DE102006020700B4 - Device for detecting the angle of rotation - Google Patents
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Abstract
Einrichtung zur Drehwinkelerfassung eines konstruktiven Elementes mit einem an dem konstruktiven Element befestigtern Gebermagneten und mindestens einem seitlich zum konstruktiven Element angeordneten Sensor, der den Magnetfeldwinkel in der Ebene senkrecht zur Drehachse des konstruktiven Elementes erfasst, wobei der Gebermagnet senkrecht zur Drehachse diametral (d. h. zweipolig) oder lateral mehrpolig magnetisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet ein einteiliger, symmetrischer, ringförmiger Rotationskörper ist, der einen in axialer Richtung mittig angeordneten verjüngten ringförmigen Bereich mit kleinerem Außendurchmesser aufweist, und dass der Sensor in axialer Richtung mittig zum Gebermagneten angeordnet ist.Facility for the rotation angle detection of a structural element with a to the constructive element fasten encoder magnets and at least a laterally arranged to the structural element sensor, the the magnetic field angle in the plane perpendicular to the axis of rotation of the constructive Element detected, the encoder magnet perpendicular to the axis of rotation diametrically (that is, bipolar) or laterally multipolar magnetized characterized in that the donor magnet is a one-piece, symmetrical, ring-shaped body of revolution is that of a centrally located in the axial direction of the tapered annular area having a smaller outer diameter, and that the sensor in the axial direction centered on the encoder magnet is arranged.
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Drehwinkelerfassung vermittels von Dauermagneten und Feldwinkelsensoren. Die berührungslose magnetische Erfassung des Drehwinkels eines konstruktiven Elementes, z. B. einer Welle, mit einem daran fixierten sich mitdrehendem Gebermagneten geschieht konventionell über die Auswertung einer magnetischen Feldkomponente, gemessen z. B. mit Hallsensoren, oder über die Auswertung des Feldwinkels, der mithilfe zum Beispiel magnetoresistiver Sensoren oder Hall-arrays gemessen wird. Sensoren, die den Feldwinkel erfassen, lassen sich grundsätzlich in zwei Positionen anbringen. Zum einen kann der Sensor auf der Drehachse stirnseitig vor dem konstruktiven Element angeordnet sein. Bei einer durchgehenden Welle oder wenn aus Platzgründen eine stirnseitige Anordnung nicht infrage kommt, kann der Sensor seitlich der Welle angeordnet sein, wobei der Gebermagnet diametral (d. h. zweipolig) oder an der Außenseite mehrpolig lateral magnetisiert ist.The The invention relates to a device for detecting the rotation angle of permanent magnets and field angle sensors. The non-contact magnetic detection of the angle of rotation of a structural element, z. As a wave, with a fixed to it rotating encoder magnet happens conventionally over the evaluation of a magnetic field component, measured z. B. with Hall sensors, or over the evaluation of the field angle using, for example, magnetoresistive sensors or Hall arrays is measured. Sensors that detect the field angle, can be basically in two positions. For one, the sensor on the Rotary axis be arranged frontally before the structural element. For a continuous wave or if space reasons one Frontal arrangement is out of the question, the sensor can side the shaft, the encoder magnet being diametrically (i.e. bipolar) or on the outside multipolar is laterally magnetized.
Anordnungen
hierzu zeigt beispielsweise die Schrift
Während sich das Feld bei einer stirnseitigen Sensoranordnung auf der Achse synchron mit dem Drehwinkel des Magneten mit dreht, zeigt die Felddrehung bei einem seitlich angeordneten Sensor in Bezug auf die Drehung der Welle einen mehr oder wenig stark nicht linearen Verlauf. Dies erschwert die Auswertung und führt insbesondere in dem Bereich, über den die Felddrehung unterproportional langsam zur mechanischen Rotation verläuft, zu einem erhöhten Meßfehler.While the field in a front-end sensor arrangement on the axis synchronously rotates with the rotation angle of the magnet, shows the field rotation with a laterally arranged sensor with respect to the rotation the wave a more or less strong non-linear course. This complicates the evaluation and leads especially in the field, about the field rotation is less slowly proportional to the mechanical rotation runs, to an increased Measurement error.
In
der Patentschrift
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen,
bei welcher die Drehung eines konstruktiven Elementes mit daran
befestigten Magneten über
einen Feldwinkelsensor außerhalb
der Achse erfaßt
wird, und bei welcher der vom Sensor erfaßte Winkel möglichst
linear über
eine gesamte Umdrehung des Drehelementes den mechanischen Winkel
widerspiegelt. Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
daß ein
diametral oder lateral mehrpolig magnetisierter Gebermagnet als
ein einteiliger, symmetrischer, ringförmiger Rotationskörper ausgebildet
ist, der einen in axialer Richtung mittig angeordneten, verjüngten ringförmigen Bereich mit
kleinerem Außendurchmesser
aufweist, und bei dem der Sensor in axialer Richtung mittig zum
Gebermagneten seitlich angeordnet ist. Hierbei ist die Verjüngung so
auf den radialen Abstand des Sensors angepaßt, daß der gemessene Feldwinkel
sich linear zum mechanischen Drehwinkel der Achse verhält, wobei
der gemessene Drehwinkel αmag sich bei 2n Polen des Magneten zum mechanischen
Drehwinkel αMech in guter Näherung linear verhält gemäß:
Bei diametraler Magnetisierung (2n = 2) wird das lineare Verhalten dadurch am günstigsten, dass bei einem größeren Außendurchmesser des Gebermagneten von 8 mm–60 mm die Verjüngung auf Höhe des Sensors sich über eine Breite in axialer Richtung von 1 mm bis 12 mm, vorzugsweise 2–10 mm erstreckt, und dass die Messfläche des Winkelsensors auf einem Abstand zur Drehachse liegt, der größer als der halbe größere Außendurchmesser des Gebermagneten aber nicht mehr als radial 6 mm hierzu nach außen verschoben liegt. Für Magnetabmessungen, die deutlich größer oder kleiner als der genannte größere Außendurchmesser sind, vergrößern/verkleinern sich die gegebenen Abmessungen entsprechend.at diametral magnetization (2n = 2) becomes the linear behavior by the cheapest, that at a larger outside diameter the encoder magnet of 8 mm-60 mm the rejuvenation at height the sensor over a width in the axial direction of 1 mm to 12 mm, preferably 2-10 mm extends, and that the measuring surface of the angle sensor is at a distance from the axis of rotation which is greater than half the larger outer diameter the transmitter magnet but not more than 6 mm radially displaced to the outside lies. For Magnetic dimensions that are significantly larger or smaller than that larger outer diameter are, enlarge / reduce the given dimensions correspond.
Für lateral mehrpolig (2n > 2) magnetisierte Magnethälften, bei denen der Feldwinkel sich mit mehrfacher Rotation per Umdrehung des mechanischen Elementes dreht, liegt bei gleichem größeren Außendurchmesser des Gebermagneten der günstigste Meßabstand maximal 4 mm radial außerhalb des halben größeren Außendurchmessers und der Verjüngungsbereich beträgt 0,5 mm bis 10 mm vorzugsweise 1 mm bis 6 mm. Hierbei sind vorzugsweise 4 bis 8 laterale Pole zu verwenden, da bei größerer Polzahl das Magnetfeld für heute gängige Sensortypen zu gering wird.For lateral multipolar (2n> 2) magnetized magnet halves, where the field angle with multiple rotation per revolution of the mechanical element rotates, lies with the same larger outer diameter the encoder magnet the cheapest measuring distance maximum 4 mm radially outside the half larger outer diameter and the rejuvenation area is 0.5 mm to 10 mm, preferably 1 mm to 6 mm. These are preferably 4 to 8 lateral poles to use, since with larger number of poles the magnetic field for today common Sensor types is too low.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Gebermagneten ist es möglich, diesen als rotationssymmetrischen Körper kostengünstig zu gestalten, es ist aber auch möglich, dem Gebermagneten Anflächungen, Verzahnungen oder Kerben zur Ausrichtung und Fixierung z. B. auf der Welle zu geben. Zur Formgestaltung des Gebermagneten sind kunststoffgebundene Magnetwerkstoffe besonders vorteilhaft, da diese im Spritzgußverfahren oder formpreßtechnisch auch in komplexer Geometrie hergestellt werden können. Zur Erreichung eines ausreichenden Meßsignales sind je nach Empfindlichkeit und Größe der Sensoren insbesondere Magnetwerkstoffe auf Basis von Seltenerdübergangsmetallen von Vorteil.The inventive arrangement of the encoder magnet, it is possible to make this cost as a rotationally symmetrical body cost, but it is also possible, the donor magnets flats, teeth or notches for alignment and fixation z. B. on the shaft. For the design of the encoder magnet plastic-bonded magnetic materials are particularly advantageous because they can be produced by injection molding or molding technology in complex geometry. To achieve a sufficient measuring signal are depending on the sensitivity and size the sensors in particular magnetic materials based on rare earth transition metals advantage.
Die
Erfindung wird anhand des folgenden Beispieles für einen diametral magnetisierten
(d. h. zweipoligen) Magneten erläutert:
In
der
In the
- 11
- Gebermagnetsensor magnet
- 1a1a
- Magnetringteil mit größerem AußendurchmesserMagnetic ring member with larger outer diameter
- 1b1b
-
zu
1a symmetrischer Magnetringteilto1a symmetrical magnetic ring part - 22
- Drehachseaxis of rotation
- 33
- Magnetisierungmagnetization
- 44
- Feldrichtungfield direction
- 55
- Drehrichtung der Drehachse und des Magnetendirection of rotation the axis of rotation and the magnet
- 66
- Drehrichtung des Magnetfeldesdirection of rotation of the magnetic field
- 77
- Sensorsensor
- 88th
- Welle oder Teil eines konstruktiven Elementeswave or part of a constructive element
- 99
- verjüngter Zwischenbereich des MagnetenTapered intermediate area of the magnet
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