DE102004046772A1

DE102004046772A1 - Sensorvorrichtung zur Erfassung der Drehung einer Welle in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102004046772A1
Application number: DE102004046772A
Authority: DE
Inventors: Michael Daetz; Christfried Schröder
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2006-03-30

Abstract

Die Drehgeschwindigkeit bzw. der Drehwinkel einer Welle in einem Fahrzeug soll sicherer detektiert werden können. Hierzu wird ein induktiver Sensor (3, 4) mit mehreren Schenkeln vorgeschlagen, der das Magnetfeld eines Multipolgeberrads (1), das auf der Welle (2) montiert ist, abgreift oder dessen Magnetfeld durch ein Zahnkranzgeberrad verändert wird. DOLLAR A Günstigerweise besitzt der Sensor einen U-förmigen Kern und eine oder mehrere Wicklungen (4) um einen oder mehrere der Schenkel. Der vorgeschlagene Sensor ist verhältnismäßig robust gegenüber Umwelteinflüssen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Drehgeschwindigkeit und/oder Drehposition einer drehbaren Welle in einem Fahrzeug mit einem Multipolgeberrad, das mehrere magnetische Pole an seinem Umfang aufweist, oder einem Zahnkranzgeberrad (11), das mehrere Zähne (Z) an seinem Umfang aufweist, und einem Sensorelement zum Detektieren von Magnetfeldern der Pole (N, S) oder von Flussänderungen durch das Zahngeberrad (11).
Um den hohen Anforderungen an reduziertem Kraftstoffverbrauch, Laufruhe, Robustheit usw. eines Kraftfahrzeugmotors gerecht zu werden, ist eine hohe Präzision der Motorsteuerung und vor allem der Sensorik notwendig. Außerdem besteht ständig der Bedarf, die Komponenten eines Kraftfahrzeugs zu miniaturisieren, da aufgrund steigender Systemkomplexität der Bauraum immer geringer wird. Trotz der Miniaturisierung spielt die Erhöhung der Winkelauflösung und Winkelgenauigkeit bei der Detektierung der Drehung der Kurbelwelle vor allem bei modernen Dieselaggregaten aufgrund steigender Zylinderdrücke durch Turboaufladung eine wichtige Rolle.
Der Kurbelwellenwinkel muss insbesondere deswegen exakt erfasst werden, um einen optimalen Verbrennungsvorgang zu gewährleisten und dabei beispielsweise den Zündzeitpunkt bei Ottomotoren oder den Einspritzzeitpunkt durch das Motorsteuergerät exakt stellen zu können. Zu diesem Zweck befindet sich ein sogenanntes Geberrad auf der Kurbelwelle der Verbrennungsmaschine. Zwei Typen von Geberrädern haben sich auf dem Markt durchgesetzt, nämlich ein Zahnkranzgeberrad und ein Multipolgeberrad.
Ein Zahnkranzgeberrad besitzt an seinem Umfang in der Regel rechteckförmige Zähne. Wird ein Permanentmagnet in die Nähe des Geberrads gebracht, so bewirkt die durch Drehbewegung hervorgerufene Geometrievariation eine Veränderung des Magnetfelds. Durch einen Stab aus ferromagnetischem Material können die Magnetfeldlinien günstig gebündelt werden, so dass die Magnetfeldänderung durch die sich vorbei bewegenden Zähne maximiert wird. Die Umwandlung in ein elektrisch auswertbares Messsignal kann durch eine Wicklung eines isolierten elektrischen Leiters auf den ferromagnetischen Stab realisiert werden (Induktivsensor). Darüber hinaus sind auch Systeme mit einem Hallsensor oder einem magnetoresistiven Sensor bekannt.
Über eine oder mehrere Lücken von zwei Zähnen wird ein Referenzwinkel kodiert. Alle weiteren Zähne erzeugen Impulse, die vom Motorsteuergerät als Winkelversatz zum Referenzwinkel gewertet werden.
Multipolgeberräder bestehen aus einem Ring aus kunststoffgebundenem Magnetmaterial, z. B. Hartferrit. Der Ring wird auf einen Träger mit mechanisch stabilen Eigenschaften und einer hohen relativen Permeabilität aufgebracht. Für das Trägermaterial kommen beispielsweise Eisenlegierungen in Betracht. Das Multipolgeberrad wird auf die Kurbelwelle montiert. Dem magnetischen Material wird bei der Herstellung ein definiertes Muster aufmagnetisiert. Bei einer Drehbewegung der Kurbelwelle kann dieses Muster durch einen Sensor erfasst werden.
Im Gegensatz zu Zahnkranzgeberrädern erzeugen Multipolgeberräder somit selbst ein Magnetfeld, wodurch beim Sensor der Permanentmagnet entfallen kann. Das sich durch Drehbewegung verändernde Magnetfeld des Multipolgeberrads wird durch einen Hallsensor oder einen magnetoresistiven Sensor, welcher nahe an die Oberfläche des Geberrads gebracht wird, in ein elektrisches Signal gewandelt. Diese Sensorprinzipien liefern jedoch ein sehr schwaches Ausgangssignal, weshalb es zur Erhöhung der Störsicherheit notwendig ist, eine aktive Signalaufbereitung direkt am Sensor vorzunehmen. Sensoren dieser Typen werden mit Techniken der Halbleiterherstellung gefertigt. Dabei wird der Sensor und die aktive Signalaufbereitung in ein Chip integriert. Aufgrund von verschiedenen Umwelteinflüssen kann es jedoch zu Ausfällen dieser hochintegrierten Sensoren kommen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Ausfallraten des Magnetfeldsensors zu reduzieren.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen eine Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Drehgeschwindigkeit und/oder Drehposition einer drehbaren Welle in einem Fahrzeug mit einem Multipolgeberrad, das mehrere magnetische Pole an seinem Umfang aufweist, oder einem Zahnkranzgeberrad, das mehrere Zähne an seinem Umfang aufweist, und einem Sensorelement zum Detektieren von Magnetfeldern der Pole oder von Flußänderungen durch das Zahnkranzgeberrad, wobei das Sensorelement einen magnetischen Kern mit mindestens zwei Schenkeln, deren freie Enden zum Detektieren dem Multipolgeberrad oder dem Zahnkranzgeberrad zugewandt sind, und mindestens eine um den Kern angebrachte Wicklung aufweist.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zur Erzeugung eines elektrisch auswertbaren Signals einen robusten Induktivsensor einzusetzen. Auf einen ferromagnetischen Kern wird eine bestimmte Anzahl Windungen aufgebracht. Die durch die Drehbewegung des Geberrads, d. h. des Multipolgeberrads oder Zahnkranzgeberrads, erzeugten Magnetfeldänderungen erzeugen eine Induktionsspannung an den Anschlüssen der Wicklungen. Durch die mehreren Schenkel des Kerns, die dem Geberrad zugewandt sind, kann das Magnetfeld zweier Pole des Multipolgeberrads oder des Permanentmagneten des Sensors bei Verwendung eines Zahnkranzgeberrads besser gebündelt werden.
Vorzugsweise besitzt der Kern U-Form. Diese U-Form lässt auf einfache Weise den magnetischen Kreis realisieren.
An jedem Schenkel des Kerns kann eine Spule zur Induktion einer elektrischen Spannung in Abhängigkeit von den Magnetfeldern angeordnet sein. Dadurch kann die Anzahl der Windungen erhöht und somit die Empfindlichkeit des Magnetsensors gesteigert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kern einen Rundstab. Dadurch können erhöhte Wicklungsgeschwindigkeiten bei der Bewicklung des Kern erzielt werden.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die freien Enden der Schenkel des Kerns gegenüber dem mittleren Kernquerschnitt verbreitert sind. Dadurch kann der magnetische Widerstand reduziert und die Empfindlichkeit des Magnetsensors ebenfalls gesteigert werden.
Der Mittenabstand zweier Schenkel an deren freien Enden kann kleiner als oder im Wesentlichen gleich einem durchschnittlichen Abstand benachbarter Pole oder Zähne des Geberrads sein. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Auflösung des Sensors nicht geringer ist als die des Geberrads.
Die Tiefe der Schenkel des Kerns bzw. die Tiefe des U-förmigen Kerns sollte der Tiefe des Geberrads entsprechen, d.h. seiner axialen Ausdehnung. Dadurch kann ebenso eine Optimierung der Empfindlichkeit erreicht werden.
Des Weiteren kann die Anordnung der Pole bzw. der Zähne des Geberrads durch im Wesentlichen konstante Mittenabstände geprägt sein, mit Ausnahme einer oder mehrerer Positionen an dem Geberrad, bei denen die Mittenabstände gegenüber dem restlichen Bereich halbiert sind. Dadurch kann eine Winkelreferenz bei gleichzeitig erhöhter Auflösung gewonnen werden.
Alternativ kann die Anordnung der Pole oder Zähne des Geberrads durch im Wesentlichen konstante Mittenabstände geprägt sein, mit Ausnahme einer oder mehrerer Positionen an dem Geberrad, bei denen die Mittenabstände der Pole oder Zähne gegenüber dem restlichen Bereich verdoppelt sind. Dadurch erhält man ebenfalls eine Winkelreferenz zur Feststellung absoluter Winkel, wobei jedoch das Ausgangssignal zumindest konstant gehalten wird, so dass die Störsicherheit erhöht ist.
Ferner kann das Multipolgeberrad aus kunststoffgebundenem Hartferrit gefertigt sein. Diese Konstruktion ist zum einen robust und zum anderen kann hiermit eine ausreichend hohe Magnetfeldstärke erzielt werden.
Bei der Ausführungsform mit Zahnkranzgeberrad kann der Kern mindestens einen permanentmagnetischen Abschnitt aufweisen. Insbesondere ist es günstig, wenn an der dem Geberrad abgewandten Seite der Schenkel der permanentmagnetische Abschnitt vorgesehen ist. Damit lässt sich die Veränderung des magnetischen Widerstands durch das Zahnkranzgeberrad mit Hilfe der Wicklungen an den Schenkeln mit hoher Präzision erfassen.
Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung in einem Fahrzeug zur Detektion der Drehgeschwindigkeit bzw. des Drehwinkels einer Kurbelwelle, einer Nockenwelle, einer Radachse und/oder einer Getriebewelle eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 eine Prinzipskizze eines Multipolgeberrads mit einem erfindungsgemäßen Sensor entsprechend einer ersten Ausführungsform;
2 eine Seitenansicht der Anordnung von 1;
3 ein linearisiertes Modell eines Multipolgeberrads;
4 eine Frontalansicht eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors entsprechend einer zweiten Ausführungsform;
5 den Magnetfeldsensor von 4 in einer Seitenansicht;
6 eine Prinzipskizze eines Zahnkranzgeberrads mit einem erfindungsgemäßen Permanentmagnetsensor entsprechend einer dritten Ausführungsform; und
7 eine Seitenansicht der Anordnung von 6.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
In 1 ist ein Multipolgeberrad 1 auf einer Welle 2 prinzipiell dargestellt. Die Pole sind am Umfang des Multipolgeberrads 1 im Wesentlichen gleich verteilt.
Von dem Multipolgeberrad 1 beabstandet befindet sich ein U-förmiger ferromagnetischer Kern 3, dessen freie Schenkelenden bzw. Polschuhe 31 dem Multipolgeberrad 1 zugewandt sind. Um jeden Schenkel des U-förmigen Kerns 3 ist eine Wicklung 4 gewickelt. Damit die Wicklungsgeschwindigkeit zur Herstellung der Wicklungen 4 auf dem Kern 3 ausreichend hoch gewählt werden kann, besteht der Kern 3 aus Rundmaterial.
In 2 ist die Anordnung von 1 von der Seite gezeichnet. Das Multipolgeberrad 1 ist um eine Achse 5 der Welle 2 drehbar. Die Nord- und Südpole des Multipolgeberrads 2 sind mit N und S bezeichnet. Die einzelnen Pole besitzen einen Abstand g. Die Nord- und Südpole wechseln sich an dem Multipolgeberrad in Umfangsrichtung ab. Dabei ist der Abstand zwischen zwei Polen stets konstant, bis auf eine Stelle, an der ein anderes Magnetisierungsmuster verwendet wird. Diese Stelle dient als Winkelreferenz zur Feststellung eines absoluten Winkels der Welle 2. Die von dem Magnetsensor 3, 4 festgestellten Winkelinkremente beziehen sich dann auf diese Winkelreferenz.
Der ferromagnetische Kern 3, mit dem die Magnetfelder der Pole detektiert werden sollen, ist in der Skizze von 2 der Einfachheit halber ohne Wicklungen dargestellt. Seine Tiefe t_S entspricht in diesem Ausführungsbeispiel der Tiefe t_M des Multipolgeberrads 2. Ist die Tiefe t_S des Kerns 3 kleiner als die des Multipolgeberrads 2, so wäre es günstig, die Polschuhe 31 des Kerns 3 dementsprechend zu verbreitern, so dass der Widerstand des Luftspalts zwischen Pol und Polschuh reduziert wird.
Im Folgenden wird das Wirkungsprinzip der Sensoranordnung näher betrachtet. Hierzu wird entsprechend 3 vereinfachend angenommen, dass das Multipolgeberrad 1 ausschließlich äquidistante Bereiche konstanter Magnetisierung besitzt. Diese Bereiche entsprechen den Nordpolen N bzw. Südpolen S. Die Magnetfeldlinien treten in diesen Bereichen in normaler Richtung abwechselnd aus dem Multipolgeberrad 1 heraus oder in das Multipolgeberrad 1 hinein. Der mittlere Abstand der Pole zueinander beträgt g.
In der Skizze von 3 ist das Multipolgeberrad 1 vereinfachend abgewickelt bzw. linear dargestellt. Das Multipolgeberrad 1 wird von einem Träger 6 getragen. Das Material des Trägers 6 besitzt in etwa die relative Permeabilität von Eisen. Für das Multipolgeberrad 1 wird günstigerweise Hartferrit verwendet.
Die Magnetfeldlinien werden auf der Seite des Trägers 6 im Wesentlichen in diesem geführt. Auf der offenen Seite des Multipolgeberrads 1, d. h. nach außen, treten die Magnetfeldlinien entsprechend der Darstellung von 3 tiefer in den Raum hinein.
In 4 ist nun im Detail dargestellt, wie das Magnetfeld des Multipolgeberrads 1 von dem induktiven Magnetfeldsensor mit Kern 3 und Wicklung 4 aufgenommen wird. Entsprechend dieser dargestellten Ausführungsform ist an dem U-förmigen Kern lediglich im Mittelbereich eine einzige Wicklung 4 vorgesehen. Dies ist auch der Seitenansicht von 5 zu entnehmen. Die Wicklung 4 ist aus Kupferlackdraht gefertigt. Der Kern 3 besteht wiederum aus einem Material mit hoher relativer Permeabilität, z. B. μ_r = 1000, und hat die Aufgabe, die vom Multipolgeberrad 1 erzeugten Feldlinien zu bündeln und durch die von der Spule umschlossene Fläche zu führen. Der so gebündelte magnetische Fluss durchsetzt die Wicklung 4. Verändert sich die Stellung des Multipolgeberrads 1 gegenüber dem Sensor 3, 4, so verändert sich der magnetische Fluss und erzeugt eine Induktionsspannung an den Anschlüssen der Spule 4. Neben der Dimensionierung des Kerns 3 bestimmen auch Art und Form der Magnetisierung des Multipolgeberrads 1 den Verlauf der Induktionsspannung. Günstigerweise wird die Magnetisierung und die Dimensionierung der Komponenten so gewählt, dass eine sinusförmige Induktionsspannung beim Drehen des Multipolgeberrads 1 auftritt.
Im vorliegenden Beispiel ist der Mittenabstand d der beiden freistehenden Schenkel des Kerns 3 so gewählt, dass er dem Polabstand g entspricht.
Der Abstand c zwischen den Polschuhen 31 und dem Multipolgeberrad 1 kann optimiert werden. Eine Optimierung lässt sich beispielsweise mit einer Simulation durch eine Finite-Elemente-Methode finden.
Die Tiefe t_M des Multipolgeberrads 1 bzw. Trägers 6 ist in dem Beispiel von 5 etwas größer gewählt als die Tiefe t_S des Sensorkerns 3. Dabei ist der magnetische Widerstand zwischen diesen Komponenten nicht optimiert. Günstiger wäre, entweder den Kern 3 am Polschuh 31 zu verbreitern oder aber die beiden Komponenten in ihrer Tiefe aneinander anzupassen.
6 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei wird als Geberrad ein Zahnkranzgeberrad 11 verwendet, das auf einer Welle 12 angeordnet ist. Als Sensor ist ein U-förmiger Permanentmagnetsensor verwendet. Wie bei der ersten Ausführungsform sind die beiden Schenkel mit Wicklungen 14 versehen. Die Schenkel bestehen aus ferromagnetischen Stäben 17. Zwischen ihnen befindet sich an der dem Geberrad 11 abgewandten Seite ein Permanentmagnet 18. Der U-förmige Sensor bildet mit den Zähnen des Zahnkranzgeberrads 11 einen magnetischen Kreis. Innerhalb des magnetischen Kreises kann der Permanentmagnet 18 an einer beliebigen Stelle angeordnet sein. D.h. auch ein Schenkel des U-förmigen Sensors kann als Permanentmagnet ausgebildet sein. Der Mittenabstand der Schenkel entspricht wiederum in etwa dem Mittenabstand der Zähne des Zahnkranzgeberrads 11.
Die Seitenansicht der Ausführungsform von 6 ist in 7 skizzenhaft dargestellt. Die Welle 12 bzw. das Zahnkranzgeberrad 11 ist um eine Achse 15 drehbar. Am Umfang des Zahnkranzgeberrads 11 befinden sich in einem mittleren Abstand g Zähne Z und Lücken L. Die Tiefe des Zahnkranzgeberrads beträgt t_Z und die des Sensors t_S. In dem dargestellten Beispiel sind die beiden Tiefen t_Z und t_S gleich groß. Durch die Drehung des Zahnkranzgeberrads 11 verändert sich der magnetischen Widerstand des magnetischen Kreises. Die daraus resultierende Flussänderung lässt sich durch die Wicklungen 14 anhand der induzierten Spannung messen. Auch hier sind durch die U-förmige Gestalt des Kerns des Sensors gegenüber dem Stand der Technik mit einem einschenkligen Induktivsensor verbesserte Messsignale gegeben, da der magnetische Kreis einen geringeren magnetischen Widerstand aufweist.

1: Multipolgeberrad
2, 12: Welle
3: Kern
31: Polschuhe
4, 14: Wicklungen
5, 15: Achse
6: Träger
11: Zahnkranzgeberrad
17: ferromagnetische Stäbe
18: Permanentmagnet
d: Mittenabstand der Schenkel
c, g: Abstände
L: Lücken
N: Nordpole
S: Südpole
t_M, t_S, t_Z: Tiefen
Z: Zähne

Claims

Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Drehgeschwindigkeit und/oder Drehposition einer drehbaren Welle (2) in einem Fahrzeug mit – einem Multipolgeberrad (1), das mehrere magnetische Pole (N, S) an seinem Umfang aufweist, oder einem Zahnkranzgeberrad (11), das mehrere Zähne (Z) an seinem Umfang aufweist, und – einem Sensorelement zum Detektieren von Magnetfeldern der Pole (N, S) oder von Flußänderungen durch das Zahnkranzgeberrad (11), dadurch gekennzeichnet, dass – das Sensorelement einen magnetischen Kern (3, 17, 18) mit mindestens zwei Schenkeln, deren freie Enden zum Detektieren dem Multipolgeberrad (1) oder dem Zahnkranzgeberrad (11) zugewandt sind, und mindestens eine um den Kern (3) angebrachte Wicklung (4, 14) aufweist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kern (3, 17, 18) U-förmig ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei an jedem Schenkel (17) des Kerns (3, 17, 18) eine Wicklung (4, 14) zur Induktion einer elektrischen Spannung in Abhängigkeit von den Magnetfeldern angeordnet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kern (3, 17, 18) einen Rundstab umfasst.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die freien Enden der Schenkel (17) des Kerns (3, 17, 18) gegenüber dem mittleren Kernquerschnitt verbreitert ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mittenabstand (d) zweier Schenkel an deren freien Enden kleiner als oder im Wesentlichen gleich einem durchschnittlichen Mittenabstand (g) benachbarter Pole (N, S) des Multipolgeberrads (1) oder benachbarter Zähne (Z) des Zahnkranzgeberrads (11) ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tiefe der Schenkel des Kerns (3) im Wesentlichen der Tiefe des Multipolgeberrads (1) oder des Zahnkranzgeberrads (11) entspricht.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anordnung der Pole (N, S) des Multipolgeberrads (1) oder der Zähne des Zahnkranzgeberrads (11) durch im Wesentlichen konstante Mittenabstände (g) geprägt ist, mit Ausnahme einer oder mehrerer Positionen an dem Multipolgeberrad (1) oder Zahnkranzgeberrad (11), bei denen die Mittenabstände (g) gegenüber dem restlichen Bereich halbiert sind.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Anordnung der Pole (N, S) des Multipolgeberrads (1) oder der Zähne des Zahnkranzgeberrads (11) durch im Wesentlichen konstante Mittenabstände (g) geprägt ist, mit Ausnahme einer oder mehrerer Positionen an dem Multipolgeberrad (1) oder Zahnkranzgeberrad (11), bei denen die Mittenabstände (g) der Pole (N, S) bzw. Zähne (Z) gegenüber dem restlichen Bereich verdoppelt sind.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Multipolgeberrad (1) aus kunststoffgebundenem Hartferrit gefertigt ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Kern des Sensorelements mindestens einen permanentmagnetischen Abschnitt aufweist.
Fahrzeug mit einer Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Welle (2, 12) eine Kurbelwelle, eine Nockenwelle, eine Radachse oder eine Getriebewelle ist.