäßen Winkelsegmentgebers in raumbildlicher Darstellung zusammen mit dem einen E-förmigen Magnetkern aufweisenden, induktiven Sensor in perspektivischer Darstellung und
Fig. 2 in axialer Draufsicht,
Fig. 3 in ebenfalls räumlicher Darstellung, jedoch wesentlich größerem Maßstab den Magnetkreis des Sensors,
Fig. 4 in schematischer Darstellung drei verschiedene Relativstellungen zwischen einem Gebersegment und den beiden E-förmigen Kernstücken des Sensors sowie
Fig. 5 ein Zeitschaubild für den Verlauf des magnetischen Flusses in den Kernteilstücken sowie für die in der Spule des Sensors induzierten Spannungen.
Der dargestellte induktive Winkelsegmentgeber dient zur Erfassung der Drehzahl und/oder des Drehwinkels der in den Fig. 1 und 2 bei 1 angedeuteten Kurbelwelle einer im übrigen nicht wiedergegebenen Brennkraftmaschine und umfaßt eine aus ferromagnetischem Werkstoff hergestellte, mit dieser Welle gekuppelte Geberscheibe 2, die an einer ihrer Stirnseiten mäanderförmig gefräste Segmente 3, 4 und 5 aufweist, die sich über einen Drehwinkel von 60° erstrecken und sich in der durch einen Pfeil 6 angedeuteten Drehrichtung der Geberscheibe mit segmentförmigen Bereichen 7, 8, 9 abwechseln, welche gegenüber den vorstehenden Segmenten 2, 3 und 4 Lücken bilden und daher einen hohen magnetischen Widerstand ergeben, wenn diese Lücken gegenüber einem feststehenden Sensor 10 vorbeilaufen.
Wie Fig. 3 im einzelnen näher erkennen läßt, besteht der Sensor 10 aus zwei parallel zueinander angeordneten, weichmagnetischen, E-förmigen Eisenkernen 11 und 12, welche durch eine unmagnetische Schicht 13 voneinander getrennt sind. Die beiden Mittelschenkel 14 und 15 der beiden Kernstücke 11 und 12 sind von einer gemeinsamen Induktionswicklung 16 umfaßt. Nach Fig. 3 sind an die freien Außenschenkel 17, 18 des Kernstücks 11 und 19, 20 des Kernstücks 12 zwei Dauermagnete 21 und 22 so angesetzt, daß sie sich in Längsrichtung zu diesen Außenschenkel parallel erstrecken und diesen jeweils mit einem ihrer beiden Nord-(N)- und Süd-(S)-Pole mit geringem magnetischen Widerstand gegenüberstehen. Diese Dauermagnete treiben einen magnetischen Fluß quer durch die Schenkel des E-Kerns und zwar beim Kernstück 11 in entgegengesetzter Richtung wie beim Kernstück 12.
Wenn die Geberscheibe mit einem ihrer als Lücken wirkenden, ausgefrästen Bereiche, in der Darstellung nach Fig. 3 mit dem Bereich 7 über den beiden Kernstücken 11 und 12 steht und diese daher magnetisch offen sind, so ergibt sich in der aus der obersten Reihe in Fig. 4 wiedergegebenen Zuordnung in den beiden Mittelschenkeln 14 und 15 jeweils ein magnetischer Fluß vom Betrag Φ&sub0;. Da dieser jedoch im Schenkel 14 entgegengesetzt ist wie im Schenkel 15, ist der resultierende, die Wicklung 16 durchsetzende Fluß Φ=Φ&sub1;+Φ&sub2;=Null.
Wenn sich die Geberscheibe 2 weiterdreht und im Zeitpunkt t=t 2 das linke Kernstück 11 überdeckt und diesem mit geringem Luftspalt gegenübersteht, so verschwindet der den Mittelschenkel 14 durchsetzende Fluß Φ&sub1;. Die Wicklung 16 wird dann nur von dem resultierenden Fluß Φ=Φ&sub2;=+Φ&sub0; durchsetzt. Beim Weiterdrehen der Scheibe erreicht das Segment 3 schließlich die in Fig. 4 für den Zeitpunkt t=t 3 wiedergegebene Stellung, in welchem das Segment 3 sowohl dem Kernstück 11 als auch dem Kernstück 12 gegenübersteht. In dieser Stellung wird auch der den Mittelschenkel 15 durchsetzende Fluß Φ&sub2; Null und somit auch der resultierende Gesamtfluß Φ in der Spule 16 ebenfalls Null. Diesem Vorgang mit den sich in Abhängigkeit von der Zeit t ändernden Werten des Flusses Φ ist in Fig. 5 im oberen Schaubild dargestellt.
Beim Weiterdrehen der Geberscheibe 2 spielt sich der umgekehrte Vorgang ab, wobei das Segment 7 zunächst das Kernstück 11 verläßt und dadurch dessen Magnetkreis öffnet, so daß der resultierende Gesamtfluß in der Spule den Wert -Φ&sub0; annimmt und schließlich wieder auf Null zurückgeht, wenn das Segment 7 vollständig über das rechte Kernstück 12 hinweggelaufen ist und das Kernstück 12 sich dann in seinem magnetisch offenen Zustand befindet (t=t&sub6;).
Wie sich aus dem in Fig. 5 dargestellten Spannungsverlauf U(t)= @O:d&udf57;°KF&udf56;°k:d°Kt°k&udf54; zu ersehen ist, läßt sich durch den gegensinnigen zeitlichen Verlauf beim Wechsel der erhabenen Segmentstücke gegenüber den als Lücken wirkenden Bereichen eindeutig von einem umgekehrten Wechsel unterscheiden und damit Anfang und Ende eines der Segmente 3, 4 oder 5 erkennen. Als elektronisch leicht auswertbare Segmentgrenzen werden zweckmäßig die Null-Durchgänge der Induktionsspannung U= @O:d&udf57;°KF&udf56;°k:d°Kt°k&udf54; zu den Zeiten t 2 und t 5 herangezogen. Die Auswertung benötigt keine komplizierten elektrischen Schalteinrichtungen, es genügt vielmehr beispielsweise ein einfacher Schmitt-Trigger.
Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Winkelsegmentgebers besteht darin, daß als Geberscheibe eine bereits in einer Brennkraftmaschine vorhandene, magnetisch passive Eisenscheibe wie beispielsweise das Schwungrad oder der Schwingungsdämpfer verwendet werden kann und diese Eisenscheibe lediglich segmentförmige Einfräsungen benötigt.
Die dargestellte und oben beschriebene Ausführungsform kann auch in der Weise abgewandelt werden, daß zwei U-förmige Kerne jeweils zu einem der beiden E-förmigen Kernstücke zusammengesetzt werden. Außerdem ist es möglich, zwei getrennte Spulen auf den Schenkeln 14 und 15 anzuordnen und diese Spulen hintereinander zu schalten, wobei es weiterhin möglich ist, diese Spulen und die in ihnen induzierten Spannungen einzeln auszuwerten.
Die Permanentmagnete können auch zwischen den beiden Außenschenkeln 17, 19 bzw. 18, 20 so angeordnet werden, daß sie mit ihren Polflächen unmittelbar an den Außenschenkeln anliegen. Statt der in der Zeichnung vorgesehenen axialen Magnetisierung kommt auch eine laterale Magnetisierung derart in Betracht, daß die Magnetpole an der gleichen Langseite der Dauermagnete erscheinen, an der die Magnete auf die freien Schmalseiten der Außenschenkel angelegt sind. Weiterhin ist es möglich, die nichtmagnetische Schicht zwischen den beiden Kernstücken 11 und 12 im Bereich der Mittelschenkel 14, 15 durch ferromagnetische Plättchen zu ersetzen, was zu einer Verstärkung des magnetischen Flusses führt.

Claims

1. Induktiver Winkelsegmentgeber zur Erfassung der Drehzahl und/oder des Drehwinkels einer Welle, insbesondere der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, der eine aus ferromagnetischem Werkstoff bestehende, mit der Welle gekoppelte Geberscheibe, die mehrere in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Segmente aufweist, und einen im Drehbereich der Segmente diesen mit geringem Abstand gegenüberstehenden ortsfesten Magnetkreis hat, der mindestens eine auf einem E-förmig ausgebildeten Eisenkern sitzende Induktionsspule und einen Dauermagneten enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus zwei magnetisch gegeneinander isolierten und in der Drehrichtung der Segmente (3, 4, 5) in gegenseitigem Abstand hintereinander angeordneten E-förmigen Kernstücken (11, 12) besteht, wobei die in Umlaufrichtung (6) gemessene Breite der Segmente so groß gewählt ist, daß die Segmente beim Vorbeilaufen an den Stirnflächen der Kernschenkel (14, 15, 17 bis 20) jeweils zwei zu den verschiedenen Kernstücken gehörende Stirnflächen dieser Schenkel miteinander magnetisch verbinden.

2. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente und die sich mit diesen in Umlaufrichtung abwechselnden Bereiche (7, 8, 9) an einer der beiden Stirnseiten der Geberscheibe (2) angeordnet sind.

3. Geber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kernstücke (11, 12) mit ihrem die Außenschenkel (17 bis 20) mit dem Mittelschenkel (14 bzw. 15) verbindenden Jochstück radial gegen die Welle gerichtet sind.

4. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernstücke aus U-förmigen Teilen zusammengesetzt sind, wobei jeweils zwei aneinanderstoßende Schenkel dieser Teile in die gemeinsame Wicklung (16) hineinragen.

5. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem der beiden Mittelschenkel (14, 15) eine von zwei in sich geschlossenen Wicklungen angeordnet ist, die elektrisch hintereinander geschaltet sind.