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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor mit einem Messsystem
zur Ermittlung der Position oder Bewegung eines ersten Motorteils,
der in Bezug auf einen zweiten Motorteil bewegbar ist, wobei der
zweite Motorteil eine Anzahl von Magnetfeldsensoreinrichtungen aufweist,
die entlang der Bewegungsrichtung voneinander beabstandet sind.
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Bei
den Elektromotoren kann es sich um lineare oder rotatorische Motoren
handeln.
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Bekannten
Messsystemen ist gemeinsam, dass diskrete Positionsindikatoren in
der Bewegungsrichtung, in der die Position zu bestimmen ist, gleichmäßig beabstandet
angeordnet sind und durch einen einzelnen Lesekopf abgelesen werden.
Durch geeignete Auswertung des Ablesesignals, beispielsweise durch
eine inkrementelle Logik, kann bei einer Bewegung die Position bestimmt
werden. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung ist dabei durch den
gegenseitigen Abstand der Positionsindikatoren bestimmt.
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Wegen
der räumlichen
Ausdehnung der Positionsindikatoren in Bewegungsrichtung können diese
Abstände
jedoch nicht beliebig vermindert werden, und ferner erhöht sich
der Fertigungsaufwand für
Messsysteme mit miniaturisierten Abständen.
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In
der Druckschrift
DE 10 2005
017 497.3 ist ein Synchronlinearmotor vorgestellt, dessen
Sekundärteil
permanentmagnetfrei ist. Der Primärteil trägt sowohl Elektromagnete als
auch Permanentmagnete. Dadurch können
insbesondere bei langen Verfahrwegen zahlreiche Permanentmagnete
eingespart werden, die üblicherweise
am Sekundärteil
befestigt sind.
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Weiterhin
ist in der Druckschrift
DE
10 2006 016 503.0 eine Gebervorrichtung für eine elektrische Maschine,
die eine mit Polzähnen
versehende Maschinenkomponente aufweist, um eine Position oder eine
Bewegung relativ zu der Maschinenkomponente zu erfassen, beschrieben.
Die Gebervorrichtung weist ein U-förmiges Joch bzw. einen entsprechenden
Jochabschnitt und einen Sensor auf, der zur Erfassung einer magnetischen
Größe in/an
dem Jochabschnitt angeordnet ist. An einem freien Ende des Jochabschnitts
sind zwei entgegengesetzt gerichtete oder richtbare Magnete angeordnet,
um abhängig von
der Position der Magnete gegenüber
einem der Polzähne
der Maschinenkomponente entgegengesetzt gerichtete, von dem Sensor
detektierbare, magnetische Flüsse
in dem Jochabschnitt zu erzeugen. Dabei wird unter dem Begriff "Jochabschnitt" auch ein gesamtes
Joch einschließlich
Polzähnen
verstanden.
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Es
wird somit erreicht, dass sich innerhalb des Jochs bzw. Jochabschnitts
beim Verfahren der Gebervorrichtung gegenüber der Maschinenkomponente
die Richtung des magnetischen Flusses im Joch ändert. Daher kann ein Signal
mit Nulldurchgang gewonnen werden, woraus sich die Position präziser bestimmen
lässt.
Ein gegebenenfalls gewonnenes Sinus-Kosinus-Signalpaar eignet sich
außerdem
für eine übliche Sinus/Kosinus-Geberauswertung.
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In
diesem Dokument ist auch eine Gebervorrichtung beschrieben, die
einen U-förmigen
Jochabschnitt, einen in oder an dem Jochabschnitt angeordneten Magneten
zum Erzeugen eines magnetischen Flusses in dem Jochabschnitt und
einen Sensor, der zur Erfassung einer magnetischen Größe in/an
dem Jochabschnitt angeordnet ist, aufweist. Der Sensor an einem
freien Ende des Jochabschnitts besitzt zwei Sensorelemente, die
beim gleichen magnetischen Fluss durch den Jochabschnitt unterschiedlich
gerichtete Spannungen abgeben, so dass abhängig von der Position der Sensorelemente
gegenüber
einem der Polzähne
der Maschinenkomponente entsprechend hohe und gerichtete Spannungen
an den Sensorelementen abgreifbar sind. Bei dieser Ausführungsform ändert sich
das Verhältnis
der magnetischen Flüsse
in den beiden Magnetspulen an einem der freien Enden des Jochs.
Wegen der unterschiedlich gerichteten Span nungen in den Sensorelementen
kann ein entsprechend präzises
Positionssignal gegebenenfalls mit Nulldurchgang gewonnen werden.
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Außerdem zeigt
diese Druckschrift eine Gebervorrichtung mit einem E-förmigen,
symmetrisch zur Bewegungsrichtung in zwei Jochteile geteilten Joch,
einem zwischen den beiden Jochteilen angeordneten Sensor und einem
an den Enden beider Jochteile angeordneten, gerichteten oder richtbaren Magneten.
Bei dieser Ausführung
geht in die Messung nur eine einzige Magnettoleranz ein.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor, der eine
magnetfreie Hauptantriebskomponente wie Stator oder Sekundarteil
besitzt, mit einem Messsystem zur Positionsbestimmung anzugeben,
bei dem bei gleichem Abstand der Positionsindikatoren die Messgenauigkeit
erhöht
ist, bzw. bei gegebener Messgenauigkeit größere Abstände zwischen den Positionsindikatoren
zugelassen werden können.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch einen Elektromotor mit einem Messsystem
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1; die abhängigen Ansprüche betreffen
vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß wird also
vorgeschlagen ein Elektromotor mit einem Messsystem zur Ermittlung
der Position oder Bewegung eines ersten Motorteils, der in Bezug
auf einen zweiten Motorteil bewegbar ist, wobei an dem ersten Motorteil
eine Anzahl von Magnetfeldsensoreinrichtungen des Messsystems befestigt
ist, die entlang der Bewegungsrichtung voneinander beabstandet sind,
wobei der zweite Motorteil magnetfreie Polzähne aufweist, die entlang der
Bewegungsrichtung voneinander beabstandet sind, jede der Magnetfeldsensoreinrichtungen
mindestens einen Magneten aufweist, dessen Magnetfeld durch einen
der Polzähne
zur Detektion mittels eines Sensors der Magnetfeldsensoreinrichtungen geleitet
wird, und der Abstand zwischen jeweils zwei der Magnetfeldsensoreinrichtungen
un terschiedlich zum Abstand zwischen jeweils zwei der Polzähne ist.
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Entsprechend
der Erfindung wird damit das Noniusprinzip eingesetzt. Wenn beispielsweise
der Abstand zwischen zwei Indikatoren (hier: Polzähne) Δ beträgt, ist
dadurch die Auflösung
eines konventionellen Messsystems gegeben. Um erfindungsgemäß eine Auflösung von
D = Δ/N
(N ganze Zahl) zu erzielen, werden N Rezeptoren (hier: Sensoren)
mit einem gegenseitigen Abstand δ eingesetzt,
wobei δ gegeben
ist durch δ = Δ – D.
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Wenn
somit in einer bestimmten Position einer der Rezeptoren einen Positionsindikator
erkennt, erfasst der in Bewegungsrichtung darauf folgende Rezeptor
nach einer Bewegung um die Strecke D den darauf folgenden nächsten Positionsindikator,
so dass insgesamt die Auflösung
auf D erhöht
ist.
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Grundsätzlich ist
es auch möglich,
die Abstände
zwischen den Rezeptoren größer als
die Abstände
zwischen den Indikatoren zu wählen,
wobei die Auflösung
D gegeben ist durch die Differenz der Abstände. Hieraus folgt auch, dass
das Verhältnis des
Abstandes der Indikatoren zum Abstand der Rezeptoren keine ganze
Zahl sein soll, da in diesem Fall nur die ursprüngliche Auflösung Δ erzielt
wird. Aus diesem Grund sollte auch das Verhältnis des Abstands der Magnetfeldsensoreinrichtungen
zum Abstand der Polzähne
keine ganze Zahl sein.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die Polzähne gleiche Abstände zueinander
aufweisen und ebenso die Magnetfeldsensoreinrichtungen gleiche Abstände zueinander
besitzen. Die Abstände
können
aber auch in einzelnen Verfahrabschnitten unterschiedlich sein.
Dadurch kann in gewünschten
Verfahrabschnitten eine hohe Auflösung und in anderen Verfahrabschnitten
eine weniger hohe Auflösung
gewonnen werden, wobei die Abstände
in den einzelnen Abschnitten untereinander gleich sind.
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Entsprechend
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Magnetfeldsensoreinrichtung einen U-förmigen Jochabschnitt auf, und
der Sensor ist in/an dem Jochabschnitt angeordnet, wobei an einem
freien Ende des Jochabschnitts zwei entgegengesetzt gerichtete oder
richtbare Magnete angeordnet sind, um abhängig von der Position der Magnete gegenüber einem
der Polzähne
des ersten Motorteils entgegengesetzt gerichtete, von dem Sensor
detektierbare, magnetische Flüsse
in dem Jochabschnitt zu erzeugen. Hierdurch ändert sich das Verhältnis der
magnetischen Flüsse
in den beiden Magnetspulen an einem der freien Enden des Jochs.
Wegen der unterschiedlich gerichteten Spannungen in den Sensorelementen
kann, wie erwähnt,
ein entsprechend präzises
Positionssignal gegebenenfalls mit Nulldurchgang gewonnen werden.
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Vorzugsweise
sind an beiden freien Enden des U-förmigen Jochabschnitts jeweils
zwei entgegengesetzt gerichtete oder richtbare Magnete angeordnet.
Damit ist der magnetische Fluss im Joch entsprechend verstärkt.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Elektromotors
besteht darin, dass die Magnetfeldsensoreinrichtung einen U-förmigen Jochabschnitt
aufweist, der Magnet in oder an dem Jochabschnitt angeordnet ist
und der Sensor ebenfalls in/an dem Jochabschnitt befestigt ist,
wobei der Sensor an einem freien Ende des Jochabschnitts zwei Sensorelemente
aufweist, die beim gleichen magnetischen Fluss durch den Jochabschnitt
unterschiedlich gerichtete Spannungen abgeben, so dass abhängig von
der Position der Sensorelemente gegenüber einem der Polzähne des
ersten Motorteils entsprechend hohe und gerichtete Spannungen an den
Sensorelementen abgreifbar sind. Dies hat den ebenfalls bereits
erwähnten
Vorteil, dass sich das Verhältnis
der magnetischen Flüsse
in den beiden Magnetspulen an einem der freien Enden des Jochs ändert. Wegen
der unterschiedlich gerichteten Spannungen in den Sensorelementen
kann ein entsprechend präzises
Positionssignal gegebenenfalls mit Nulldurchgang gewonnen werden.
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Bei
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Magnetfeldsensoreinrichtung
ein E-förmiges,
symmetrisch quer zur Bewegungsrichtung in zwei Jochteile geteiltes
Joch aufweisen, der Sensor zwischen den beiden Jochteilen angeordnet sein
und der Magnet sich an den Enden beider Jochteile befinden. Durch
diese Konstruktion lässt
sich auch mit einem einzigen Magneten erreichen, dass sich innerhalb
des Jochs bzw. Jochabschnitts beim Verfahren der Gebervorrichtung
die Richtung des magnetischen Flusses im Joch ändert. In die Messung geht
hier dann nur eine einzige Magnettoleranz ein.
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Vorzugsweise
ist der Elektromotor als Linearmotor ausgebildet, wobei der erste
Motorteil der Sekundärteil
und der zweite Motorteil der Primärteil ist. Somit kann ein Synchronlinearmotor
mit permanentmagnetfreiem Sekundärteil
mit dem erfindungsgemäßen Messsystem
hoher Auflösung
ausgestattet werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
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1 bis 3 verschiedene
schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Linearmotors mit permanentmagnetlosem
Sekundärteil;
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4 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
des Messprinzips;
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5 einen
Längsschnitt
durch eine Magnetfeldsensoreinrichtung bzw. Gebervorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform;
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6 einen
Längsschnitt
durch eine Magnetfeldsensoreinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform
mit E-förmigem
Joch;
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7 einen
Längsschnitt
durch eine Magnetfeldsensoreinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform
mit einem einzigen Permanentmagneten;
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8 einen
Längsschnitt
durch eine Magnetfeldsensoreinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform;
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9 einen
Längsschnitt
durch eine fünfte Ausführungsform
einer Magnetfeldsensoreinrichtung;
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10 eine
3D-Ansicht einer sechsten Ausführungsform
und
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11 eine
Vorderansicht der Ausführungsform
von 7.
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Die
nachfolgend näher
geschilderten Ausführungsbeispiele
stellen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar. Die Ausführungsbeispiele beziehen sich
auf Linearmotoren, sie können
aber sinngemäß auch auf
rotatorische Motoren, insbesondere Torquemotoren übertragen
werden.
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4 zeigt
symbolisch eine lineare Anordnung 300 einzelner magnetischer
Polzähne 301, 302 ...,
die jeweils einen Abstand Δ voneinander
haben, hier beispielsweise 10 Einheiten (z.B. mm). Die Anordnung 300 kann
sich über
beliebige Längen,
in denen eine Positionsbestimmung vorzunehmen ist, erstrecken (vertikal
in 4).
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Parallel
zu der Anordnung 300 von magnetischen Polzähnen ist
eine Anordnung 200 von Magnetfeldsensoreinrichtungen 201, 202,
..., 210 angeordnet. Die Magnetfeldsensoreinrichtungen
haben einen Abstand von δ,
der in dem dargestellten Beispiel 9 Einheiten (z.B. mm) beträgt.
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In
der dargestellten Position liegt die Magnetfeldsensoreinrichtung 201 direkt
dem Polzahn 301 gegenüber,
so dass die Magnetfeldsensoreinrichtung 201 den Polzahn 301 erfasst.
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Wird
die Abtastanordnung 200 um eine Strecke D = Δ – δ in Bewegungsrichtung
(vertikal in 4 nach unten) bewegt, so steht
die Magnetfeldsensoreinrichtung 202 dem Polzahn 302 gegenüber und
erfasst ihn. Dies setzt sich bei einer weiteren Verschiebung um
jeweils D fort, bis die Magnetfeldsensoreinrichtung 210 einen
Polzahn erfasst. Anschließend steht
die Magnetfeldsensoreinrichtung 201 dem Polzahn 302 gegenüber und
der Prozess beginnt von vorn. Durch eine geeignete Auswertung der
Signale der Magnetfeldsensoreinrichtungen, z.B. inkrementelle Auswertung,
erhält
man insgesamt 10 Signale zwischen der in 4 dargestellten
Position und der Position, in der die Magnetfeldsensoreinrichtung 201 dem
Polzahn 302 gegenübersteht.
Somit ist die Auflösung
des Messsystems um einen Faktor Δ/(Δ – δ) verbessert.
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Die
Anordnungen 300 und 200 können auch so positioniert werden,
dass die Polzähne
P und die Magnetfeldsensoreinrichtungen M auf konzentrischen Kreisen
liegen. Auf diese Weise können
Drehpositionen bei Rotationsmotoren ermittelt werden.
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Im
Folgenden wird das erfindungsgemäße Messsystem
anhand eines elektrischen Linearmotors erläutert.
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Der
in den 1 bis 3 dargestellte elektrische Linearmotor
hat in an sich bekannter Weise einen Sekundärteil mit einer Trägerplatte 110 und darauf
aufgebrachten Polzähnen 120,
die permanentmagnetlos und linear aneinander gereiht sind. Über einen
Luftspalt wirkt der Sekundärteil
mit einem Primärteil
zusammen, der einen Körper 140 und
darin aufgenommene Wicklungen 150 sowie nicht dargestellte
Permanentmagnete aufweist. Dabei ist das Polteilungsmaß a der
Wicklungen 150 des Primärteils
unterschiedlich zu den gegenseitigen Abständen b der magnetlosen Polzähne 120 des
Sekundärteils.
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Erfindungsgemäß ist der
Primärteil
mit mehreren Magnetfeldsensoreinrichtungen 160 versehen. Jede
Magnetfeldsensoreinrichtung besitzt mindestens einen Magneten und
mindestens einen Magnetfeldsensor (vgl. 5 bis 11).
Die Magnetfeldsensoreinrichtungen 160 sind in den Spulen 150 angeordnet
und sind auf die Polzähne 120 gerichtet, wie
durch den Pfeil in 3 dargestellt ist.
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Da
sich das Polteilungsmaß a
der Wicklungen von den Abständen
b der magnetlosen Polzähne des
Sekundärteils
unterscheidet, erfassen die einzelnen Magnetfeldsensoreinrichtungen 160 Magnetfelder
ihrer jeweiligen Permanentmagnete lokal in unterschiedlichen Phasen.
Durch geeignete Auswertung dieser Signale kann die Position festgestellt
werden, bzw. kann die Genauigkeit erheblich erhöht werden ("Nonius-Prinzip").
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Zwar
sind in den Figuren jeweils zwei Magnetfeldsensoreinrichtungen 160 pro
Spule vorgesehen, grundsätzlich
ist jedoch eine Magnetfeldsensoreinrichtung pro Spule ausreichend.
Es ist auch möglich,
den Magneten einer Magnetfeldsensoreinrichtung auf einer Seite des
Primärteils
und ihren Magnetfeldsensor auf der anderen Seite zu platzieren.
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2 zeigt
des Weiteren eine Magnetspur 130, die seitlich neben der
Reihe der Polzähne 120 auf
dem Träger 110 des
Sekundärteils
aufgebracht ist. Diese Magnetspur 130 kann beispielsweise
aus magnetisierbarem Gummi oder Kunststoff bestehen und ist am Träger 110 fixiert.
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In
der Magnetspur sind Informationen beispielsweise hinsichtlich der
Position als Absolutwert oder Inkrementwert und/oder zur Kommutierung
kodiert, und diese Information wird von einem einzelnen Lesekopf
(nicht dargestellt) aus der Magnetspur ausgelesen.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt
sich die Auflösung
des Messsystems aus dem Abstand der Polzähne b (= Δ), die die Positionsindikatoren
darstellen, und dem Polteilungsmaß a (= δ) der Magnetfeldsensoreinrichtungen,
die die Rezeptoren darstellen, zu: D = a – b.
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Nachfolgend
werden einige Ausführungsformen
von Magnetfeldsensoreinrichtungen, die in dem erfindungsgemäßen Elektromotor
eingesetzt werden können,
im Zusammenhang mit den 5 bis 11 näher geschildert.
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Der
in 5 wiedergegebene Längsschnitt eines Teils eines
Linearmotors zeigt einen Abtastkopf 1 bzw. einen Abschnitt
eines Primärteils
und einen Sekundärteil 2.
Der Abtastkopf 1 dient hier als Magnetfeldsensoreinrichtung.
Mehrere derartige Magnetfeldsensoreinrichtungen sind an dem Primärteil des Motors,
wie in den 1 und 2 angedeutet,
in Bewegungsrichtung angeordnet. Der Primärteil 1 verfügt über ein
Joch 3, das im Wesentlichen U-förmig ausgestaltet ist. An den
freien Enden 4 und 5 des Jochs 3 sind
Permanentmagnete 6, 7, 8 und 9 als Polzähne angeordnet.
Sämtliche
Permanentmagnete 6 bis 9 sind in Richtung vom
Abtastkopf 1 zum Sekundärteil 2 oder
umgekehrt magnetisiert. An jedem der freien Enden 4, 5 befinden
sich jeweils zwei Permanentmagnete 6, 7 bzw. 8, 9,
die parallel, aber entgegengesetzt magnetisiert sind.
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Zwischen
den beiden freien Enden 4 und 5 befindet sich
in dem Joch 3 ein Hall-Sensor 10. Gegebenenfalls
teilt der Hall-Sensor 10 das
Joch 3 in zwei Hälften.
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Der
Sekundärteil 2 besteht
hier aus einer Zahnstange mit den Zähnen 11, 12 und 13.
Die Zähne
des Sekundärteils 2 besitzen
den gleichen Abstand wie die Zähne 6 und 8 bzw. 7 und 9 des
Abstandkopfs 1.
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Das
Joch 3 und der Sekundärteil 2 bestehen aus
einem ferromagnetischen Material. Vorzugsweise sind sie geblecht
ausgebildet.
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In
der in 5 dargestellten Position, in der die Permanentmagnete 6 und 8 des
Primärteils über den
Zähnen 11 und 12 des
Sekundärteils 2 stehen, wird
der Hall-Sensor 10 von einem Magnetfeld bzw. Magnetfluss 101 von „links
nach rechts" durchsetzt. Bewegt
sich nun der Abtastkopf 1, d.h. die Magnetfeldsensoreinrichtung,
weiter nach links in Bewegungsrichtung 18, so nimmt das
Magnetfeld durch den Hall-Sensor 10 immer weiter ab, bis
es zu Null wird. Bei der weiteren Bewegung wechselt die Richtung
des Magnetfelds und es nimmt schließlich einen Maximalwert an.
Dies ist dann der Fall, wenn der Abtastkopf so steht, dass die Permanentmagnete 7 und 9 über den
Zähnen 11 und 12 des
Sekundärteils
stehen. Bei weiterer Bewegung nach links sinkt das Magnetfeld wieder,
wechselt die Richtung und nimmt schließlich wieder einen Maximalwert
an, wenn die Permanentmagnete 6 und 8 über den
Zähnen 13 und 11 stehen.
Bei dieser Bewegung um eine Zahnteilung wird somit genau einer Gebersignalperiode
mit Nulldurchgängen
durchlaufen.
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6 zeigt
eine abgewandelte Ausführungsform
der Magnetfeldsensoreinrichtung gegenüber dem Ausführungsbeispiel
von 5. Bei der Abwandlung sind mehrere Abwandlungsschritte
vorgenommen, die auch einzeln oder in Zweierkombinationen durchgeführt werden
können.
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Der
erste Abwandlungsschritt besteht darin, dass nur an einem einzigen
freien Ende des Jochs Permanentmagnete 6, 7 angeordnet
sind. Da der Permanentmagnet 6 ein in der 6 nach
oben gerichtetes Magnetfeld erzeugt und über einem Polzahn des Sekundärteils 2 angeordnet
ist, ergibt sich der durch den Hall-Sensor 10 eingezeichnete Fluss 102.
Steht hingegen der Permanentmagnet 7, dessen Magnetisierung
nach unten gerichtet ist, über
einem Polzahn des Sekundärteils 2,
so ist der Magnetfluss durch den Hall-Sensor 10 entgegengesetzt
gerichtet.
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Ein
zweiter Abwandlungsschritt besteht darin, dass der Hall-Sensor nicht im Verbindungsschenkel
zwischen den beiden frei endenden Schenkeln des U-förmigen Jochs,
sondern in einem der frei endenden Schenkel angeordnet ist.
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Ein
dritter Abwandlungsschritt besteht darin, dass an das Joch ein dritter
frei endender Schenkel angefügt
ist. Im Beispiel der 6 ergibt sich damit ein einteiliges,
E-förmiges
Joch 14. Der für
die Bewegungs- bzw. Positionsbestimmung maßgebliche Fluss durchläuft im Wesentlichen
aber nur einen U-förmigen
Jochabschnitt, es sei denn, der Positionssensor befindet sich in
einer symmetrischen Position zu den Polzähnen des Sekundarteils 2.
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7 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Magnetfeldsensoreinrichtung mit einem E-förmigen Joch. Das Joch ist symmetrisch
in zwei Jochhälften 15 und 16 geteilt.
Zwischen ihnen befindet sich ein Luftspalt, in dem der Hall-Sensor 10 angeordnet ist.
Der mittlere Schenkel 17 besteht somit aus zwei parallelen
Schenkelhälften,
die durch den Luftspalt, in welchem sich der Hall-Sensor 10 befindet,
getrennt sind. Am freien Ende beider Schenkelhälften befindet sich ein einziger
Permanentmagnet 19. In dem Beispiel von 7 ist
dieser Permanentmagnet 19 nach oben magnetisiert, so dass
sich der eingezeichnete Fluss 103 ergibt. Da sich die linke
Hälfte
des Schenkels 17 über
dem Polzahn 11 des Sekundärteils 2 befindet,
verlauft der magnetische Fluss in der linken Schenkelhälfte nach
oben und von links nach rechts durch den Hall-Sensor 10. Wenn sich die rechte
Hälfte
des mittleren Schenkels 17 über dem Polzahn 11 oder
einem anderen Polzahn befindet, verlauft der magnetisch Fluss im
Wesentlichen in der rechten Hälfte
und durchläuft
den Hall-Sensor 10 von rechts nach links. In diesem Fall
ergibt sich eine Messspannung umgekehrten Vorzeichens. Der Vorteil
dieser Ausführungsform
besteht darin, dass lediglich ein Permanentmagnet für die Magnet
feldsensoreinrichtung vorzusehen ist.
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Das
Messprinzip lässt
sich auch auf einen Induktivmesskopf nach dem Reluktanzresolverprinzip übertragen,
indem die Permanentmagnete und der Hall-Sensor durch entsprechende
Spulen ersetzt werden. Demnach ist gemäß 8 die alternative Magnetfeldsensoreinrichtung,
d.h. die Gebervorrichtung 20 an den freien Enden ihres
Jochs 21 mit Erregerspulen 22, 23, 24, 25 versehen.
Da die so gebildeten Elektromagnete an den freien Enden des Jochs 21 unterschiedliche
Magnetisierungsrichtungen aufweisen müssen, sind sie entsprechend
elektrisch verschaltet. Im vorliegenden Beispiel sind die Erregerspulen 22 bis 25 in
Serie geschaltet. Um die entgegengesetzten Magnetisierungsrichtungen
zu erzielen, sind bei gleichen Wicklungssinnen der Spulen 22 bis 25 dieser
Spulen derart in Reihe geschaltet, dass der untere Anschluss der
Spule 22 mit dem unteren Anschluss der Spule 23,
der obere Anschluss der Spule 23 mit dem unteren Anschluss
der Spule 24 und der obere Anschluss der Spule 24 mit
dem oberen Anschluss der Spule 25 verbunden ist. Ein Erregersignal
wird an den (von daher noch freien) oberen Anschluss der Spule 22 und
den (von daher noch freien) unteren Anschluss der Spule 25 gelegt.
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Um
den Verbindungsschenkel, der die beiden Schenkel mit den feien Enden
des Jochs 21 verbindet, ist eine Messspule 26 gewickelt.
An ihr lässt sich
eine Spannung abgreifen, die durch den im Joch 21 fließenden magnetischen
Fluss erzeugt wird.
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Der
Sekundärteil 27 des
Linearantriebs besitzt die gleiche Form, wie die des Sekundärteils 2 von 5.
Ebenso ist die Geometrie des Primärteils bzw. der Gebervorrichtung 20 die
gleiche, wie die des Teils 1 von 5.
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Die
Funktionsweise der Gebervorrichtung von 8 entspricht
im Prinzip der der Vorrichtung von 5. Die Permanentmagnete
sind hier lediglich durch Erregerspulen und der Hall-Sensor durch eine Messspule
ersetzt. Da die Elektromagnete 22 bis 25 mit Wechselstrom
betrieben werden, gilt die Äquivalenz
mit dem oben geschilderten Ausführungsbeispiel
gemäß 5 nur
in entsprechend kleinen Zeitfenstern. Dies bedeutet, dass in diesem
kleinen Zeitfenster die Richtung des magnetischen Flusses im Joch
unmittelbar von der Position der Magnetspulen gegenüber den
Polzähnen
der Maschinenkomponente abhängt.
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Die
in dem Ausführungsbeispiel
von 6 eingesetzten Spulen lassen sich auch mit umgekehrter
Funktion betreiben. So können
die Spule 26 als Erregerspule und die Spulen 22 bis 25 an
den freien Enden des Jochs 21 als Messspulen verwendet
werden. In diesem Fall addieren sich die Messsignale der Einzelspulen
zu einem resultierenden Messsignal. Auch dieses erreicht seine Maximalwerte,
wenn die Zähne über denen
des Sekundärteils 27 liegen. Dazwischen
ergeben sich Nulldurchgänge
wie in dem Ausführungsbeispiel
von 5.
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Wie
oben angedeutet ist, kann man eine Anordnung mit Hall-Sensoren und Permanentmagneten in
eine Anordnung nach dem Reluktanzresolverprinzip überführen. Ebenso
können
Mess- und Erregerspulen untereinander vertauscht werden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoreinrichtung
ist in 9 dargestellt. Mit dieser Magnetfeldsensoreinrichtung
bzw. Gebervorrichtung ist es möglich,
nicht nur eines sondern zwei um 90° phasenverschobene Signale jeweils
mit Nulldurchgang zu generieren. Hierzu ist um den mittleren Schenkel
eines E-förmigen
Jochs 30 eine Erregerspule 31 gewickelt. An dem
freien Ende des linken Schenkels des Jochs 30 befinden
sich zur Erzeugung eines Kosinus-Signals zwei
Messspulen 32 und 33. Gleichermaßen befinden
sich am Ende des rechten Schenkels des Jochs 30 zur Erzeugung
eines Sinus-Signals zwei Messspulen 34 und 35.
Die Messspulen 32 und 33 sind bei gleichem Wicklungssinn
derart in Reihe geschaltet, dass die unteren Anschlüsse beider
Spulen verbunden sind. Das Gleiche gilt für die Messspulen 34 und 35.
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Zur
Optimierung der Messsignale ist die Dimension des Jochs 30 auf
die Polpaarlänge
PPL bzw. elektrische Periode des Sekundärteils 2 abgestimmt.
Demnach beträgt
der Mittenabstand der äußeren Schenkel
des Jochs 30 2,25 PPL. Somit lassen sich mit einem einzigen
Kopf ein Sinus- und ein Kosinus-Signal jeweils mit Nulldurchgang
zur Positionsbestimmung gewinnen.
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Die
im Zusammenhang mit den 5 bis 9 geschilderten
Anordnungen eignen sich für Sekundärteile von
so genannten Längsflussmaschinen,
d. h. für
Maschinen, bei denen sich der vom Motor erzeugte Fluss im Sekundärteil in
Bewegungsrichtung schließt.
Der Sekundärteil
solcher Längsflussmaschinen
zeichnet sich dadurch aus, dass die einzelnen Zähne des Sekundärteils magnetisch
leitend miteinander verbunden sind. Bei Querflussmaschinen hingegen,
bei denen sich der vom Motor erzeugte Fluss quer zur Bewegungsrichtung
und damit innerhalb jeweils eines Zahns schließt, müssen die Zähne 40 demzufolge
nicht magnetisch leitend miteinander verbunden sein. 10 zeigt
in der Draufsicht eine Anordnung für einen solchen Sekundärteil aus
voneinander magnetisch isolierten Zähnen 40. 8 zeigt
eine entsprechende Vorderansicht. Das Joch 41 bzw. der
Jochabschnitt ist auch hier im Wesentlichen U-förmig ausgestaltet. An den freien
Enden des Jochs 41 befinden sich jeweils zwei Permanentmagnete 42, 43 und 44, 45.
Die Magnetisierungsrichtungen der Magnete 42 und 43 sind
ebenso entge gengesetzt gerichtet, wie die Magnetisierungsrichtungen
der Magnete 44 und 45. Ein Hall-Sensor 46 in
der Mitte des Jochs 41 registriert den magnetischen Fluss.
Verfährt
das Joch 41 mit seinen Magneten in Verfahrrichtung 15 über den
Polzähnen 40 des Sekundärteils,
so ändert
sich auch hier die Flussrichtung durch den Hall-Sensor 46.
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Durch
eine entsprechende Gestaltung des Abtastkopfs bzw. der Gebervorrichtung 1, 20 und eventuell
des Sekundärteils 2, 27 lässt sich
die Sinusförmigkeit
des Sensorsignals optimieren. Dabei spielt nicht nur die Gestalt
der Polzähne,
sondern auch deren Abstand eine Rolle.
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Zur
Realisierung des Messprinzips genügt es, wenn nur an einem freien
Ende eines Jochs 3, 21 Permanentmagnete oder Spulen
angeordnet sind. Das andere freie Ende des Jochs 3, 21 muss
nicht zwangsläufig
auch mit Magneten besetzt sein. Bei dieser Ausführungsform sinkt jedoch die
Qualität
des Sensorsignals.
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In
vorteilhafter Weise wird durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Messsystems
mit mehreren Magnetfeldsensoreinrichtungen eine höhere Auflösung gegenüber dem
Stand der Technik erreicht.