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Die Erfindung betrifft einen magnetischen Positionssensor,
bei welchem in einem Magnetfeld mindestens zwei Statorelemente angeordnet
sind, wobei sich im Luftspalt zwischen den Statorelementen eine
Magnetfeld-Sonde befindet, wobei ein der Bewegung eines Objektes
folgendes Mittel parallel zu der von den Statorelementen aufgespannten
Ebene angeordnet ist.
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Aus der WO 92110722 A1 ist ein Hall-Winkelsensor
bekannt, der in der Lage ist, winkelproportionale Signale abzugeben.
Die Erfassung des Winkels erfolgt über eine Hall-Sonde, die sich
in einem Luftspalt befindet, der zwischen zwei halbzylinder- oder
schalenförmigen
Statorhälften
gebildet wird.
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Ein Rotor besteht aus zwei in wechselnder Richtung
magnetisierten Scheibenmagneten, die über einer Rückschlußscheibe montiert sind. Der
Rotor befindet sich in axialer Richtung vor den beiden Statorhälften. Dabei
steht die Magnetisierungsrichtung der Magneten senkrecht zur Drehachse.
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Der magnetische Fluß, welcher
aus dem Nordpol des Scheibenmagneten austritt, verteilt sich je
nach Winkelstellung der Statorhälften
zu den Magnethälften,
bevor er in den Südpol
des Magneten eintritt.
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Steht die Nord/Süd-Achse des Magneten parallel
zum Luftspalt, so wird jeweils ca. die Hälfte des magnetischen Flusses
durch die beiden Statorhälften fließen. In
diesem Fall tritt praktisch kein Fluß durch den Luftspalt. Die
Meßinduktion
wird zu Null.
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Steht die Nord/Südachse senkrecht zum Luftspalt,
so tritt praktisch der gesamte magnetische Fluß erst in die eine Statorhälfte ein
und von dort in den Südpol
des Magneten. Folglich wird durch die Hall-Sonde ein Maximum der
Meßinduktion
registriert.
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Da der Magnetfluß auf seinem Weg außer dem
Meß-Luftspalt
noch zweimal den Luftspalt zwischen Magnet und Statorhälften in
axialer Richtung durchqueren muß,
erzeugen Schwankungen dieses Luftspalts, z. B. in Form eines mechanischen
Axialspiels, eine starke Veränderung
des Meßwertes.
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Die
EP 0 611 951 A1 zeigt einen Sensor, bei dem
ein Magnet in einem Absatz eines Rotors angeordnet ist. Zwei Polstücke eines
Stators stehen dem Rotor gegenüber.
Auch hier stehen sich damit Rotor und Stator senkrecht gegenüber. Daher
erzeugen auch bei diesem Sensor Schwankungen des Axialspiels starke
Veränderungen
des Meßwerks.
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Die
DE 43 07 544 A1 offenbart eine Anordnung
zur Erfassung der Drehstellung eines Rotationskörpers, bei dem ein B-Feldsensor zwischen
Magneten eines Stators angeordnet ist. Zwei auf einer Welle angeordnete
Geberkörper
schwenken zwischen die Magneten und dem B-Feldsensor. Diese Anordnung
ist sehr aufwändig
aufgebaut und ebenfalls empfindlich gegenüber Toleranzen der Bauteile.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe
zugrunde, einen magnetischen Positionssensor anzugeben, der unempfindlich
gegen Verschiebungen der beweglichen Mittel in einer anderen als
der Meß-Richtung
ist.
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Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, daß das mit
dem beweglichen Objekt verbundene Mittel zweiteilig ausgebildet
ist, wobei jedes weichmagnetische Teil mindestens ein Segment aufweist
und die weichmagnetischen Elemente starr gegeneinander verschoben
miteinander verbunden sind, so daß das Segment des ersten Elementes
einer Segmentlücke
des zweiten Elementes gegenübersteht,
wobei die Statorelemente zwischen den weichmagnetischen Elementen
angeordnet sind und ein das Magnetfeld senkrecht zu er von den Statorelementen
aufgespannten Ebene erzeugender Magnet zwischen den weichmagnetischen
Elementen angeordnet ist.
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Durch diese unsymmetrische Struktur
des mit dem beweglichen Objekt verbundenen Mittels wird ein magnetischer
Ausgleichsfluß über den
Meßluftspalt
erzeugt.
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In einer Ausgestaltung ist das mit
dem beweglichen Objekt verbundene Mittel ein Rotor, der in axialer
Richtung zu den Statorelementen angeordnet ist.
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Der Rotor ist zweiteilig ausgebildet,
wobei jedes weichmagnetische Rotorelement mindestens ein Kreissegment
aufweist und die Rotorelemente starr gegeneinander verdreht miteinander
verbunden sind, so daß das
Kreissegment des ersten Rotorelementes einer Segmentlücke des
zweiten Rotorelementes gegenübersteht,
wobei die Rotorelemente zwischen den Statorelementen angeordnet
sind und ein das Magnetfeld in axialer Richtung erzeugender Magnet sowohl
zwischen den Rotorelementen als auch den Statorelementen angeordnet
ist.
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Der Vorteil der Erfindung besteht
darin, daß durch
die starre zweiteilige Rotorgestaltung die Auswirkungen des Axialspiels
auf das Sensorsignal unterbunden werden, da die beiden zwischen
Rotor und Stator auftretenden Luftspalte gleichzeitig in entgegengesetzte
Richtung verändert
werden und somit die Summe der Luftspalte immer konstant ist.
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Vorteilhafterweise ist die Summe
der beiden Luftspalte, die sich in axialer Richtung zwischen den Rotorelementen
und je einem Statorelement ausbilden, klein gegenüber der
axialen Ausdehnung des Magneten, wodurch der Magnetfluß durch
den Stator unterstützt
wird.
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In einer Ausgestaltung sind die Statorelemente
ebenfalls kreissegmentähnlich
ausgebildet.
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Der Außenradius des Kreissegmentes
mindestens eines Rotorelementes entspricht annähernd dem Außenradius
des kreissegmentähnlichen
Statorelementes. Die Rotorelemente sind durch zwei Radien charakterisiert,
wobei der erste Radius annähernd
dem Außenradius
eines Statorelementes und der zweite Radius annähernd dem Radius des Magneten
entspricht.
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Die Magnetfeldsonde ist dabei radial
zur Drehachse der Welle des Sensors im Luftspalt zweier Statorelemente
angeordnet.
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In einer Weiterbildung ist der Außenradius des
Kreissegmentes mindestens eines Rotorelementes kleiner als der Außenradius
eines Statorelementes. Dies ermöglicht
die Anordnung der Magnetfeldsonde axial zur Drehachse der Welle
des Sensors im Luftspalt zwischen den beiden Statorelementen. Der Vorteil
dieser Anordnung besteht darin, daß der Magnet nun optimal dimensioniert
werden kann, da der axiale Abstand der beiden Rotorteile frei variiert
werden kann.
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Eine Montagevereinfachung des Gesamtsensors
wird erreicht, wenn das Kreissegment des ersten Rotorelementes einen
geringeren Winkel als die Segmentlücke zwischen zwei Statorsegmenten aufweist.
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Durch die unsymmetrische Gestaltung
der Rotorscheibe wird der Magnetfluß gezielt über die beiden Statorhälften geführt.
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Da die Winkelabhängigkeit der Flußführung nicht über die
Kontur oder Magnetisierung des Magneten erreicht wird, sondern durch
die unsymmetrische Gestaltung des Rotors, sind die Anforderungen an
den Magneten minimal.
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Der Magnet muß lediglich ein axial gerichtetes
Feld erzeugen. Dieses kann wahlweise von einem drehbar gelagerten
Dauermagneten oder einem bezogen auf den Stator ortsfesten Magneten
erzeugt werden, der in diesem Fall sowohl als Dauer- oder auch als
Elektromagnet ausgeführt
sein kann.
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In einer Weiterbildung ist der Magnet
als dauermagnetischer Ringmagnet ausgebildet.
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Der Ringmagnet ist im Sensor besonders einfach
zu montieren, wenn er ortsfest direkt mit den beiden Statorhälften verbunden
ist.
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In einer anderen Ausgestaltung ist
der Magnet an einer durchgehenden Rotorwelle befestigt, in dem er
auf diese aufgesteckt ist.
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In einer weiteren Ausführung sind
die beiden Rotorscheiben über
eine unmagnetische Hülse
starr gekoppelt, wobei je eine Rotorscheibe an einem Teil einer
zweigeteilten Rotorwelle fest angeordnet ist.
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Die Statorsegmente sind dabei immer
koaxial um die Drehachse der Rotorwelle angeordnet.
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Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsbeispiele
zu. Eines davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren
näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 Eine
erste Ausführung
des erfindungsgemäßen Winkelsensors
mit einem Schnitt durch Gehäuse
und Stator
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2 erste
Ausführung
des Rotors
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3 Rotor-Stator-Anordnung
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4 Eine
zweite Ausführung
des erfindungsgemäßen Winkelsensors
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5 Rotor-Stator-Anordnung
senkrecht zur Drehachse
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6 zweite
Ausführung
der Rotor-Stator-Anordnung
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7 Signalverlauf über dem
Drehwinkel
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8 eine
dritte Ausführung
der Rotor-Stator-Anordnung
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9 eine
vierte Ausführung
der Rotor-Stator-Anordnung
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10 Anordnung
des Winkelsensors auf einem Trägerelement
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11 Prinzipieller
Aufbau eines linearen magnetischen Positionssensor
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12 Schnitt
durch einen linearen magnetischen Positionssensor
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Gleiche Teile sind mit gleichem Bezugszeichen
gekennzeichnet.
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Das Grundprinzip soll zunächst an
einer Rotorgestaltung mit zwei halbkreisfömigen Rotorsegmenten erläutert werden.
Diese Anordnung ist günstig
für Einsatzfälle, wo
Drehwinkel von 90° erfaßt werden
sollen, wie z. B. bei einer Drosselklappe in Brennkraftmaschinen.
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In 1 ist
ein Winkelsensor dargestellt, bei welchem in einem unmagnetischen
Messinggehäuse 1 stoffschlüssig ein
zweigeteilter Weicheisenring als Stator mit den Statorteilen 2a, 2b angeordnet
ist. Die vorzugsweise schalenförmigen
Statorteile 2a, 2b, die zusammen betrachtet einen
hohlzylinderförmigen Stator
darstellen, sind koaxial um einen Dauermagneten 3 herum
angeordnet. Dabei ist der Magnet 3 axial magnetisiert.
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Der Magnet 3 befindet sich
zwischen zwei Rotorscheiben 4a, 4b aus weichmagnetischem
Material, die um 180° gegeneinander
verdreht sind.
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Jede Rotorhälfte 4a, 4b ist
dabei über
180° der
Scheibe durch einen ersten Außenradius
und über
die weiteren 180° der
Scheibe durch einen zweiten Außenradius
charakterisiert. Der größere Außenradius
R1 entspricht in etwa dem Außenradius
des Stators 2, der kleinere Radius R2 ist auf den Magnetdurchmesser
abgestimmt (2). Dabei
ist R1 > R2, so daß jedes
Rotorsegment im wesentlichen halbkreisförmig erscheint.
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Die Rotorhälften 4a, 4b weisen
je eine mittige Bohrung 9 auf, die die durchgehende Rotorwelle 5 aufnehmen.
Die Rotorhälften 4a, 4b sind
dabei auf der durchgehenden Rotorwelle 5 fest arretiert.
Die Rotorwelle 5 besteht aus unmagnetischem Material.
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Die Rotorhälften 4a, 4b können aber
auch als Teil der Rotorwelle 5 ausgebildet sein.
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Die Rotorwelle 5 besteht
dabei aus dem gleichen magnetischen Material wie die Rotorsegmente 4a, 4b.
Die mechanische Ankopplung der zu überwachenden Welle erfolgt
dabei unmagnetisch.
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Der Magnet 3 ist vorteilhafterweise
ebenfalls hohlzylindrisch als Ringmagnet ausgebildet und auf der
Rotorwelle 5 befestigt.
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Das ebenfalls hohlzylinderförmige Gehäuse 1 ist
an beiden Seiten mit Akdeckungen 6 und 7 verschlossen,
in welchen die Rotorwelle 5 gelagert ist.
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Eine Magnetfeld-Sonde 12,
z. B. eine Hall-Sonde oder sonstige Magnetfeldsonden (induktive
Systeme) wird durch die Öffnungen 10 im
Gehäuse 1 in
den dahinterliegenden Luftspalt 11 zwischen den beiden
Statorhälften 2a, 2b eingeführt.
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Dies ist noch einmal prinzipiell
in 3 dargestellt. Um
den Hall-Sensor 12 sichtbar zu machen, wurde auf die Darstellung
der zweiten Statorhälfte 2a verzichtet.
Diese wäre
dem Hallsensor 12 vorgelagert.
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Gemäß 4 ist der Magnet 3 zylindrisch oder
quaderförmig
ausgebildet und in einer unmagnetischen Hülse 8 untergebracht.
Der Magnet 3 kann in die Hülse 8 eingeklebt sein.
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In vorliegendem Fall ist die Rotorwelle 5 zweiteilig
ausgebildet. An jedem Teil der Rotorwelle 5a, 5b ist
eine Rotorscheibe 4a, 4b befestigt. Die Hülse 8 greift
in eine Ausfräsung 13a, 13b der
Rotorscheibe 4a, 4b ein und verbindet somit starr
die beiden Teile der Rotorwelle 5a, 5b miteinander.
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Die Hülse 8 ist zusätzlich durch
einen Arretierstift 14 gesichert.
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Zum Höhenausgleich zwischen Magnet 3 und
Hall-Sonde 12 befindet sich auf den Rotorscheiben 4a, 4b ein
erhöhter
weichmagnetischer Bereich 17 (2).
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Zwischen den beiden Rotorhälften befindet sich
der Stator 2a, 2b. Die beiden Statorhälften 2a, 2b sind
gut magnetisch leitfähig.
Ferner ist die Summe der beiden Luftspalte 15, 16,
die sich in axialer Richtung zwischen Rotor und Stator ausbilden,
klein gegenüber
der Länge
des Magneten 3. Hierdurch wird erreicht, daß der größere Anteil
des magnetischen Flusses über
die beiden Statorhälften
fließt.
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In einer speziellen Ausführungsform
wird als magnetisches Material Samarium-Kobalt verwendet. Bei einer
axialen Ausdehnung des Magneten 3 von 3 mm, betragen die
Luftspalte 15, 16 zwischen Rotorscheiben 4a, 4b und
den Statorhälften 2a, 2b annähernd 0,5
mm.
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Mit Hilfe von 5 soll nun die Funktionsweise des beschriebenen
Winkelsensors erläutert werden.
Zum besseren Verständnis
wurden über
den Sensor 4 Quadranten gelegt.
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Prinzipiell tritt der magnetische
Fluß aus
dem Nordpol des Magneten in die erste Statorhälfte ein. Ein kleinerer Teil
schließt
sich als Streufluß über den Luftraum
zum Südpol
des Magneten hin, und tritt dort in die zweite Rotorhälfte und
anschließend
in den Südpol
ein.
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Der Rotor ist zunächst wie in 5a dargestellt, ausgerichtet. Die Schnittlinie
(„Sehne" der halbkreisförmigen Scheiben 4a, 4b)
steht senkrecht zum Meßluftspalt 11.
In dieser Stellung wird jeweils etwa die Hälfte des magnetischen Nutzflußes im ersten Quadranten
aus der oberen Rotor-Halbscheibe 4a austreten, über die
rechte Statorhälfte 2a zum
vierten Quadranten fließen
und dort in die untere Rotorhalbscheibe 4b eintreten. Die
andere Hälfte
des Flusses wird im zweiten Quadranten aus der oberen Rotor-Halbscheibe 4a austreten, über die
linke Statorhälfte 2b zum
dritten Quadranten fließen
und dort in die untere Rotor-Halbscheibe 4b eintreten.
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Die Induktion im Meßluftspalt 11 wird
zu Null. Da der Fluß den
Luftspalt 11 nicht kreuzt, ergibt sich der minimale magnetische
Widerstand des Gesamtkreises, und folglich der maximale magnetische
Fluß. Der
Rotor 4a, 4b wird sich also ohne äußere Krafteinwirkung
bevorzugt in diese Position stellen.
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Die gleichen Verhältnisse ergeben sich, wenn
der Rotor um 180° weitergedreht
wird.
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Im nächsten Schritt sei der Rotor
um 90° im mathematisch
positiven Sinn weitergedreht, wie es in 5b dargestellt ist. Damit befindet sich
die mit dem Nordpol verbundene Rotor-Halbscheibe 4a über der
linken Statorhälfte 2b.
Die mit dem Südpol
verbundene Rotor-Halbscheibe 4b steht über der rechten Statorhälfte 2a.
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Praktisch tritt der gesamte Fluß gleichmäßig über den
2. und 3. Quadranten verteilt aus der linken Halbscheibe 4a (Nordpol)
in die linke Statorhälfte 2b über, kreuzt
den Luftspalt 11 und tritt dann, im Bereich des 1. und
4. Quadranten in die rechte Rotorhalbscheibe 4b (Südpol) ein.
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Die Induktion im Meßluftspalt 11 hat
damit ein Maximum. Da der magnetische Fluß den Luftspalt kreuzt, ergibt
sich der maximale magnetische Widerstand des Gesamtkreises und folglich
der minimale magnetische Fluß.
Es ergibt sich eine instabile kraftfreie Stellung. Links und rechts
von dieser Stellung tritt das maximale Rückstellmoment auf.
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Die gleichen Verhältnisse ergeben sich, wenn
der Rotor um 180° weitergedreht
wird. Dabei kehrt sich das Vorzeichen des Magnetflusses durch den
Meßluftspalt 11 um.
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Das Ausgangssignal ist periodisch
mit 360° und
damit in einem Bereich von bis zu 180° eindeutig. Ferner ist das Ausgangssignal
im Bereich von 120° weitgehend
linear. Bei Anwendungen, wo ein redundantes Signal benötigt wird,
kann ein 2. Sensor im Luftspalt 11 zwischen den Statorelementen 2a, 2b plaziert
werden.
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Da die Statoraußenflächen aufgrund der hohen Permeabilität Äquipotentialflächen darstellen,
ist die Induktion in den linearen Bereichen des Luftspaltes 11 überall gleich
groß.
Hierdurch ergibt sich eine sehr gute Konformität zwischen den beiden Kanälen, so
daß z.
B. die Fehlfunktion eines der beiden Kanäle sehr früh detektiert werden kann.
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Bei dem beschriebenen Winkelsensor
bleibt die Summe der Luftspalte, die axial zu beiden Seiten zwischen
Rotor-Halbscheiben 4a, 4b und Statorhälften 2a, 2b bestehen,
stets konstant.
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Dadurch ergibt sich eine sehr gute
Unterdrückung
des Axialspieleinflusses auf das Meßsignal.
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Sollen Verdrehwinkel von beispielsweise
30° oder
kleiner detektiert werden, wie es beispielsweise an einem Gaspedal
eines Kraftfahrzeuges notwendig ist, muß der Signalhub für kleine
Meßbereiche
erhöht werden.
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Dazu wird eine Rotoranordnung gewählt, wie sie
in 6 dargestellt ist.
Die Rotorelemente 4a und 4b sind jetzt so ausgebildet,
daß sie
aus einer ganzzahligen Anzahl jeweils um die eigene Breite gegeneinander
versetzter Segmente bestehen, die in Richtung des Drehzentrums magnetisch
gekoppelt sind.
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Auch diese Rotorelemente 4a, 4b werden starr
miteinander gekoppelt.
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Im einfachsten Fall weist jedes Rotorelement zwei
Segmente auf, die sich gegenüberliegend
angeordnet sind. Das erste Rotorelement 4a weist um 180° gegeneinander
verschobene Segmente 4a1, 4a2 auf, das zweite
Rotorelement 4b weist ebenfalls zwei Segmente 4b1, 4b2 auf.
Die beiden Rotorelemente 4a, 4b sind so gegeneinander
versetzt, daß dem
Segment 4a1 des Rotorelementes 4a eine Segmentlücke des
Rotorelementes 4b gegenüberliegt. Das
gleiche gilt für
die Segmente 4b1, 4b2 des zweiten Rotorelementes 4b,
welchen immer eine Segmentlücke
des ersten Rotor-elementes 4a gegenüberliegen. Als Segmentlücke wird
dabei jeweils der Abstand zwischen zwei Segmenten 4a1, 4a2 bzw. 4b1, 4b2 eines
Rotor-elementes 4a bzw. 4b bezeichnet.
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Es ist aber auch vorstellbar, daß die Rotorelemente 4a, 4bN Segmente
aufweisen. Dann werden die Rotorelemente um 180°/N gegeneinander versetzt angeordnet.
Wie bereits erläutert,
beträgt
die Breite jedes Flügels
dabei entsprechend 180°/N.
Dadurch wird die Periodizität
des Signals gegenüber
der halbkreisförmigen
Variante um 1/N reduziert.
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In 7 ist
der Signalverlauf in Abhängigkeit vom
Drehwinkel dargestellt. Dabei zeigt die Kurve A den Flußverlauf
in den Meßluftspalten
für eine Rotoranordnung
wie sie gemäß Bild 6
dargestellt ist. Bei zwei Segmenten wird eine Periode von 180° erreicht.
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Der Signalverlauf für die halbkreisförmigen Rotoranordnungen
ist durch die Linie B dargestellt. Bei dieser Einsegmentanordnung
wird eine Periode von 360° erreicht.
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Die wirksamen Flächen der Rotoranordnung 4a, 4b und
der Statoranordnung 2a, 2b, über welchen der Fluß eingekoppelt
wird, ist proportional 1 : 2 N. Die Anzahl der Luftspalte beträgt 2 N.
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Das in Bild 6 dargestellte System
weist eine Statoranordnung auf, welche aus zwei nebeneinander angeordneten
90° Segmenten 2a, 2b besteht,
die zusammen einen Bereich von 180° bilden. Die Statorsegmente 2a, 2b sind
zwischen den Rotorelementen 4a, 4b angeordnet
und bilden gegeneinander einen Luftspalt, in welchem die Hallsonde 12 radial
zur Welle 5 angeordnet ist.
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Ein redundantes System ist in 8 dargestellt. Jeweils 2 als
90° Segmente
ausgebildete Statoreeemente 2a1, 2b1 bzw. 2b2, 2a2,
bilden den Meßluftspalt 11,
in welchen jeweils eine Magnetsonde 12 angeordnet ist.
Bei dieser Ausführung
sind die Statorsegmente 2a1, 2a2, 2b1, 2b2,
mit einem größeren Außenradius
versehen, als die Rotorsegmente 4a1, 4a2, 4b1 und 4b2.
Die Magnetsonden 12 können
in diesem Fall um 90° gedreht,
d. h. axial zur Drehrichtung des Sensors im Meßluftspalt 11 angeordnet
werden. Beide Magnetfeldsonden können
aufgrund dieser Ausführung
auf ein und derselben Leiterplatte angeordnet werden.
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Der Magnet 3 kann nun optimal
dimensioniert werden, da der axiale Abstand der beiden Rotorelemente 4a, 4b frei
wählbar
ist.
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Bei den bisher betrachteten Anordnungen wird
die Periodizität
des Signals an den Meßbereich angepaßt.
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Hierzu wurde eine ganzzahlige Teilung
von Rotor und Stator durch N vorgenommen. Weicht man vom ganzzahligen
Teilungen ab, so ergeben sich Bereiche mit Steigung 0 oder
doppelte Steigung innerhalb einer vollen Umdrehung um 360°.
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Für
Anwendungen mit eingeschränktem Winkelbereich
sind aber auch nichtganzzahlige Teilungen von Rotor und Stator denkbar.
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In Bild 9 ist ein Beispiel dargestellt,
bei dem eine Segmentierung in 57° vorgenommen
wurde und ein redundantes Signal erzeugt wird.
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Zu diesem Zweck sind vier Statorelemente 2a1, 2b1, 2a2, 2b2 vorgesehen,
von denen jeweils zwei Statorsegmente 2a1, 2b1 bzw. 2a2, 2b2 annähernd parallel
aneinandergrenzen. Zwischen diesen beiden Statorpaaren 2a1, 2b1; 2a2, 2b2 ergeben sich
offene Bereiche von hier beispielsweise 66°.
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Das Rotorelement 4a weist
zwei Segmente 4a1, 4a2 von einfacher Statorbreite
(57°) auf.
Das Rotorelement 4b ist komplementär aufgebaut, d. h. die Lücken haben
eine Ausdehnung, welche der Breite der Kreissegmente 4a1, 4a2 des
Rotorelementes 4a entsprechen.
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Bringt man das Rotorpaket 4a, 4b in
eine geeignete Stellung, die ±90° zur dargestellten
Stellung entspricht, so kann dieses als ganzes axial gefügt bzw.
zerlegt werden.
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Hierdurch läßt sich eine wesentliche Montagevereinfachung
erreichen, da nun die Statorseite (Leiterplatte 17) mit
Statoren und Elektronik ebenso wie die Rotorseite (Rotorelemente 4a, 4b,
Magnet 3 und Welle 5) als vormontierte Einheiten
gehandhabt werden können.
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Beispielsweise kann die Rotorseite
auf einem unmagnetischen Körper,
der z. B. aus Kunststoff besteht, vormontiert werden, welche dann
auf die Welle 5 aufgepreßt wird. Durch den Kunststoffkörper läßt sich
eine magnetische Entkopplung der Welle 5 herstellen, welche
dann aus weichmagnetischem Werkstoff bestehen kann. Auch braucht
die Welle dann nicht mehr abgesetzt sein, was ebenfalls eine Vereinfachung
bedeutet.
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In Bild 10 ist die Anordnung des
Sensors auf der Leiterplatte dargestellt. Zur vereinfachten Darstellung
sind hier die Rotorelemente mit halbkreisförmiger Ausgestaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 1 gewählt. Bild
10a zeigt die Draufsicht auf die Leiterplatte 17, während in
Bild 10b die entsprechenden Schnittdarstellungen gezeigt sind.
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Die Rotorelemente 4a, 4b werden
auf eine unmagnetische, zweifach abgesetzte Welle 5 aufgepreßt. Die
Statorsegmente 2a, 2b werden über Bohrungen 20 mittels
Hohlnieten 18 und Scheiben 19 auf der Leiterplatte 17 befestigt,
auf welcher auch die sich im Meßluftspalt
zwischen den Statorsegmenten 2a, 2b angeordneten
Magnetfeldsensoren 12 und evtl. auch weitere Bauelemente
zu Signalkonditionierung angeordnet sind (vgl. Schnitt B-B).
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Wie in der Draufsicht erkennbar,
befinden sich die Bohrungen 20 in den Statorelementen 2a, 2b außerhalb
des äußeren Rotorradius
R1. Eine zusätzliche
Linearisierung der Sensorkennlinie kann über eine winkelabhängige Gestaltung
der Radien erreicht werden.
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Wie aus 10 ersichtlich, ist auch hier der Magnet 3 als
Ringmagnet um die Welle 5 ausgeführt, der axial magnetisiert
ist und direkt auf die Welle 5 zwischen den beiden Rotorscheiben 4a, 4b aufgesteckt
ist.
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In 11 ist
der erfindungsgemäße Positionssensor
als linearer Sensor dargestellt.
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Dieser lineare Sensor weist zwei
bewegliche, weichmagnetische Schiebeelemente 20a und 20b auf.
Das Schiebeelement 20a besitzt ein rechteckförmiges Segment 23 ,
dessen magnetisch wirksame Fläche
F so dimensioniert ist, das sie genau der ebenfalls rechteckförmigen Segmentlücke 24 der zweiten
Schiebeelementes 20b angepaßt ist.
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Auf dem ersten Schiebeelement 20a ist
eine Magnetaufnahme 22 montiert. Diese Magnetaufnahme 22 trägt einen
quaderförmigen
Magnet 3 so, daß bei
der Montage der Magnetaufnahme 22 mit dem ersten Schiebeelement 20a der
Magnet 3 außerhalb der
wirksamen Fläche
F des ersten Elementes 20a angeordnet ist.
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Wie in 12 dargestellt,
ist die Magnetaufnahme 22 mit dem Magnet 3 und
den beiden Schiebeelementen 20a und 20b über eine
Nietverbindung (Öffnungen 25 und
Niet 26) verbunden und dient gleichzeitig als Abstandshalter
zwischen den beiden Schiebeelementen 20a und 20b.
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Die auf einer nicht weiter dargestellten
Leiterplatte befestigten Statorelemente 21a und 21b werden
in die vormontierte Einheit aus den Schiebeelementen 20a und 20b sowie
der Magnetaufnahme 22 so eingeschoben, daß der Luftspalt 28 zwischen den
beiden Statorelementen 21a und 21b von der aktiven
Fläche
F des ersten Schiebeelementes 20a teilweise überdeckt
wird, wobei die Statorelemente 21a, 21b räumlich nahe
dem zweiten Schiebeelement 20b angeordnet sind.
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Steht das Segment 23 des
ersten Schiebeelementes 20a symmetrisch zur Mittellinie
M des Sensors, so ergibt sich kein Ausgleichsfluß über den Meßluftspalt 28 zwischen
den Statorelementen 21a und 21b. Werden die Schiebelemente 20a, 20b in y-Richtung
aus dieser Position ausgelenkt, so stellt sich ein Ausgleichsfluß über den
Luftspalt 28 zwischen den Statorelementen 21a, 21b ein,
welcher von der Magnetfeldsonde 12 registriert wird, die
im Luftspalt 28 der beiden Statorelemente 21a, 21b angeordnet
ist.
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Der lineare Meßbereich des Sensors entspricht
knapp der aktiven Länge
des Segmentes 23 des ersten Schiebeelementes 20a.
Das bedeutet, daß der
Sensor mindestens dreimal länger
ist als der Meßbereich.
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Der beschriebene lineare Sensor kann
beispielsweise zur Erfassung der Stellung eines Fahrpedals in einem
Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Zu diesem Zweck ist der Sensor über eine
Fahrpedalanbindung 29 mit diesem verbunden. Die Anbindung
an die Rückstellfeder
erfolgt über
die Einrichtung 30, die mit Hilfe der Niete 26 einfach
am Sensor, vorzugsweise an dem zweiten Schiebeelement 20b angeordnet ist.