DE2855635A1

DE2855635A1 - Winkelsegmentgeber mit hall-generator

Info

Publication number: DE2855635A1
Application number: DE19782855635
Authority: DE
Inventors: Werner Groezinger; Peter Dipl Ing Hauler; Gottfried Ing Grad Meudt; Herman Roozenbeek; Erich Dipl Ing Dr Zabler; Martin Dipl Ing Dr Zechnall
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1978-12-22
Publication date: 1980-07-10

Description

Winkelsegmentgeber mit Hall-Generator
Die Erfindung betrifft einen Winkelsegmentgeber zur Erfassung des Drehwinkels einer Welle, mit einem magnetisch leitenden, mit der Welle umlaufenden Rotor und mit einem feststehenden Hall-Generator, der mit einem vom Drehwinkel der Welle in seiner Stärke veränderbaren Magnetfeld eines feststehenden Dauermagneten durchsetzt wird, wobei der Dauermagnet und der Hall-Generator magnetisch leitend hintereinander in einem wenigstens annähernd U-förmigen Eisenkern angeordnet sind.
Es sind bereits Winkelsegmentgeber dieser Art vorgeschlagen worden, die jedoch nicht zum Stand der Technik gehören und einen U-förmigen Eisenkreis enthalten, bei welchem die von den Stirnflächen der Schenkel gebildeten Polflächen zur Erzeugung eines maximalen Magnetflusses den Kopfzonen von am Rande einer Geberscheibe angeordneten Stirnzähnen gegenübertreten können. Da bei dieser Anordnung die Polflächen zwischen die Zahnlücken treten, tritt ein umso stärkerer Streufluß auf je größer die in Umfangsrichtung gemessene Breite der Polflächen ist und je kleiner die Zahnteilung gewählt wurde. Wegen der nur geringen Unterschiede zwischen dem Mindestwert und dem auftretenden Höchstwert des Magnetflusses können dort nur kleine elektrische Ausgangswerte am Hall-Generator erzielt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Winkelsegmentgeber der eingangs beschriebenen Art eine Geber scheibe zu schaffen, mit welcher starke Änderungen des magnetischen Flusses und demgemäß entsprechend große elektrische Ausgangswerte des Hall-Generators erzielt werden können. Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der den Hall-Generator und den Dauermagneten enthaltende Eisenkern mit wenigstens einer seiner beiden Polflächen einer zur Drehachse konzentrischen Ringzone an einer der Stirnseiten des scheibenförmigen Rotors gegenübersteht und daß der in Achsrichtung gemessene, den magnetischen Fluß zwischen dieser Polfläche und der Ringzone bestimmende Spalt über einen festgelegten Drehwinkel kleingehalten, an dem sich in Drehrichtung anschließenden Bereich jedoch wesentlich größer ausgebildet ist.
Zur Erläuterung der Erfindung sind nachstehend mehrere Ausführungsbeispiele beschrieben, welche in der Zeichnung dargestellt sind.
Es zeigen: Figur 1 den Eisenkern eines ersten Ausführungsbeispieles in der Ansicht von der Seite und Figur 2 dessen Rotor in axialer, stirnseitiger Draufsicht, Figur 3 zeigt eine erste Stellung des Eisenkreises gegenüber dem Rotor, in welchem der über den Hall-Generator gehende Magnetkreis geöffnet und Figur 4, in welcher dieser Magnetkreis geschlossen ist, Figur 5 ein Schaubild zur Darstellung des über den Hall-Generator geführten Magnetflusses in Abhängigkeit vom Drehwinkel oC des Rotors; Figur 6 einen zweischenkligen Eisenkreis eines zweiten Ausführungsbeispieles, in einer Stellung, in welcher der über den Hall-Generator geführte Magnetkreis geschlossen und Figur 7 in einer Stellung, in welcher dieser Magnetkreis geöffnet ist, Figur 8 den zu einem dritten Ausführungsbeispiel gehörenden Magnetkreis, der wie in Figur 1 dreischenklig ausgebildet ist und in jedem seiner beiden Außenschenkel einen Dauermagnet enthält, wohingegen der Hall-Generator im Mittelschenkel angeordnet ist und Figur 9 ein Schaubild für den magnetischen Fluß in Abhängigkeit vom jeweiligen Drehwinkel < Der in Figur 1 in der Ansicht von der Seite dargestellte, als Abnehmer dienende Eisenkern -1 ist dreischenklig ausgebildet und besteht aus einem aus Weicheisenblech geschichteten Träger 2 mit zwei angeschnittenen Außenschenkeln 3 und 4 sowie einem Mittelschenkel, der von einem Dauermagneten 5 gebildet wird. Auf den rechten, etwas verkürzten Außenschenkel 4 ist ein Hall-Generator 6 aufgesetzt, dessen freie Stirnseite eine der drei Polflächen des Eisenkerns 1 bildet und mit 7 bezeichnet ist.
Diese liegt in einer gemeinsamen, in der Zeichnung nicht näher dargestellten Ebene mit der freien, als Polfläche dienenden Stirnseite 8 des Dauermagneten und der Stirnfläche 9 des Außenschenkels 3, welche die dritte Polfläche bildet. Mit den obengenannten Stirnflächen steht der Eisenkern 2 einer in Figur 2 wiedergegebenen Stirnfläche einer mit einer nicht dargestellten Welle verbundenen, als Rotor dienenden Geberscheibe 10 gegenüber.
Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß der Eisenkern 1 mit seiner Längsmittelebene 11 auf die bei 12 angedeutete Drehachse der Geberscheibe 10 zeigt.
Die Geberscheibe 10 ist aus magnetisch leitendem Material hergestellt und enthält drei Ringnuten 13, 14 und 15, welche sich jeweils über einen Drehwinkel von 600 erstrecken und untereinander gleichen radialen Abstand von der Drehachse 12 haben. Zu diesen jeweils um 600 versetzt sind drei weitere Ringnuten 16, 17 und 18 angeordnet, deren radialer Abstand von der Drehachse 12 jedoch so gering gewählt ist, daß zwischen der inneren und der äußeren Ring zone der Dauermagnet in der aus den Figuren 3 und 4 erkennbaren Weise.der Scheibe 10 bei deren Umlauf stets mit einem gleichbleibenden kleinen axialen Luftspalt gegenübersteht.
Figur 3 gibt die magnetischen Verhältnisse wieder für den Fall, daß die Längsmittelebene des Eisenkerns 1 sich mit der nach der Linie III-III geführten, radialen Schnittebene deckt. Dann steht der Hall-Generator 6 mit einem großen axialen Luftspalt über dem nicht näher bezeichneten Nutgrund der Ringnut 16. Der vom Dauermagneten 5 ausgehende1 über den Schenkel 4 und den Hall-Generator führende Magnetkreis ist wegen dieses sehr großen Luftspaltes praktisch geöffnet, während der zweite über den Außenschenkel 3 gehende Magnetkreis infolge des nur sehr geringen Luftspaltes, den der Außenschenkel gegenüber der Scheibe 10 hat einen so geringen magnetischen Widerstand enthält, daß er praktisch einen magnetischen Kurzschluß für den erstgenannten, offenen Magnetkreis darstellt.
Die Folge davon ist, daß über den Hall-Generator praktisch keine Kraftlinien gehen und die vom Hall-Generator 6 gelieferte Ausgangsspannung praktisch Null ist.
Figur 4 zeigt die magnetischen Verhältnisse, wenn sich die Geberscheibe 10 gegenüber Figur 3 um 300 soweit dreht, daß der Hall-Generator 6 auf den innenliegenden planen Teil 20 der Stirnseite auf läuft und diesem dann mit sehr geringem Luftspalt 21 gegenübersteht. Der den Dauermagneten 5 und den Hall-Generator 6 enthaltende rechte Magnetkreis ist deshalb praktisch geschlossen und erzeugt einen starken Fluß durch den Hall-Generator 6, der seinerseits eine hohe Ausgangsspannung liefern kann, während gleichzeitig der linke Magnetkreis, welcher den Dauermagneten 5 und den Außenschenkel 3 enthält, infolge der unter diesem Außenschenkel liegenden Ringnut 14 geöffnet ist.
Figur 5 zeigt den beim Umlauf der Geberscheibe 10 entstehenden Verlauf der gleichsinnigen Flußdichteänderungen B/mT in Abhängigkeit vom Drehwinkel oÇ der Geberscheibe 10.
Mit o( ist der Zentriwinkel angedeutet, über welchen sich die einzelnen, von den Ringnuten 13 bis 18 gebildeten Winkelsegmente erstrecken.
Im Gegensatz zu dem als feststehender Abnehmer dienenden Eisenkern 1 ist der Eisenkern nach den Figuren 6 und 7 nur zweischenklig ausgebildet und enthält einen in der Gebrauchsstellung radial zur Drehachse gerichteten Träger 24 aus L-förmigen, gestanzten Blechlamellen, auf dessen zur Drehachse 12 der Geberscheibe 25 parallel gerichteten, kürzeren Schenkel der Hall-Generator 6 aufgesetzt ist.
Die Geberscheibe 25 enthält mindestens eine Ringnut 27, deren radiale Breite so groß gewählt ist, daß sich der Hall-Generator 6 ebenso wie der Dauermagnet 5 im ??Offen zustand befindet, wenn er dieser Ringnut gegeübersteht, jedoch der aus dem Dauermagneten 5, dem Träger 24, dem Hall-Generator 6 und der als Rückschluß dienenden Geberscheibe 25 bestehende Magnetkreis geschlossen ist und einen starken Magnetfluß durch den Hall-Generator 6 liefert, wenn der Eisenkern 23 sowohl mit dem Hall-Generator 6 als auch mit dem Dauermagneten 5 mit sehr kleinem, den magnetischen Fluß bestimmenden Luftspalt 28 bzw. 29 der Geberscheibe 25 gegenübersteht. Ebenso wie beim vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel ergibt die gleichsinnige Flußmodulation am Hall-Generator 6 bei jedem Umlauf impulsförige Ausgangsspannungen, wobei die Zahl der Impulse der Anzahl der über den Umfang der Scheibe verteilt angeordneten Ringnuten 27 entspricht.
Wenn der Winkelsegmentgeber zur Steuerung der Zündung einer Sechszylinder-Brennkraftmaschine vorgesehen ist, werden zweckmäßig drei der bei 27 angedeuteten Ringnuten mit gleichem radialem Abstand in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet, wobei die Länge der zu jeder der als Winkelsegmente dienenden Ringnuten 27 auch von der bei symmetrischer Verteilung geltenden 600-Erstreckung positiv oder negativ abweichen kann. Auch in diesem Falle können die Ausgangssignaländerungen am Hall-Generator 6 mit Hilfe von in der Zeichnung nicht dargestellten Schwellwertschaltern zur digitalen Darstellung der Winkelsegmente verwendet werden.
Während bei den vorherbeschriebenen Ausführungsbeispielen jeweils eine gleichsinnige Flußmodulation am Hall-C-enerator 6 erzeugt werden kannn dient der dreischenklige Eisenkreis 31 nach Figur 8 dazu, mit zwei Dauermagneten 32 und 33 gegensinnige Flußänderungen zu erzielen, wenn der Eisenkern 31 einer- Geberschelbe der in Figur 2 dargestellten Art mit inneren und äußeren Ringnuten gegenübersteht. Beim Passieren eines Winkelsegmentes, beispielsweise der äußeren Ringnut 13.ist der linke Magnetkreis geöffnet und der am Mittelschenkel 34 des Eisenkerns 31 sItzende Hall-Generator 6 liegt dann in dem geschlossenen, uber den rechten Dauermagneten 33 führenden Magnetkreis, für den die innenliegende Planzone 20 der Geberscheibe 10 den magnetischen Rückfluß besorgt.
Nach Segmentwechsel ist (beispielsweise über der inneren Ringnut 16 stehend) der rechte Dauermagnet 33 praktisch unwirksam, während der linke Dauermagnet 32 eingeschaltet ist und mit geringem axialem Luftspalt der Planzone an der Stirnseite der Geberscheibe 10.
Aufgrund der durch die Ringnuten 13 bis 18 verursachten Änderungen der wirksamen Luftspalte entsteht am Hall-Generator 6 eine Polaritätsumkehr der Flußdichte B/irtT, wie sie in Figur 9 über dem Drehwinkel « der Geberscheibe 10 dargestellt ist. Mit einem nichtdargestellten Schwellwertschalter können die Winkelsegmente, von welchen eines in Figur 9 für den zugehörigen Drehwinkel bCO dargestellt ist, in digitale Form gebracht werden.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Winkelsegmenterkennung liegt darin, daß keine winkelmarkierenden Permanentmagnete auf der Geberscheibe erforderlich sind, welche bei hohen Fliehkräften aus der Geberscheibe herausgeschleudert werden können. Die zur Markierung der Winkelsegmente vorgesehenen Ringnuten können schon beim Guß der Geberscheibe angebracht werden, wodurch sich eine erhebliche Vereinfachung und Verbilligung erzielen läßt.
L e e r s e i t e

Claims

Ansprüche 1. Winkelsegmentgeber zur Erfassung des Drehwinkels einer Welle mit einem magnetisch leitendem, mit der Welle verbundenen Rotor und mit einem feststehenden Hall-Generator, der mit einem vom Drehwinkel der Welle in seiner Stärke abhängigen, veränderbaren Magnetfeld eines feststehenden Dauermagneten durchsetzt wird, wobei der Dauermagnet und der Hall-Generator magnetisch leitend hintereinander in einem wenigstens annähernd U-förmigen Eisenkern angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern (1, 23, 31) mit wenigstens einer seiner Polflächen (7, 8, 9) einer zur Drehachse konzentrischen Ringzone (13 bis 18 bzw. 20, 27) an einer der Stirnseiten des scheibenförmig ausgebildeten Rotors (10, 25) gegenübersteht und daß der in zur Drehachse (12) paralleler Richtung gemessene, den magnetischen Fluß zwischen dieser Polfläche und der Ringzone bestimmende Spalt (19, 21, 28, 29) über einen festgelegten, dem Winkelsegment entsprechenden Drehwinkel (oC) klein, an dem sich in Drehrichtung anschließenden Bereich wesentlich größer ist.
2. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine als Rotor dienende Geberscheibe zwei zueinander konzentrische Ringzonen enthält, deren radiale Breite mindestens so groß ist wie die radial gemessene Breite der Polflächen.
3. Geber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der bzw.. den Ringzone wenigstens eine Ringnut (13 bis 18, 27) angeordnet ist.
4. Geber nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden, zueinander konzentrischen und mit jeweils wenigstens einer Ringnut versehenen Ringzonen eine Planzone (20) vorgesehen ist, die mindestens über den Winkelbereich zweier in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden, jeweils auf einer der beiden Ringzonen angeordneten Ringnuten einen konstantbleibenden Abstand zu einer der Polflächen (7 bis 9) ergibt.
5. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern (1, 31) dreischenklig ausgebildet ist.
6. Geber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelschenkel durch den Dauermagneten (5) gebildet ist, während an oder in einem der Außenschenkel (3, 4) der Hall-Generator (6) angeordnet ist.
7. Geber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hall-Generator (6) im Mittelschenkel des dreischenkligen Eisenkerns -(31) angeordnet ist und wenigstens einer der Außenschenkel (3, 4) den Dauermagneten (6) enthält.
8. Geber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beide Außenschenkel (3, 4) je einen von zwei Dauermagneten (32 bzw. 33) enthalten.