DE3627976A1

DE3627976A1 - Anordnung zur erzeugung von steuersignalen

Info

Publication number: DE3627976A1
Application number: DE19863627976
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Johannes; Lutz Dipl Ing Lampe; Wolfgang Lampe; Uwe Dipl Phys Loreit; Gottfried Dipl Ing Neumaerker; Peter Dipl Phys Dr Pertsch
Original assignee: HERMSDORF KERAMIK VEB; Keramische Werke Hermsdorf VEB
Current assignee: Tridelta GmbH
Priority date: 1985-09-27
Filing date: 1986-08-18
Publication date: 1987-04-09
Also published as: DD257178A3; JPS6275313A; US4791365A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Steuersignalen mit Hilfe eines Magneten, eines im zugehörigen Magnetfeld angeordneten magnetempfindlichen Sensors und das Magnetfeld beeinflussende Mittel, wobei Magnet und Sensor einerseits und ein Teil der das Magnetfeld beeinflussenden Mittel andererseits relativ zueinander bewegbar sind und ein magnetischer Rückschluß besteht. Die Erfindung kann zur Längen- und Winkelmessung bzw. -steuerung verwendet werden; sie ist besonders vorteilhaft zur Steuerung des Zündzeitpunktes in Explosionsmotoren benutzbar.

Es sind bereits Positioniereinrichtungen bekannt, bei denen ein durch Positionswechsel in seiner Flußdichte sich veränderndes Magnetfeld in einem Sensor ein der Flußdichte proportionales elektrisches Signal erzeugt, das die Ermittlung der Lage eines zu positionierenden Teiles ermöglicht. Diese Positioniereinrichtungen erlauben sowohl eine lineare als auch eine zirkulare Lagebestimmung. Insbesondere ist es bei Brennkraftmaschinen bekannt, einen Blendenring zwischen den Polen eines Magneten zur alternierenden Veränderung der Flußdichte hindurchzuführenden oder einen über seinen Umfang abwechselnd entgegengesetzt gepolten Magnetring mit einem Hallsensor zur Erzeugung der Signale für den Zündzeitpunkt jedes Zylinders zusammenwirken zu lassen. Bei den bekannten Einrichtungen wirken sich äußere Magnetfelder, Temperaturänderungen, Fertigungs- und Magnetfehler genauigkeitsmindernd aus. Außerdem muß der Blendenring aus einem speziellen Material mit hoher Permeabilität hergestellt sein. Das Magnetfeld schwankt nur zwischen einem Maximalwert und einem gleichgerichteten Minimalwert, was besondere Anforderungen an die Stärke des Magneten stellt. Bei den mit Hallsensoren und Magnetringen ausgestatteten Signalgeneratoren können die Steuerungen der Schaltschwellen der Hallsensoren, die Toleranzen im Abstand zwischen Magnetring und Hallsensor, die Steuerungen des Magnetringes auf Grund seiner Herstellung und Lagerungsfehler der Nockenwelle nicht oder nur durch spezielle Vorkehrungen ausreichend berücksichtigt werden.

Durch die Erfindung sollen die aufgezeigten Nachteile behoben und eine Anordnung zur Erzeugung von Steuersignalen geschaffen werden, die eine höhere Empfindlichkeit mit einer Materialeinsparung, einer Temperaturempfindlichkeit über einen großen Bereich und einer Verringerung der Abhängigkeit von äußeren Einflüssen verbindet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch die neue Anwendung eines speziellen Sensortyps und die neuartige Gestaltung des magnetischen Rückschlusses die ökonomischen und funktionellen Vorteile zu erzielen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Sensor als magnetoresistiver Schaltkreis ausgebildet ist, daß als den Magnetfluß beeinflussende Mittel mindestens drei Magnetflußkonzentratoren vorgesehen sind, von denen ein Magnetflußkonzentrator dem Sensor fest zugeordnet und mit dem Sensor im wesentlichen auf einer Geraden angeordnet ist, die vorzugsweise rechtwinklig auf der Bewegungsrichtung steht, und von denen die beiden anderen Magnetflußkonzentratoren parallel gegeneinander versetzt zu beiden Seiten einer ersten Ebene angeordnet sind, die durch die Richtung der Relativbewegung und die Gerade bestimmt ist, daß die einander zugekehrten Kanten der beiden anderen Magnetflußkonzentratoren zumindest angenäherst in einer zweiten Ebene liegen, die rechtwinklig zur ersten Ebene steht, und im wesentlichen symmetrisch zur ersten Ebene angeordnet sind und daß beim Zusammenwirken des einen Magnetflußkonzentrators mit jeweils nur einem der beiden anderen Magnetflußkonzentratoren der Sensor in seinem Sättigungsbereich betrieben wird.

Der Schaltkreis kann sowohl als Brückenschaltung mit vier veränderbaren Widerständen als auch als Halbbrücke mit einer zusätzlichen Elektronik ausgebildet sein. Er kann auch weitere, der Signalverarbeitung und -auswertung dienende Bauelemente aufweisen. Die Verwendung der Magnetflußkonzentratoren und des magnetoresistiven Schaltkreises ermöglicht die Übersteuerung dieses Schaltkreises, seine Verwendung im Sättigungsbereich und damit die Ausschaltung des Einflusses von störenden Magnetfeldern. Für eine günstige Wirkungsweise der Anordnung ist es notwendig, daß die Gerade rechtwinklig zur Richtung der Relativbewegung steht und daß die beiden anderen Magnetflußkonzentratoren so angeordnet sind, daß die zwischen dem Sensor und jeweils einem der beiden anderen Magnetflußkonzentratoren verlaufenden Feldlinien beim Übergang von einem Magnetflußkonzentrator zum anderen eine Richtungsänderung von 90° erfahren. Damit ist auch gesagt, daß zum Zeitpunkt der Richtungsänderung beide andere Magnetflußkonzentratoren wirksam sind.

Vorteilhaft ist es, wenn der eine Magnetflußkonzentrator und der Sensor am Stator und die beiden anderen Magnetflußkonzentratoren am Rotor eines Zündverteilers angeordnet sind. In diesem Fall enthält die zweite Ebene die Drehachse des Zündverteilers, die einander zugekehrten Kanten befinden sich also vorzugsweise in einer Durchmesserebene.

Für die Konzentration des Magnetfeldes, das Betreiben des Sensors im Sättigungsbereich und die geeignete Dimensionierung des Magneten ist es vom Vorteil, wenn der eine Magnetflußkonzentrator in der Nähe des Sensors einer Spitze oder Kante aufweist. Dabei ist es auch möglich, daß der eine Magnetflußkonzentrator ein Polschuh des Magneten ist oder daß die beiden anderen Magnetflußkonzentratoren ein geeignet ausgebildeter und angeordneter Polschuh des Magneten sind. Der magnetische Rückschluß verbindet magnetisch den vom Sensor abgewandten Magnetpol mit den beiden anderen Magnetflußkonzentratoren, wobei zur Gewährleistung der Relativbewegung im magnetischen Rückschluß ein enger Luftspalt vorgesehen ist. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn die beiden anderen Magnetflußkonzentratoren einen offenen Winkel miteinander bilden, in dessen Öffnung oder in der Nähe von dessen Öffnung der Sensor angeordnet ist. Eine andere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich durchaus aus, daß die beiden anderen Magnetflußkonzentratoren als Schenkel eines U-förmigen Bauteils angeordnet sind und der Sensor in oder in der Nähe der Öffnung des U-förmigen Bauteils angeordnet ist, so daß sich eine Richtungsänderung des konzentrierten Magnetflusses von vorzugsweise 90°C beim Umschalten der Feldrichtung von einem der beiden Magnetflußkonzentratoren zum anderen ergibt. Anstelle der beiden anderen Magnetflußkonzentratoren könen auch mehrere Magnetflußkonzentratoren paarweise angeordnet sein, wobei die Magnetflußkonzentration jedes Paares eine ungleiche Ausdehnung parallel zur Bewegungsrichtung aufweisen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel im Aufriß,

Fig. 2 den Grundriß des ersten Ausführungsbeispiels, der an der Stelle A aufgerissen dargestellt ist,

Fig. 3 die Stelle A in vergrößerter Darstellung und

Fig. 4 den Aufriß eines zweiten Ausführungsbeispiels.

In den Fig. 1 bis 3 ist mit einer um eine Achse X ₁-X ₁ drehbaren Welle 1 eine Segmentscheibe 2 aus ferromagnetischem Material mit den gegeneinander und bezüglich der Achse X ₁-X ₁ versetzt angeordneten Magnetflußkonzentratoren 3 fest verbunden. Außerdem ist auf einem Flansch 4 der Welle 1 eine zur Segmentscheibe 2 parallele Trägerscheibe 5 aus nicht magnetisierbarem Material so gelagert und über ein Koppelglied 6 mit einem im übrigen nicht dargestellten feststehenden Geräteteil 7 justierbar so verbunden, daß sie an den Drehungen der Welle 1 nicht teilnimmt. Auf der Trägerscheibe 5 ist ein Permanentmagnet 8 mit der Polung N-S befestigt, der an seinen Polflächen Lappen 9, 10 aufweist, die beide an ihren freien Enden gekröpft sind und mit diesen Enden durch die Trägerscheibe 5 hindurchragen. Der Lappen 9 ist an seinen freien Enden keilförmig mit einer Kante 11 und damit als Magnetflußkonzentrator ausgebildet. Unmittelbar vor der Kante 11 ist ein magnetoresistiver Sensor (Schaltkreis) 12 angeordnet, der über einen Winkelarm 13 mit einer an der Trägerscheibe 5 befestigten Buchse 14 starr verbunden ist. Der Winkelarm 13 und die Buchse 14 bestehen ebenfalls aus nicht magnetisierbarem Material. Der Lappen 10 ragt mit seinem freien Ende so zwischen die Magnetflußkonzentratoren 3, daß zwischen seiner Abkröpfung 15 und der Segmentscheibe 2 ein enger, den magnetischen Rückschluß wenig beeinflussender Luftspalt 16 entsteht. Die Drehrichtung der Segmentscheibe 2 zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen den Magnetflußkonzentratoren 3 und dem Sensor 12 sowie dem als Magnetflußkonzentrator dienenden Lappen 9 ist in Fig. 2 durch einen Pfeil 17 angegeben.

Beim Drehen der Welle 1 mit der Segmentscheibe 2 in Richtung des Pfeils 17 bewegen sich die Magnetflußkonzentratoren 3 auf Bahnen, die an der Stelle des einen Magnetflußkonzentrators 9 und des Sensors 12 mit der Segmentscheibe 2 einen U-förmigen Querschnitt ergeben. Dabei liegen der eine Magnetflußkonzentrator 9 mit dem Sensor 12 im wesentlichen auf einer Geraden, die auf der Relativbewegung senkrecht steht. Bezüglich der durch die Gerade und die Relativbewegung bestimmten Tangentialebene sind benachbart liegende Kanten 18 zweier aufeinanderfolgender, auf der Segmentscheibe 2 befestigter Magnetflußkonzentratoren 3 symmetrisch angeordnet. Diese jeweils benachbart liegenden Kanten befinden sich in einer Durchmesserebene bezüglich der Segmentscheibe 2. Die Tangentialebene und die jeweilige Durchmesserebene sind als erste und zweite Ebene im Sinne dieser Beschreibung rechtwinklig zueinander gerichtet. Der magnetische Kreis geht im vorliegenden Fall vom N-Pol des Magneten 8 aus über die Lasche 9 mit dem keilförmigen freien Ende, das den Magnetfluß auf den Sensor 12 konzentriert, zum inneren bzw. äußeren der anderen Magnetflußkonzentration 3, über die Segmentscheibe 2, den Luftspalt 16 und die Lasche 10 zum S-Pol. Der magnetoresistive Schaltkreis 12 befindet sich infolge der starken Konzentration des Magnetflusses immer im Sättigungsbereich und spricht nur auf den Richtungswechsel des Magnetflusses an, der eintritt, wenn der Magnetfluß bei der Relativbewegung von einem äußeren zu einem inneren Magnetflußkonzentrator 3 oder umgekehrt springt. Der Magnetfluß ändert beim Richtungswechsel seine Richtung um etwa 90°, das heißt, bezüglich der Tangentialebene von +45° auf -45°.

In Fig. 4 ist eine Welle 19, mit der eine aus ferromagnetischem Material bestehende Segmentscheibe 20 starr verbunden ist, um eine Achse X ₂-X ₂ drehbar gelagert. Die Segmentscheibe 20 besitzt periphere Magnetflußkonzentratoren 21, 22, die abwechselnd nach oben und unten und symmetrisch aus der Ebene der Segmentscheibe 20 V-förmig herausgehoben sind. In der Öffnung des V ist ein magnetoresistiver Schaltkreis 23 angeordnet, der von den Magnetflußkonzentratoren 21, 22 bei Drehung der Segmentscheibe 20 abwechselnd gleich weit entfernt ist. Auf der Welle 19 ist außerdem eine unmagnetische Trägerscheibe 24 angeordnet, die über ein Koppelglied 25 mit einem festen Geräteteil 26 justierbar verbunden ist und dadurch von Drehungen der Welle 19 nicht beeinflußt wird. Die Trägerscheibe 24 trägt den Sensor 23 und getrennt davon einen Magnetring 27 mit einem Rückschluß 28, der gegenüber dem Sensor 23 in einer Spitze 29 endet und mit diesem spitzen Ende als Magnetflußkonzentrator dient. Der eine Magnetflußkonzentrator 29 und der Sensor 23 sind auf einer Geraden angeordnet, die rechtwinklig auf der Relativbewegung der Segmentscheibe 20 steht und bilden mit dieser eine erste Ebene, auf der die von benachbarten Kanten der aufeinander folgenden anderen Magnetflußkonzentratoren 21, 22 bestimmte zweite Ebene senkrecht steht.

Auch in diesem Fall bildet sich eine Magnetflußkonzentration heraus, die den Sensor 23 im Sättigungsbereich liegen läßt. Beim Drehen der Welle 19 mit der Segmentscheibe 20 tritt durch unterschiedliche Richtung der Magnetflußkonzentratoren 21, 22 beim Wechsel von einem Magnetflußkonzentrator zum anderen ein Richtungswechsel des Magnetflusses ein, den der Sensor 23 in ein elektrisches Signal umformt, da mit Hilfe nicht dargestellter Mittel weiterverarbeitet werden kann und als Steuersignal dient.

In den Ausführungsbeispielen haben die beiden anderen Magnetflußkonzentratoren unterschiedliche Längen. Es ist auch möglich, sie gleichlang zu gestalten und linear anzuordnen.

Claims

1. Anordnung zur Erzeugung von Steuersignalen mit Hilfe eines Magneten, eines Sensors und von den Magnetfluß beeinflussenden Mitteln, wobei Magnet und Sensor einerseits und ein Teil der den Magnetfluß beeinflussenden Mittel andererseits relativ zueinander bewegbar sind und ein magnetischer Rückschluß besteht, gekennzeichnet dadurch, daß der Sensor als magnetoresistiver Schaltkreis ausgebildet ist, daß als den Magnetfluß beeinflussende Mittel mindestens drei Magnetflußkonzentratoren vorgesehen sind, von denen einer dem Sensor fest zugeordnet und mit diesem im wesentlichen auf einer Geraden angeordnet ist, die vorzugsweise rechtwinklig auf der Bewegungsrichtung steht, und von denen die beiden anderen Magnetflußkonzentratoren parallel gegeneinander versetzt zu beiden Seiten einer ersten Ebene angeordnet sind, die durch die Richtung der Relativbewegung und die Gerade bestimmt ist, daß die einander zugekehrten Kanten der beiden anderen Magnetflußkonzentratoren zumindest angenähert in einer zweiten Ebene liegen, die rechtwinklig zur ersten Ebene steht, und im wesentlichen symmetrisch zur ersten Ebene angeordnet sind und daß beim Zusammenwirken des einen Magnetflußkonzentrators mit jeweils nur einem der beiden anderen Magnetflußkonzentratoren der Sensor im Sättigungsbereich betrieben wird.

2. Anordnung gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der eine Magnetflußkonzentrator und der Sensor am Stator und die beiden anderen Magnetflußkonzentratoren am Rotor eines Zündverteilers angebracht sind.

3. Anordnung gemäß Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß der eine Magnetflußkonzentrator in der Nähe des Sensors eine Spitze oder Kante aufweist.

4. Anordnung gemäß Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die beiden anderen Magnetflußkonzentratoren einen offenen Winkel miteinander bilden, in oder nahe dessen Öffnung der Sensor angeordnet ist.

5. Anordnung gemäß Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die beiden anderen Magnetflußkonzentratoren als Schenkel eines U-förmigen Bauteile ausgebildet sind und der Sensor in oder nahe der Öffnung des U-förmigen Bauteils angeordnet ist.