DE4030229A1 - Winkelgeber - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Winkelgeber nach der Gattung des
Hauptanspruchs. Derartige Winkelgeber sind grundsätzlich bekannt,
wobei die Winkelmessung auf optischem, induktivem oder kapazitivem
Weg erfolgen kann. Weiterhin sind magnetische Kupplungen im Ma
schinenbau bekannt, z. B. für den Einsatz in Pumpen für die Ver
fahrenstechnik.
Der erfindungsgemäße Winkelgeber mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Hauptanspruches hat den Vorteil, daß eine hermetische Kapselung
möglich wird, welche Schutz vor den hohen Belastungen und Störungen
bietet, denen derartige Geber, insbesondere im Betrieb im Kraftfahr
zeug, ausgesetzt sein können. Die Betriebssicherheit wird demzufolge
wesentlich erhöht, ohne daß die Genauigkeit des Gebers beeinträch
tigt ist, da durch den Magnetkreis bei geeigneter Dimensionierung
praktisch keine Meßfehler entstehen. Die unten erörterten und darge
stellten konstruktiven Maßnahmen erlauben eine Optimierung des dyna
mischen Verhaltens.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Winkelgebers möglich. Besonders vorteilhaft ist dabei
die vielseitige Möglichkeit der konstruktiven Gestaltung bei gleich
zeitiger gasdichter Kapselung der störempfindlichen Meßeinrichtung.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Winkelgeber,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel mit radial ausgerichteten Magneten,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit axial
ausgerichteten Magneten und
Fig. 4 den Verlauf des Rückstellmomen
tes der Magnetkupplung in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel zwischen
den beiden Kupplungsteilen.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen nach dem optischen Meßprin
zip arbeitenden, berührungslosen Winkelgeber, insbesondere für die
Anwendung in Kraftfahrzeugen. Dieser besitzt ein von einer nicht
dargestellten, drehbeweglichen, zu überwachenden Anordnung mitge
führtes Teil 10, welches über eine Welle 11 drehbeweglich angetrie
ben wird. Die Meßeinrichtung insgesamt ist mit 12 bezeichnet, sie
erfaßt einen Verdrehwinkel 13 der zu überwachenden Anordnung.
Die Meßeinrichtung 12 enthält eine Kodierscheibe 14 sowie eine opti
sche Abtasteinrichtung 16, in der benachbart zur Kodierscheibe 14
ein Lichtleiterbündel 18 hermetisch dicht gehalten ist. Der Halter
26 sitzt gasdicht in einer metallischen Abdeckplatte 19, welche mit
einem ebenfalls metalischen Gehäuse 20 gasdicht verlötet ist. Ab
deckplatte und Gehäuse bestehen vorzugsweise aus Messing.
An dem mitgeführtne Teil 10 sind durch die zu überwachende Anordnung
angetriebene Magnete 22 befestigt, denen im Inneren des gasdichten
Gehäuses 20 mitgenommene Magnete 24 gegenüberstehen. Die Magnete 24
sitzen auf einer Verlängerung 15 der Kodierscheibe 14, welche
koaxial zur Welle 11 in einer Lagerung 28 gehalten ist, die im we
sentlichen aus einer Bohrung in einem Gehäusefortsatz 30 und einem
Zapfen 32 in der Verlängerung 15 besteht.
Beim Einsatz von berührungslosen Winkelsensoren im Kraftfahrzeug be
steht die Gefahr der Verschmutzung, z. B. durch Staub, oder die Kon
densation von Öldämpfen oder Feuchtigkeit. Der Schutz der Winkelsen
soren vor diesen Umwelteinflüssen bereitet große Schwierigkeiten, da
bereits geringste Verschmutzungen oder Niederschläge das Meßergebnis
erheblich verfälschen können. Die Verwendung einer magnetischen
Kupplung zwischen dem angetriebenen Teil und dem Meßteil des Gebers
gestattet es, zumindest die störempfindlichen Teile hermetisch zu
kapseln. Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich dabei insbeson
dere, aber nicht ausschließlich für berührungslose Winkelgeber, da
bei diesen Verunreinigungen und Niederschläge, beispielsweise bei
der optischen oder kapazitiven Abtastung, erhebliche Verfälschungen
des Meßergebnisses verursachen. Die magnetische Kupplung gewähr
leistet einen störungfreien Betrieb des Gebers über lange Laufzeiten
unter den im Kraftfahrzeug vorhandenen harten Betriebsbedingungen.
Grundsätzlich kommen zwei Magnetanordnungen in Frage. Bei der in
Fig. 2 dargestellten radialen Anordnung verläuft der magnetische
Fluß entsprechend der gestrichelten Linie 17. Diese Ausführung hat
den Vorteil, daß auf das mitgeführte Kupplungsteil 10 keine Kräfte
in axialer Richtung einwirken, welche zusätzliche Maßnahmen und hohe
Fertigungspräzision
zur Vermeidung von Fehlern bedingen. Die axiale, in Fig. 3 darge
stellte Bauweise hat dagegen den Vorteil, daß sie eine sehr flache,
kompakte Bauweise des Winkelgebers ermöglicht. Durch die magnetische
Kupplung zwischen dem mitgeführten Teil 10 und der Kodierscheibe 14
als Meßwertgeber wird eine betriebssichere und langlebige Gestaltung
des Winkelgebers gesichert bei hervorragender Meßgenauigkeit. Außer
dem ist eine vorteilhafte Anpassung des dynamischen Verhaltens des
Gesamtsystems an die Bedingungen des Betriebs im Kraftfahrzeug mög
lich.
Bei den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Anordnungen ist eine
Kodierscheibe 14 vorgesehen, auf die ein digitaler Kode als Muster
aufgebracht ist. Dieser wird über ein Lichtleiterbündel 18 abgeta
stet. Die Kodierscheibe 14 bildet mit dem mitgeführten Teil 10 des
Winkelgebers eine Einheit, wobei die antreibende Kupplungsseite mit
den Magneten 22 bzw. 22′ fest mit der zu überwachenden Anordnung,
z. B. der Drosselklappe im Kraftfahrzeug, verbunden ist, deren Win
kellage erfaßt werden soll. Der Faserhalter 26 ist gasdicht in die
Abdeckplatte 19 eingebaut, die ihrerseits durch eine Lötverbindung
mit dem Gehäuse 20 den Innenraum des Winkelgebers mit der Kodier
scheibe 14 gasdicht gegen die Atmosphäre abschließt.
Die Magnetanordnung ist so gewählt, daß eine eindeutige Zuordnung
des mitgeführten und des antreibenden Teils besteht, d. h., daß bei
radialer Anordnung der Magnete gemäß Fig. 2 in einer Schnittebene
jeweils nur ein Polpaar von Magneten vorhanden ist. Bei der axialen
Magnetanordnung gemäß Fig. 3 befindet sich auf jedem Radius nur ein
Polpaar. Das magnetische Rückstellmoment ist durch Dimensionierung
und Anordnung der Magnete 22, 24; 22′, 24′ so gewählt, daß es bis
auf physikalisch nicht vermeidbare, sehr kleine Bereiche in der Nähe
der beiden Gleichgewichtslagen, stets größer ist als das durch die
Reibkräfte entstehende Moment, und daß die Rückkehr in die Nullage
nach jeder Auslenkung mit Sicherheit erfolgt.
In Fig. 4 ist der Verlauf des Rückstellmoments M in Abhängigkeit
vom Verdrehwinkel ϕ zwischen den beiden Kupplungsteilen für zwei
verschiedene Auslegungen dargestellt. Das zur Überwindung der festen
Reibung erforderliche Rückstellmoment 6 ist zur Verdeutlichung ge
genüber den realen Gegebenheiten überhöht. Bei Auslegung gemäß Kurve
1, welche für verbreiterte, geringerwertige Magnete und vergrößerten
Luftspalt gilt, ist die Rückkehr zur Nullage stets gesichert. Bei der
Ausbildung der magnetischen Kupplung gemäß Kurve 2, welche für
schmale Magnete aus hochwertigem Magnetmaterial und geringe Luft
spaltbreite gilt, würde zwischen ca. 30° und 150° sowie zwischen
210° und 330° die Anordnung von der Reibkraft am Rückdrehen in die
Nullage gehindert.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann die Lager- und Luftreibung
so klein gehalten werden, daß der bei konstanter Winkelgeschwindig
keit auftretende dynamische Fehler durch verzögertes Nachfolgen
sowie der reibungsbedingte statische Hysteresefehler im Rahmen des
zulässigen Meßfehlers (z. B. < 1%) bleibt. Der elektrische Wider
stand des Materials der Trennwand zwischen den Magneten 22, 24 bzw.
22′, 24′ ist durch Auswahl eines geeigneten Werkstoffes sowie durch
entsprechende Auslegung der Wandstärke so eingestellt, daß optimale
Dämpfungswerte durch Wirbelströme entstehen. Auf diese Weise wird
ein unzulässiges Überschwingen bei starken Geschwindigkeitsänderun
gen ausgeschlossen.
Claims (12)
1. Winkelgeber, vorzugsweise berührungsloser Winkelgeber, insbeson
dere für Kraftfahrzeuge, mit einem von der zu überwachenden Anord
nung mitgeführten Teil und mit einer Meßeinrichtung zur Bestimmung
des Verdrehwinkels, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung
(12, 14, 16) hermetisch gekapselt ist und daß zwischen dem mitge
führten Teil (10) und der Meßeinrichtung (12, 14, 16) eine magneti
sche Kupplung (22, 24) eingefügt ist.
2. Winkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
magnetische Kupplung wenigstens ein Paar radial ausgerichtete
Magnete (22, 24) aufweist.
3. Winkelgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer
Schnittebene der magnetischen Kupplung (22, 24) jeweils nur ein
Polpaar vorhanden ist.
4. Winkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
magnetische Kupplung wenigstens ein Paar axial ausgerichteter
Magnete (22′, 24′) aufweist.
5. Winkelgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf
jedem Radius der magnetischen Kupplung (22′, 24′) jeweils nur ein
Polpaar angeordnet ist.
6. Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die mitgenommenen Magnete (24, 24′) und die
Meßeinrichtung (12, 14, 16) in einem nichtmagnetischen, metallischen
Gehäuse (20) sitzen.
7. Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (12, 14, 16) als optische
Meßeinrichtung ausgebildet ist und daß eine Kodierscheibe (14)
innerhalb eines hermetisch dicht verschlossenen Gehäuses (20) dreh
bar gelagert ist, in dessen Wandung (19, 20) ein Halter (26) für ein
Lichtleiterbündel (18) gasdicht eingesetzt ist.
8. Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die mitgenommene Magnetanordnung (24, 24′) und
der bewegliche Teil (14) der Meßeinrichtung (12, 14, 16) eine Bau
einheit bilden.
9. Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die angetriebene Magnetanordnung (22, 22′) fest
mit der zu überwachenden Anordnung (10) verbunden ist, deren Winkel
lage (13, ϕ) erfaßt werden soll.
10. Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der feststehende Teil (16, 26) der Meßeinrich
tung (12, 14, 16) in eine unmagnetische, metallische Abdeckplatte
(19) des Gehäuses (20), insbesondere eines Messinggehäuses, einge
lötet ist.
11. Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Rückstellmoment (M) der magnetischen Kupp
lung (22, 24) im wesentlichen über dem gesamten Verdrehbereich (ϕ)
der Meßeinrichtung (12, 14, 16) größer ist als das durch Reibkräfte
entstehende Moment (6).
12. Winkelgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Drehbewegung der Meßeinrichtung (12, 14, 16)
gedämpft ist durch geeignete Bemessung und Gestaltung des metalli
schen Gehäuses (20), insbesondere im Bereich zwischen den Magneten
(22, 24), sowie durch Bemessung und Gestaltung der Magnete.
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