DE69820982T2

DE69820982T2 - Mehrpoliger magnetischer Ring

Info

Publication number: DE69820982T2
Application number: DE69820982T
Authority: DE
Inventors: Francis Travostino
Original assignee: Societe Nouvelle de Roulements SNR SA
Current assignee: NTN Europe SA
Priority date: 1997-12-02
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2018-11-28
Also published as: FR2771864B1; JPH11233338A; EP0939293A1; US5920248A; EP0939293B1; DE69820982D1; FR2771864A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen multipolaren Ring zur Erzeugung eines sinusförmigen Magnetfeldes, dessen Periode einem oder mehreren Umfängen des Rings entspricht.
Eine spezielle Anwendung eines derartigen magnetischen Rings betrifft seine Verbindung mit magnetischen Sensoren, insbesondere Absolutpositionssensoren, die beispielsweise in Lagersensoren verwendet werden.
Gegenwärtig werden magnetische multipolare Ringe aufgrund ihres einfachen Einsatzes und ihrer geringen Kosten sehr häufig bei Anwendungen magnetischer Positionssensoren verwendet. Das Substrat der magnetischen multipolaren Ringe wird im allgemeinen aus zumindest einer magnetischen Phase aus Ferrit oder seltenen Erden gebildet, deren magnetische Bereiche durch eine Magnetisierung orientiert werden, um Nord- und Südpole zu erzeugen. Gemäß einer anderen Realisierungsweise kann dieses Substrat auch aus zwei Phasen gebildet werden, wovon eine, wie zuvor beschrieben wurde, magnetisch ist und die andere unmagnetisch, beispielsweise aus Elastomer, aus Polymer oder aus einem thermohärtbaren Material ist, das dazu bestimmt ist, die verschiedenen die magnetische Phase bildenden Partikel untereinander zu verbinden. Diese zweite Realisierungsweise stellt einen hervorragenden Kompromiss zwischen der magnetischen Leistungsfähigkeit und den Herstellungskosten eines derartigen magnetischen Rings dar.
Die Magnetisierung eines multipolaren magnetischen Rings, um eine Folge von Nord- und Südpolen zu erhalten, kann entweder Pol für Pol mit einem Magnetisierungskopf realisiert werden, der sich über das zu magnetisierende magnetische Substrat verschiebt, oder indem alle Pole auf einmal mit Hilfe einer Magnetisierungsvorrichtung mit einem Spulendraht erzeugt werden.
Wenn diese magnetischen Ringe mit magnetischen Sensoren der Bauart einer Halleffektsonde, einer Magnetowiderstandssonde oder eines Sensors mit variabler Reluktanz gekoppelt werden, erzeugen sie sinusförmige elektrische Signale, deren Auswertung Informationen über die Geschwindigkeit, die Drehrichtung und die relative Position der Systeme, in welche sie integriert sind, liefert.
1a ist ein Beispiel eines kreisförmigen magnetischen Rings mit acht Paaren von Nord- und Südpolen, von oben gesehen, der mit einer digitalen Halleffektsonde gekoppelt ist, die diesem gegenüberliegend angeordnet ist und ein periodisches elektrisches Signal mit einer Rechteckform liefert, wie in 1b dargestellt ist.
Für eine Anzahl von Paaren von Nord- und Südpolen, einen Typ eines magnetischen Materials und eine Geometrie des magnetischen Rings – innerer und äußerer Durchmesser und Dicke –, die für eine verwendete Magnetisierungstechnik – mit einem Magnetisierungskopf oder einer Magnetsierungsvorrichtung mit einem Spulendraht – bestimmt wurde, und für eine gegebene Polbreite, kann das Profil des Magnetfeldes, das durch den Ring erzeugt wird und durch das Fühlelement eines damit gekoppelten magnetischen Sensors aufgenommen wird, unterschiedlich sein. Die 2a bis 2d zeigen Beispiele von Profilen von Magnetfeldern, die durch derartige magnetische Ringe geliefert werden, wie z. B. entsprechende Profile des sinusförmigen Typs, Profile des trapezförmigen Typs, die einem Sensor entsprechen, der sich näher am Ring befindet, des dreieckigen Typs, entsprechend einem weiter vom Ring entfernten Sensor und des sinusförmig abgestumpften Typs. Lediglich das erste sinusförmige Profil erlaubt es, einfache elektronische Interpolationen vorzunehmen, um die Auflösung der digitalen Positionssensoren künstlich zu erhöhen.
Folglich dienen diese aktuellen magnetischen multipolaren Ringe lediglich dazu, Informationen über die relative Position und in keinem Fall über die absolute Position zu liefern, d. h. die Position des zugeordneten Systems, die ab seinem Einschalten, ohne über eine Initialisierungsstufe oder Stufe zur Bestimmung der Referenzposition zu gehen, exakt eindeutig bekannt ist. Tatsächlich ist es unmöglich, ein einziges Paar von Nord- Südpolen so auf einem magnetischen Ring zu magnetisieren, daß ein sinusförmiges Profil eines Magnetfeldes mit einer Periode eines Umfangs des Rings erhalten wird.
Es ist das Ziel der Erfindung, dieses Problem zu lösen, indem insbesondere ein bipolarer magnetischer Ring vorgeschlagen wird, dessen spezifisches Magnetisierungsprofil ein magnetisches Feld mit einer Sinusform erzeugt und der nur eine einzige Periode pro Umfang bzw. Umdrehung des Rings besitzt.
Dazu ist der Gegenstand der Erfindung ein bipolarer magnetischer Ring, der dazu bestimmt ist, ein sinusförmiges Magnetfeld zu erzeugen, der zylindrisch ist, eine Höhe h und eine Breite l zwischen einem inneren Durchmesser D_i und einem äußeren Durchmesser De und einen Lesedurchmesser D_l umfaßt, der sich für die Positionierung eines oder mehrerer magnetischer Lesesensoren des durch den Ring ausgesandten Magnetfeldes beispielsweise in der Mitte der Breite befindet, dadurch gekennzeichnet, daß seine Magnetisierung einen Nord- und einen Südpol hervorruft, die sich ineinander konzentrisch so überlappen bzw. verschachtelt sind, daß ihre Breiten L_p gleich und konstant sind, und daß die zwei magnetischen Übergänge zwischen jedem der zwei Pole jeweils einer monotonen Kurve folgen, die sich für ein Viertel des Umfangs des Rings um eine halbe Breite des Pols längs der Breite oder der Höhe des Rings verschiebt, wobei die zwei Kurven um 180° versetzt sind, damit das Magnetfeld eine einheitliche Periode aufweist, die einem Umfang des Rings entspricht.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Lektüre der Beschreibung zweier Ausführungsformen eines magnetischen Rings, die durch die folgenden Figuren veranschaulicht sind, welche außer den 1a, 1b und 2a bis 2d, die bereits beschrieben wurden, sind:
3: eine Draufsicht eines magnetischen Rings gemäß einer ersten Ausführungsform;
4: das Profil des Magnetfeldes, das mit einem erfindungsgemäßen magnetischen Ring erhalten wird;
5a und 5b: eine Ansicht von der Seite und eine Draufsicht auf einen magnetischen Ring gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Der gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung realisierte Ring, der in einer Draufsicht in 3 gezeigt ist, ist zylindrisch, wobei die beiden parallelen gegenüberliegenden Flächen eine radiale konstante Breite l zwischen einem inneren Durchmesser D_i und einem äußeren Durchmesser D_e aufweisen, mit einem Durchmesser D_l, der Lesedurchmesser genannt wird und sich vorzugsweise in der Mitte dieser Breite befindet. Dieser Durchmesser D_l entspricht dem Positionierungsdurchmesser des oder der Fühlelemente eines magnetischen Sensors, der vorgesehen wird, um das durch den Ring ausgesandte magnetische Feld zu lesen. Auf einer Fläche dieses magnetischen Rings l sind zwei Pole magnetisiert, ein Nordpol N und ein Südpol S, die entsprechend zwei Spiralen S₁ und S₂ ineinander greifen, die an zwei Punkten P₁ und P₂, die sich diametral auf dem Umfang C des Rings gegenüberliegen, beginnen, und welche dieselbe Länge aufweisen, die durch Drehung um zumindest einen Umfang um die Symmetrieachse δ des Rings so erhalten werden, daß die Breite L_p jedes Pols für die zwei Pole konstant und identisch bleibt. In 3 wird die Länge der zwei Spiralen durch Drehung um einen Umfang und ein Viertel eines Umfangs erhalten. Die Entwicklung der Form der zwei spiralförmigen Pole ist so, daß sich die beiden magnetischen spiralförmigen Übergänge s₁ und s₂ zwischen dem Nordpol N und dem Südpol S auf der Höhe des Lesedurchmessers D_l für ein Viertel einer Umdrehung des Rings, d. h. mechanische 90°, in monotoner Weise um eine halbe Breite des Pols L_p verschieben. Die Gleichungen, die die Änderungen der Radien R₁ und R₂ der jeweiligen Spiralen s₁ und s₂ in Abhängigkeit vom mechanischen Winkel α zwischen der Referenzposition 0°, die einer Achse A₀ entspricht, und irgendeinem Radius R des Rings beschreiben, sind die folgenden: R2 = R0 – (Lp*α/π) R1 = R2 – Lp R0 = (Dl/2) + Lp wobei R₀ = R₂, wenn α = 0°
und wobei α alle reellen Werte zwischen 0 und 2πrad annimmt.
Für die Position 0°, die der Achse A₀ entspricht, ist einerseits der Südpol S um den Lesedurchmesser D_l zentriert und wird symmetrisch durch zwei identische Abschnitte des Nordpols N umrahmt, deren gesamte Breite von der Breite l des Rings abhängt.
Für die 90°-Position, die der Achse A₉₀ entspricht, stimmt der magnetische Übergang s₂ zwischen dem Südpol S und dem Nordpol N mit dem Lesedurchmesser D_l überein und die Breite jedes Pols ist beidseitig des Übergangs s₂ gleich L_p. In Abhängigkeit von der Breite l des Rings können zwei Abschnitte der Nord- und Südpole, die in ihrer Breite identisch sind, die zwei Breiten L_p dieser Pole umrahmen.
Für die 180°-Position, die der Achse A₁₈₀ entspricht, ist der Nordpol N um den Lesedurchmesser D_l zentriert und wird darüber hinaus symmetrisch durch zwei Teile des Südpols S, die identisch sind, umrahmt, d. h. deren Gesamtbreite hängt von der Breite l des Rings ab.
Schließlich stimmt für die 270°-Position, die der Achse A₂₇₀ entspricht, der magnetische Übergang s₁ zwischen dem Südpol S und dem Nordpol N mit dem Lesedurchmesser D_l überein. Jeder Pol hat beidseitig des Übergangs P₁ eine Breite, die gleich L_p ist.
Der so beschriebene bipolare zylindrische magnetische Ring erzeugt ein sinusförmiges Magnetfeld, das pro Umdrehung um einen Umfang des Rings um seine Symmetrieachse δ nur eine Periode umfaßt. Das Profil dieses Magnetfeldes ist in 4 dargestellt.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform eines magnetischen Rings gemäß der Erfindung ist die äußere Oberfläche eines zylindrischen Rings mit einer Höhe h so magnetisiert, daß ein Nordpol N' und ein Südpol S' erhalten werden, wie die 5a zeigt, die eine Seitenansicht des Rings entsprechend seiner Höhe h ist, während die 5b eine Ansicht entsprechend einer seiner zwei parallelen Flächen ist. Der Lesedurchmesser D'_l befindet sich in der Mitte der Höhe h.
Der Nordpol N' und der Südpol S' haben dieselbe konstante Breite L'_p in Abhängigkeit von der Höhe h des Rings. In 5a ist die Breite L'_p gleich der Hälfte der Höhe h. Darüber hinaus sind sie ineinander gemäß den zwei Spiralen h₁ und h₂ verschachtelt, die um die Symmetrieachse δ' parallel zentriert sind und mit einem konstanten Abstand von L'_p getrennt sind, wobei sie an den zwei Punkten P'₁ und P'₂ beginnen, die sich auf dem Lesedurchmesser D_l diametral so gegenüberliegen, daß auf Höhe des Lesedurchmessers D'_l das Magnetfeld an den vier zueinander orthogonalen Achsen A'₀, A'₉₀, A'₁₈₀ und A'₂₇₀ entsprechend den jeweiligen Positionen 0°, 90°, 180° und 270°, jeweils durch das Maximum des Südpols S', einen magnetischen Übergang h₁, das Maximum des Magnetpols N' und einen magnetischen Übergang h₂ zwischen den zwei Polen hindurchgeht. Die Form der zwei Pole als Spirale, entwickelt sich in monotoner Weise um eine halbe Breite des Pols L'_p für ein Viertel des Umfangs für eine Umdrehung des Rings, d. h. 90 mechanische Grad.
Ein erfindungsgemäßer magnetischer bipolarer Ring hat den Vorteil, daß er mit Hilfe von Lenksäulenlagern in Lagersensoren für KFZ-Anwendungen, wie z. B. die Navigation und die Wegkontrolle, verwendet werden kann. Eine weitere interessante Verwendung eines derartigen magnetischen Rings betrifft industrielle Anwendungen, bei welchen es nützlich ist, die absolute Position einer Vorrichtung, wie beispielsweise eines elektrischen Antriebsmotors für eine Werkzeugmaschine oder einen Roboter zu kontrollieren und zu steuern.

Claims

Magnetischer multipolarer Ring, der dazu bestimmt ist, ein sinusförmiges Magnetfeld zu erzeugen, der zylindrisch ist, eine Höhe (h) und eine Breite (l) aufweist, die zwischen einem inneren Durchmesser (D_i) und einem äußeren Durchmesser (D_e) liegt, und der einen Lesedurchmesser (D_l) aufweist, der sich für die Positionierung eines oder mehrerer magnetischer Lesesensoren des Magnetfeldes, das durch den Ring ausgesandt wird, beispielsweise in der Mitte der Breite (l) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß seine Magnetisierung einen Nordpol (N) und einen Südpol (S) hervorruft, die sich ineinander konzentrisch so überlappen, daß ihre Breiten (L_p) gleich und konstant sind, und daß die zwei magnetischen Übergänge zwischen jedem der zwei Pole jeweils einer monotonen Kurve folgen, die sich für ein Viertel des Umfangs des Rings um eine halbe Breite des Poles längs der Breite oder der Höhe des Rings verschiebt, wobei die zwei Kurven um 180° versetzt sind, damit das Magnetfeld eine einheitliche Periode aufweist, die einem Umfang des Rings entspricht.
Multipolarer magnetischer Ring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Magnetisierung auf einer seiner zwei flachen, zur Breite (l) parallelen Stirnflächen realisiert ist, wobei sie zwei sich einander überlappenden Spiralen folgt (s₁ und s₂), die an zwei diametral gegenüberliegenden Punkten (P₁ und P₂) des Umfangs (C) des Rings beginnen und eine gleiche Länge aufweisen, die zumindest nach einer Drehung um zumindest einen Umfang um die Symmetrieachse (δ) des Rings erhalten wird.
Multipolarer magnetischer Ring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei magnetischen Übergänge, welche die Breite des Nordpols (N) und des Südpols (S) definieren, in der Form zweier konzentrischer Spiralen (s₁ und s₂) realisiert sind, von welchen sich der jeweilige Radius (R₁ und R₂) in Abhängigkeit von dem mechanischen Winkel (α), ausgedrückt in Polarkoordinaten, gemäß den folgenden Gleichungen ändert: R2 = R0 – (Lp*α/π) R1 = R2 – Lp R0 = (Dl/2) + Lp mit R₀ = R₂ für α = 0, wobei α zwischen 0 und 2πrad enthalten ist, D_l gleich dem Lesedurchmesser des Rings ist und L_p gleich der Breite eines Pols ist.
Multipolarer magnetischer Ring nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Nordpol (N) und der Südpol (S) einander derart überlappen, daß: – für eine Referenzposition 0°, entsprechend einer Achse (A₀), der Südpol (S) über den Lesedurchmesser (D_l) zentriert ist und symmetrisch durch zwei identische Bereiche des Nordpols (N) eingefasst ist; – für eine Position von 90° orthogonal zur vorhergehenden Position, entsprechend einer Achse (A₉₀), der magnetische Übergang (s₂) zwischen dem Südpol (S) und dem Nordpol (N) mit dem Lesedurchmesser (D_l) übereinstimmt und jeder Pol eine Breite aufweist, die gleich (L_p) ist; – für eine Position von 180° orthononal zur vorhergehenden Position, entsprechend einer Achse (A₁₈₀), der Nordpol (N) über den Lesedurchmesser (D_l) zentriert ist und symmetrisch durch zwei identische Bereiche des Südpols (S) eingefasst ist; – für eine Position von 270° orthogonal zur vorhergehenden Position, entsprechend einer Achse (A₂₇₀), der magnetische Übergang (s₂) zwischen dem Südpol und dem Nordpol mit dem Lesedurchmesser (D_l) übereinstimmt und jeder Pol eine Breite aufweist, die gleich (L_p) ist.
Multipolarer magnetischer Ring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Magnetisierung auf seiner äußeren Oberfläche mit einer Höhe (h) realisiert ist, die zwei Helices (h₁ und h₂) folgt, die einander überlappen, konzentrisch, parallel sind und voneinander um eine konstante Entfernung (L'_p) getrennt sind, die an zwei Punkten (P'₁ und P'₂) beginnen, die sich bezüglich des Lesedurchmessers (D'_l) diametral gegenüberliegen und sich in monotoner Weise um eine halbe Breite des Pols (L'_p) für ein Viertel einer Umdrehung des Rings mit gleicher Länge verändern, die nach einer Drehung um einen Umfang um die Symmetrieachse (δ') des Rings erhalten wird.
Multipolarer magnetischer Ring nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Nordpol (N') und der Südpol (S') einander so überlappen, daß auf Höhe des Lesedurchmessers (D'_l) – für eine Referenzposition 0°, entsprechend einer Achse (A'₀), das magnetische Feld durch das Maximum des Südpols (S') hindurchgeht; – für eine Position von 90° orthogonal zu der vorhergehenden Position, entsprechend einer Achse (A'₉₀), das Magnetfeld durch einen schraubenlinien-förmigen magnetischen Übergang (h₁) zwischen dem Nordpol (N') und dem Südpol (S') hindurchgeht; – für eine Position von 180° orthogonal zur vorhergehenden Position, entsprechend einer Achse (A'₁₈₀), das Magnetfeld durch das Maximum des Nordpols (N') hindurchgeht; – für eine Position von 270° orthogonal zur vorhergehenden Position, entsprechend einer Achse (A'₂₇₀), das Magnetfeld durch den zweiten schraubenlinien-förmigen magnetischen Übergang (h₂) zwischen dem Südpol (S') und dem Nordpol (N') hindurchgeht.