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WO2004046653A1 - Winkelpositionsgeber - Google Patents

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Info

Publication number
WO2004046653A1
WO2004046653A1 PCT/DE2003/003621 DE0303621W WO2004046653A1 WO 2004046653 A1 WO2004046653 A1 WO 2004046653A1 DE 0303621 W DE0303621 W DE 0303621W WO 2004046653 A1 WO2004046653 A1 WO 2004046653A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ring
magnetic
angular position
transmitter according
position transmitter
Prior art date
Application number
PCT/DE2003/003621
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Wiese
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to EP03775096A priority Critical patent/EP1563258A1/de
Publication of WO2004046653A1 publication Critical patent/WO2004046653A1/de
Priority to US11/129,415 priority patent/US7259554B2/en

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage

Definitions

  • the invention relates to an angular position transmitter for detecting the angular position of a component rotatable about an axis of rotation, in particular throttle valve position transmitter, with a one-part or multi-part magnetic ring which is connected to the component in a rotationally fixed manner coaxially to the axis of rotation, magnetized transversely to the axis of rotation and on its outer circumference by a ferromagnetic outer shielding ring is enclosed, as well as with a magnetic sensor element which is arranged radially within the magnetic ring in a stationary manner.
  • angular position sensors of this type are designed as magnetoresistive sensors or as Hall sensors.
  • an exciting field is generated by the magnetic ring, which rotates around the active center of the sensor element.
  • the sensor element By forming the sensor element from partial resistors connected in the form of a Wheatstone bridge, a sine and a cosine function are obtained, so that the angle to be measured can be determined by forming the arc tangent.
  • Hall sensors provide a signal that is proportional to magnetic induction. They have good resistance to magnetic interference fields because they are kept away from the Hall sensor by the outer shielding ring.
  • the angle determination by means of a Hall sensor is also difficult when using a rotatable component made of a ferromagnetic material, since this component is arranged in the immediate vicinity of the flux guide pieces of the Hall sensor and thus a large part of the magnetic flux is short-circuited by the rotatable component.
  • An exact comparison of the characteristic curves of the sensor is only possible in the assembled state, which is associated with increased manufacturing costs.
  • the object of the invention is to provide an angular position encoder of the type mentioned at the outset, which can be designed as a hollow shaft encoder, enables the use of a low-wear and inexpensive material of the rotatable component, is simple in construction and enables an angle determination of high accuracy in a simple manner.
  • the rotatable component is surrounded by a coaxial to the axis of rotation and to the outer shield ring approximately radially arranged ferromagnetic inner shield ring, which in turn is a one or more part inner magnetic ring is enclosed, the inner shielding ring and the inner magnetic ring being connected in a rotationally fixed manner to the rotatable component and the magnetic sensor element being arranged in an annular gap formed between the outer magnetic ring and the inner magnetic ring, with a magnetization of the inner magnetic ring corresponding to the magnetization of the outer magnetic ring is opposite and dimensioned such that the magnetic flux density at the location of the inner shield ring corresponds approximately to a magnetic flux density when the inner shield ring is not present.
  • a central arrangement of the sensor element is not necessary and thus enables the design as a hollow shaft encoder. This also gives the possibility of arranging the angular position transmitter not only at an axial end of the rotatable component but also enclosing the component at a location that may be difficult to access.
  • Shielding ring remains field-free, so it is irrelevant what material the rotatable component to be inserted later into the interior of the inner shielding ring is made of.
  • the rotatable component can consist of a ferromagnetic material. Ferromagnetic materials are inexpensive and readily available. Furthermore, they are hardenable and therefore wear-resistant.
  • the inner shielding ring and the inner magnetic ring keep the field shape of the field lines well homogeneous even in the presence of a ferromagnetic component, which enables exact angle measurement with magnetoresistive sensors.
  • the inner magnetic ring compensates for the deflection of the field lines of the outer magnetic ring by the ferromagnetic material of the rotatable component.
  • the rotatable component can be a shaft, in particular a throttle valve shaft of a throttle valve.
  • the inner magnetic ring and the outer magnetic ring can be magnetized either radially or diametrically.
  • Angular position encoder leads when the magnetic rings and shielding rings completely or partially enclose the rotatable component.
  • An advantageous embodiment of the magnetic sensor element consists of a magnetoresistive sensor. This is possible because the field lines run essentially completely parallel and not to the inner one Shield ring are deflected towards or away from it and thus the induction curve of the normal and tangential components is sinusoidal or cosine-shaped and the peak values of both signals are the same.
  • the magnetoresistive sensor can be an AMR sensor (anisotropy magneto resistor).
  • the magnetoresistive sensor can also be a GMR sensor (Giant Magneto Resistor), although this is a highly sensitive one
  • the shielding does not impair the signal of this sensor due to magnetic interference fields.
  • the AMR sensor or the GMR sensor consists in particular of four partial resistors connected in the form of a Wheatstone bridge, the partial resistors give over half a revolution of the rotatable component in the case of an AMR sensor or one complete revolution of the rotatable component in the case of a GMR Sensor a complete sine function.
  • the magnetic sensor element also consists of two AMR sensors or GMR sensors that are electrically shifted by 90 °, a sine and a cosine function are obtained, so that the angle within 180 ° (with AMR sensors) or . 360 ° (with GMR sensors) can be determined.
  • the magnetic sensor element consists of a Hall sensor, the Hall sensor preferably consisting of a Hall element which is arranged in a measuring air gap between two flux guide pieces. Between the turning points of the function of the signal of the Hall sensor, ie in positions with maximum induction in terms of magnitude, when the magnetization is perpendicular to the measuring air gap, there are two areas of approximately 150 ° each with a small linearity error. Even a design without an internal ring magnet already results in a good linearity of the induction curve over the angle of rotation and means an embodiment of the invention.
  • the inner magnetic ring prevents the ferromagnetic rotatable component from acting as a magnetic short circuit between the adjacent flux guide pieces. Due to the signal-enhancing effect of the inner magnetic ring, as with magnetoresistive sensors, inexpensive, in particular plastic-bonded, hard ferrite magnets can be used instead of expensive rare earth magnets.
  • the flux guide pieces are preferably made of a soft magnetic material, in particular of nickel iron.
  • the flow guide pieces are designed as two essentially semi-ring-shaped segments which are arranged symmetrically to the axis of rotation and two measuring air gaps are formed between their mutually facing ends, a Hall element being arranged in at least one of the measuring air gaps.
  • FIG. 1 is a schematic view of a first
  • FIG. 2 shows the field line course of the angular position transmitter according to FIG. 1
  • Figure 3 shows a sinusoidal output signal of a
  • Figure 4 shows a cosine output signal of a
  • Figure 5 is a schematic view of a second
  • Figure 6 is a schematic view of a third
  • Figure 7 shows a cross section of a throttle body with an angular position transmitter.
  • the angular position sensors shown in the figures have a ferromagnetic inner shielding ring 1, which is enclosed by an inner magnetic ring 2, 2 '. At a radial distance, the inner magnetic ring 2, 2 'is arranged coaxially surrounding an outer magnetic ring 3, 3', which in turn is enclosed by a ferromagnetic outer shield ring 4.
  • An annular gap 5 is formed by the radial distance between the inner and outer magnetic rings 2, 2 'and 3, 3'.
  • the inner and outer shield rings 1 and 4 as well as the inner and outer magnetic rings 2, 2 'and 3, 3' are rotationally fixed with a component which can be rotated about an axis of rotation 6 and which, in FIG is connected.
  • both the inner magnetic ring 2 and the outer magnetic ring 3 are magnetized diametrically, which is represented by arrows.
  • the magnetization of the inner magnetic ring 2 is opposite to the magnetization of the outer magnetic ring 3.
  • the magnetizations of the inner and outer magnetic rings 2 'and 3' of the exemplary embodiment in FIG. 6 are also opposed to one another, which is also represented by arrows.
  • the magnetizations of the inner and outer magnetic ring 2 'and 3' are radial.
  • Magnet rings 2, 2 ' is such that, in cooperation with the magnetization of the outer magnet ring 3, 3', the flux density at the location of the inner shield ring 1 is just as great as if this inner shield ring 1 were not present.
  • the inner magnetic ring 2, 2 'thus forms a compensation magnet.
  • the interior of the inner shielding ring 1 is thus field-free, so that the ferromagnetic throttle valve shaft 7 in FIG. 7 does not influence the field profile.
  • the field lines 8 run parallel to one another in the entire area of the annular gap 5 and do not become the inner one
  • Shielding ring 1 or deflected away from this. This is clearly shown in Figure 2.
  • a magnetic sensor element is arranged in a fixed manner in the annular gap 5.
  • the magnetic sensor element 9 consists of two magnetoresistive sensors shifted by 90 °, each consisting of four partial resistors connected in the form of a Wheatstone bridge.
  • the magnetoresistive sensors emit a sinusoidal (FIG. 3) and a cosine-shaped (FIG. 4) signal by one revolution of the throttle valve shaft 7. The angular position can then be determined from these signals in an evaluation circuit by forming the arc tangent.
  • two flow guide pieces 10, 10 ′ designed as semi-ring-shaped elements are arranged in the annular gap 5 and are arranged coaxially to the axis of rotation 6 and consist of nickel-iron.
  • a magnetic sensor element 9 ′ designed as a Hall element, through which the respective magnetic flux can be detected and a signal corresponding to the angular position can be emitted.
  • the inner shielding ring 1 is arranged on the throttle valve shaft 7 in a rotationally fixed manner.
  • An annular retaining plate 12 is axially attached to the inner shielding ring 1, which extends radially outward and to which the inner and outer magnetic rings 2, 3 and the outer shielding ring 4 are also axially in contact and attached.
  • the flux guide pieces 10 and 10 ' are arranged in the annular gap 5. In front of the circumferential ends of this flux guide 10, the magnetic sensor elements 9 'can be seen, the signals of which are fed to the evaluation circuit arranged on a circuit carrier 13.
  • the circuit carrier 13 also carries the flux guide pieces 10, 10 '.
  • the throttle valve neck has a housing 14 with a through-flow opening 15 which can be shut off by a throttle valve 16.
  • the throttle valve 17 is arranged on the throttle valve shaft 7 rotatably mounted in the housing 14 at a distance from the angular position sensor.
  • a drive pinion of a transmission 19 is arranged, via which the throttle valve shaft 7 can be rotatably driven by an electric motor 18 against the force of a return spring 20 and the throttle valve 16 can be pivoted from a closed position into an open position.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelpositionsgeber zur Erfassung der Winkelposition eines um eine Drehachse drehbaren Bauteils, mit einem Magnetring (3), der koaxial zur Drehachse (6) mit dem Bauteil drehfest verbunden, quer zur Drehachse (6) magnetisiert und an seinem Außenumfang von einem ferromagnetischen äußeren Abschirmring (4) umschlossen ist. Weiterhin ist ein magnetisches Sensorelement (9) vorhanden, das radial innerhalb des Magnetrings (4) ortsfest angeordnet ist. Das drehbare Bauteil ist von einem zur Drehachse (6) koaxial und zum äußeren Abschirmring (4) etwa radial angeordneten ferromagnetischen inneren Abschirmring (1) umschlossen, der wiederum von einem inneren Magnetring (2) umschlossen ist. Dabei ist der innere Abschirmring (1) und der innere Magnetring (2) drehfest mit dem drehbaren Bauteil verbunden und das magnetische Sensorelement (9) in einem zwischen dem äußeren Magnetring (3) und dem inneren Magnetring (2) gebildeten Ringspalt (5) angeordnet. Die Magnetisierung des inneren Magnetrings (2) ist der Magnetisierung des äußeren Magnetrings (3) entgegengesetzt und derart dimensioniert, dass die Magnetflussdichte am Ort des inneren Abschirmrings (1) etwa einer Magnetflussdichte bei nicht vorhandenem inneren Abschirmring (1) entspricht.

Description

Beschreibung
Winkelpositionsgeber
Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelpositionsgeber zur Erfassung der Winkelposition eines um eine Drehachse drehbaren Bauteils, insbesondere Drosselventilpositionsgeber, mit einem ein- oder mehrteiligen Magnetring, der koaxial zur Drehachse mit dem Bauteil drehfest verbunden, quer zur Drehachse magnetisiert und an seinem Außenumfang von einem ferromagnetischen äußeren Abschirmring umschlossen ist, sowie mit einem magnetischen Sensorelement, das radial innerhalb des Magnetrings ortsfest angeordnet ist.
Derartige bekannte Winkelpositionsgeber sind als magnetoresistive Geber oder als Hall-Sensoren ausgebildet.
Bei den magnetoresistiven Gebern wird von dem Magnetring ein erregendes Feld erzeugt, welches sich um das aktive Zentrum des Sensorelements dreht. Durch die Ausbildung des Sensorelements aus in Form einer Wheatstone-Brücke geschalteten Teilwiderständen erhält man eine Sinus- und eine Kosinusfunktion, so dass über Bildung des Arcustangens der zu messende Winkel bestimmt werden kann.
Hall-Sensoren liefern ein Signal, welches der magnetischen Induktion proportional ist. Sie haben gegen magnetische Störfelder eine gute Beständigkeit, da diese durch den äußeren Abschirmring vom Hall-Sensor fern gehalten werden.
Diese bekannten Winkelpositionsgeber erfordern eine zentrische Anordnung innerhalb des Magnetrings, um die sinus- und kosinusförmigen Signale korrekt erhalten zu können. Weiterhin ist die Verwendung eines drehbaren Bauteils aus einem ferromagnetischen Werkstoff nicht möglich, da es durch diesen sonst zu einem stark inhomogenen Feldverlauf kommt . Da der magnetische Widerstand im Eisen um mehrere Größenordnungen geringer ist als in Luft, wird ein großer Anteil der Feldlinien zum drehbaren Bauteil hin abgelenkt. Dies äußert sich darin, dass die Feldamplituden in vertikaler und horizontaler Richtung sehr unterschiedlich sind. Ohne aufwendige Korrektur sind die erzeugten Signale für die Winkelberechnung nicht mehr geeignet .
Auch die Winkelbestimmung mittels eines Hall-Sensors ist bei Verwendung eines drehbaren Bauteils aus einem ferromagnetischen Werkstoff schwierig, da dieses Bauteil in unmittelbarer Nachbarschaft der Flussleitstücke des Hall- Sensors angeordnet ist und so ein großer Teil des Magnetflusses von dem drehbaren Bauteil kurzgeschlossen wird. Ein exakter Abgleich der Kennlinien des Sensors ist erst im zusammengebauten Zustand möglich, was mit erhöhten Herstellungskosten verbunden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Winkelpositionsgeber der eingangs genannten Art zu schaffen, der als Hohlwellengeber ausführbar ist, die Verwendung eines verschleißarmen und kostengünstigen Werkstoffs des drehbaren Bauteils ermöglicht, einfach aufgebaut ist und auf einfache Weise eine Winkelbestimmung hoher Genauigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das drehbare Bauteil von einem zur Drehachse koaxial und zum äußeren Abschirmring etwa radial angeordneten ferromagnetischen inneren Abschirmring umschlossen ist, der wiederum von einem ein- oder mehrteiligen inneren Magnetring umschlossen ist, wobei der innere Abschirmring und der innere Magnetring drehfest mit dem drehbaren Bauteil verbunden sind und das magnetische Sensorelement in einem zwischen dem äußeren Magnetring und dem inneren Magnetring gebildeten Ringspalt angeordnet ist, mit einer Magnetisierung des inneren Magnetrings, die der Magnetisierung des äußeren Magnetrings entgegengesetzt und derart dimensioniert ist, dass die Magnetflussdichte am Ort des inneren Abschirmrings etwa einer Magnetflussdichte bei nicht vorhandenem innerem Abschirmring entspricht.
Eine zentrische Anordnung des Sensorelements ist nicht erforderlich und ermöglicht so die Ausbildung als Hohlwellengeber. Dies gibt auch die Möglichkeit den Winkelpositionsgeber nicht nur an einem axialen Ende des drehbaren Bauteils sondern auch das Bauteil umschließend an ggf. schlecht zugänglicher Stelle anzuordnen.
Die Dimensionierung der Magnetisierung des inneren Magnetrings führt dazu, dass das Innere des inneren
Abschirmrings feldfrei bleibt, so dass es unerheblich ist, aus welchem Werkstoff das später in das Innere des inneren Abschirmrings einzubringende drehbare Bauteil besteht.
Die Anordnung des inneren Magnetrings führt dazu, dass es selbst bei Ausführung des inneren Abschirmrings mit geringer Permeabilität (z.B. μr = 100) keinen Einfluss auf die Kennlinie des Sensorelements hat, ob ein ferromagnetisches drehbares Bauteil vorliegt oder nicht. Die Kurven des Induktionsverlaufs bleiben deckungsgleich.
Das drehbare Bauteil kann aus einem ferromagnetischen Werkstoff bestehen. Ferromagnetische Werkstoffe sind kostengünstig und gut verfügbar. Weiterhin sind sie härtbar und somit verschleißarm.
Durch den inneren Abschirmring und den inneren Magnetring wird auch unter Anwesenheit eines ferromagnetischen Bauteils der Feldverlauf der Feldlinien gut homogen gehalten, was eine exakte Winkelmessung mit magnetoresistiven Sensoren ermöglicht .
Bei Auswertung durch Induktionsmessung wie z.B. durch einen Hall-Sensor wird ein magnetischer Kurzschluss zwischen dessen Flussleitstücken und dem ferromagnetischen drehbaren Bauteil verhindert .
Durch den inneren Magnetring erfolgt eine Kompensation der Ablenkung der Feldlinien des äußeren Magnetrings durch den ferromagnetischen Werkstoff des drehbaren Bauteils.
Das drehbare Bauteile kann eine Welle insbesondere eine Drosselklappenwelle eines Drosselklappenventils sein.
Der innere Magnetring und der äußere Magnetring können entweder radial oder auch diametral magnetisiert sein.
Zu einer großen Freiheit der Anordnung des
Winkelpositionsgebers führt es, wenn die Magnetringe und Abschirmringe das drehbare Bauteil ganz oder teilweise umschließen.
Eine vorteilhafte Ausbildung des magnetischen Sensorelements besteht aus einem magnetoresistiven Sensor. Dieser ist deshalb möglich, weil die Feldlinien im wesentlichen vollständig parallel verlaufen und nicht zum inneren Abschirmring hin oder von diesem weg abgelenkt werden und somit der Induktionsverlauf der Normal- und Tangentialkomponente sinus- bzw. kosinusförmig ist und die Scheitelwerte beider Signale gleich sind. Dabei kann der magnetoresistive Sensor ein AMR-Sensor (Anisotropie Magneto Resistor) sein.
Aufgrund der Absc irmwirkung der beiden Abschirmringe kann der magnetoresistive Sensor auch ein GMR-Sensor (Giant Magneto Resistor) sein, obwohl dies ein hoch sensitiver
Sensor ist. Eine Beeinträchtigung des Signals dieses Sensors durch magnetische Störfelder erfolgt aufgrund der Abschirmung nicht .
Besteht der AMR-Sensor oder der GMR-Sensor aus insbesondere vier in Form einer Wheatstone-Brücke verschalteten Teilwiderständen, so geben die Teilwiderstände über eine halbe Umdrehung des drehbaren Bauteils bei einem AMR-Sensor bzw. eine ganze Umdrehung des drehbaren Bauteils bei einem GMR-Sensor eine vollständige Sinusfunktion ab.
Besteht weiterhin das magnetische Sensorelement aus zwei elektrisch um 90° verschobenen AMR-Sensoren oder GMR- Sensoren, so erhält man eine Sinus- und eine Kosinusfunktion, so daß über die Bildung des Arcustangens der Winkel innerhalb von 180° (bei AMR-Sensoren) bzw. 360° (bei GMR-Sensoren) bestimmt werden kann.
Eine andere vorteile Ausbildung des magnetischen Sensorelements besteht aus einem Hall-Sensor, wobei vorzugsweise der Hall-Sensor aus einem Hall-Element besteht, das in einem Messluftspalt zwischen zwei Flussleitstücken angeordnet ist . Zwischen den Wendepunkten der Funktion des Signals des Hall- Sensors, d.h. bei Stellungen mit betragsmäßig maximaler Induktion, wenn die Magnetisierung senkrecht zum Messluftspalt steht, existieren zwei Bereiche von je etwa 150° mit geringem Linearitätsfehler . Auch eine Ausbildung ohne inneren Ringmagnet ergibt bereits eine gute Linearität des Induktionsverlaufs über den Drehwinkel und bedeutet eine Ausbildung der Erfindung. Mit innerem Ringmagnet wird aber ein weiterer Positiver Effekt deutlich, nämlich, dass das Signal in dem Messluftspalt durch den Beitrag des inneren Magnetrings deutlich verstärkt wird, da die Flussanteile beider Magnete im Messluftspalt gleichgerichtet sind. Vor allem aber verhindert der innere Magnetring, dass das ferromagnetische drehbare Bauteil als magnetischer Kurzschluss zwischen den angrenzenden Flussleitstücken wirkt. Durch die signalverstärkende Wirkung des inneren Magnetrings können, wie auch bei den magnetoresistiven Sensoren, kostengünstige, insbesondere kunststoffgebundene Hartferritmagnete anstelle von teuren Seltenerd-Magneten eingesetzt werden.
Die Flussleitstücke bestehen vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material, insbesondere aus Nickel-Eisen.
Ein konstruktiv günstiger Aufbau ergibt sich, wenn die Flussleitstücke als zwei im wesentlichen halbringförmige Segmente ausgebildet sind, die symmetrisch zur Drehachse angeordnet und zwischen deren einander zugewandten Enden zwei Messluftspalte gebildet sind, wobei in zumindest einem der Messluftspalte ein Hall-Element angeordnet ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Figur 1 eine schematische Ansicht eines ersten
Ausführungsbeispiels eines Winkelpositionsgebers
Figur 2 eine Darstellung des Feldlinienverlaufs des Winkelpositionsgebers nach Figur 1
Figur 3 ein sinusförmiges Ausgangssignal eines
Sensorelements des Winkelpositionsgebers nach
Figur 1
Figur 4 ein kosinusförmiges Ausgangssignal eines
Sensorelements des Winkelpositionsgebers nach
Figur 1
Figur 5 eine schematische Ansicht eines zweiten
Ausführungsbeispiels eines Winkelpositionsgebers
Figur 6 eine schematische Ansicht eines dritten
Ausführungsbeispiels eines Winkelpositionsgebers
Figur 7 einen Querschnitt eines Drosselklappenstutzens mit einem Winkelpositionsgeber.
Die in den Figuren dargestellten Winkelpositionsgeber weisen einen ferromagnetischen inneren Abschirmring 1 auf, der von einem inneren Magnetring 2, 2' umschlossen ist. In einem radialen Abstand ist koaxial den inneren Magnetring 2, 2' umschließend ein äußerer Magnetring 3, 3' angeordnet, der wiederum von einem ferromagnetischen äußeren Abschirmring 4 umschlossen ist.
Durch den radialen Abstand zwischen innerem und äußerem Magnetring 2, 2' und 3, 3' ist ein Ringspalt 5 gebildet. Die inneren und äußeren Abschirmringe 1 und 4 sowie die inneren und äußeren Magnetringe 2, 2' und 3, 3' sind drehfest mit einem um eine Drehachse 6 drehbaren Bauteil, das in Figur 7 die aus einem ferromagnetischen Werkstoff bestehende Drosselklappenwelle 7 eines Drosselklappenstutzens einer Brennkraftmaschine ist, verbunden.
Bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 3 sind sowohl der innere Magnetring 2 als auch der äußere Magnetring 3 diametral magnetisiert, was durch Pfeile dargestellt ist. Die Magnetisierung des inneren Magnetrings 2 ist der Magnetisierung des äußeren Magnetrings 3 entgegengesetzt.
Auch die Magnetisierungen des inneren und äußeren Magnetrings 2' und 3' des Ausfuhrungsbeispiels der Figur 6 sind einander entgegengesetzt, was ebenfalls durch Pfeile dargestellt ist. In Figur 6 sind die Magnetisierungen von innerem und äußerem Magnetring 2 ' und 3 ' aber radial .
Die Dimensionierung der Magnetisierung des inneren
Magnetrings 2, 2' ist derart, dass in Zusammenwirken mit der Magnetisierung des äußeren Magnetrings 3, 3' die Flussdichte am Ort des inneren Abschirmrings 1 genauso groß ist, als wenn dieser innere Abschirmring 1 nicht vorhanden wäre. Der innere Magnetring 2, 2' bildet somit einen Kompensationsmagneten.
Damit ist das Innere des inneren Abschirmrings 1 feldfrei, so dass durch die ferromagnetische Drosselklappenwelle 7 in Figur 7 keine Beeinflussung des Feldverlaufs erfolgt. Die Feldlinien 8 verlaufen in dem gesamten Bereich des Ringspalts 5 parallel zueinander und werden nicht zum inneren
Abschirmring 1 hin oder von diesem weg abgelenkt. Dies ist deutlich in Figur 2 dargestellt. In dem Ringspalt 5 ist ein magnetisches Sensorelement feststehend angeordnet .
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 besteht das magnetische Sensorelement 9 aus zwei um 90° verschobenen magnetoresistiven Sensoren, die jeweils aus vier in Form einer Wheatstone-Brücke verschalteten Teilwiderständen bestehen. Über eine Umdrehung der Drosselklappenwelle 7 werden von den magnetoresistiven Sensoren ein sinusförmiges (Figur 3) und ein kosinusförmiges (Figur 4) Signal abgegeben. Aus diesen Signalen kann dann in einer Auswerteschaltung durch Bildung des Arcustangens die Winkelposition ermittelt werden .
Bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 5 und 6 sind in dem Ringspalt 5 zwei als halbringförmige Elemente ausgebildete Flussleitstücke 10, 10' koaxial zur Drehachse 6 feststehend angeordnet, die aus Nickel-Eisen bestehen.
Zwischen den einander zugewandten Enden der Flussleitstücke 10, 10' befinden sich Spalte, die als Messluftspalte 11, 11' dienen. In dem Messluftspalt 11 ist ein als Hall-Element ausgebildetes magnetisches Sensorelement 9' angeordnet, durch das der jeweilige Magnetfluss erfassbar und ein der Winkelposition entsprechendes Signal abgebbar ist.
Wie in Figur 7 zu sehen ist, ist der innere Abschirmring 1 drehfest auf der Drosselklappenwelle 7 angeordnet. Axial ist an dem inneren Abschirmring 1 eine ringförmige Halteplatte 12 befestigt, die sich radial nach außen erstreckt und an der der innere und äußere Magnetring 2, 3 sowie der äußere Abschirmring 4 ebenfalls axial in Anlage und befestigt sind. In dem Ringspalt 5 sind die Flussleitstücke 10 und 10' angeordnet, von denen nur eines zu sehen ist. Vor den umlaufenden Enden dieses Flussleitstücks 10 sind die magnetischen Sensorelemente 9' zu erkennen, deren Signale der auf einem Schaltungsträger 13 angeordneten Auswerteschaltung zugeführt werden. Der Schaltungsträger 13 trägt auch die Flussleitstücke 10, 10' .
Der Drosselklappenstutzen besitzt ein Gehäuse 14 mit einer durchgehenden Durchströmöffnung 15, die von einer Drosselklappe 16 absperrbar ist.
Die Drosselklappe 17 ist auf der in dem Gehäuse 14 drehbar gelagerten Drosselklappenwelle 7 in einem Abstand zu dem Winkelpositionssensor angeordnet.
Auf dem der Drosselklappe 16 entgegengesetzten Ende der Drosselklappenwelle 7 ist ein Antriebsritzel eines Getriebes 19 angeordnet, über das die Drosselklappenwelle 7 von einem Elektromotor 18 entgegen der Kraft einer Rückstellfeder 20 drehbar antreibbar und die Drosselklappe 16 aus einer Schließstellung in eine Offenstellung verschwenkbar ist.

Claims

Patentansprüche
1. Winkelpositionsgeber zur Erfassung der Winkelposition eines um eine Drehachse drehbaren Bauteils, insbesondere Drosselventilpositionsgeber, mit einem ein- oder mehrteiligen Magnetring, der koaxial zur Drehachse mit dem Bauteil drehfest verbunden, quer zur Drehachse magnetisiert und an seinem Außenumfang von einem ferromagnetischen äußeren Abschirmring umschlossen ist, sowie mit einem magnetischen Sensorelement, das radial innerhalb des Magnetrings ortsfest angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Bauteil von einem zur Drehachse (6) koaxial und zum äußeren Abschirmring (4) etwa radial angeordneten ferromagnetischen inneren Abschirmring (1) umschlossen ist, der wiederum von einem ein- oder mehrteiligen inneren Magnetring (2, 2') umschlossen ist, wobei der innere Abschirmring (l)und der innere Magnetring (2, 2') drehfest mit dem drehbaren Bauteil verbunden sind und das magnetische Sensorelement (9, 9') in einem zwischen dem äußeren Magnetring (3, 3') und dem inneren Magnetring (2, 2') gebildeten Ringspalt (5) angeordnet ist, mit einer Magnetisierung des inneren Magnetrings (2,
2'), die der Magnetisierung des äußeren Magnetrings (3, 3') entgegengesetzt und derart dimensioniert ist, dass die Magnetflussdichte am Ort des inneren Abschirmrings (1) etwa einer Magnetflussdichte bei nicht vorhandenem innerem Absσhirmring (1) entspricht.
Winkelpositionsgeber nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das drehbare Bauteil aus einem ferromagnetischen Werkstoff besteht .
3. Winkelpositionsgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Bauteil eine Welle, insbesondere eine Drosselklappenwelle (7) eines Drosselklappenventils ist.
4. Winkelpositionsgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Magnetring (2') und der äußere Magnetring (3') radial magnetisiert sind.
5. Winkelpositionsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Magnetring (2) und der äußere Magnetring (3) diametral magnetisiert sind.
6. Winkelpositionsgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetringe (2, 2', 3, 3') und Abschirmringe (1, 4) das drehbare Bauteil ganz oder teilweise umschließen.
7. Winkelpositionsgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Sensorelement (9) ein magnetoresistiver Sensor ist.
8. Winkelpositionsgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetoresistive Sensor ein AMR-Sensor (Anisotropie Magneto Resistor) ist.
9. Winkelpositionsgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetoresistive Sensor ein GMR-Sensor (Giant Magneto Resistor) ist.
10. Winkelpositionsgeber nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der AMR-Sensor oder der GMR-Sensor aus insbesondere vier in Form einer Wheatstone-Brücke verschalteten Teilwiderständen besteht .
11. Winkelpositionsgeber nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Sensorelement aus zwei elektrisch um 90° verschobenen AMR-Sensoren oder GMR-Sensoren besteht.
12. Winkelpositionsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Sensorelement (9') ein Hall-Sensor ist.
13. Winkelpositionsgeber nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hall-Sensor aus einem Hall-Element besteht, das in einem Messluftspalt (11, 11') zwischen zwei Flussleitstücken (10, 10') angeordnet ist.
14. Winkelpositionsgeber nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitstücke (10, 10') aus einem weichmagnetischen Material, insbesondere aus Nickel-Eisen bestehen.
15. Winkelpositionsgeber nach einem der Ansprüche 13und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitstücke (10, 10') als zwei im wesentlichen halbringförmige Segmente ausgebildet sind, die symmetrisch zur Drehachse (6) in dem Ringspalt (5) zwischen innerem und äußerem Magnetring (2', 3') angeordnet und zwischen deren einander zugewandten Enden zwei Messluftspalte (11, 11') gebildet sind, wobei in zumindest einem der Messluftspalte (11) ein Hall-Element angeordnet ist.
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