DE102016103325A1 - Magnetischer Winkelpositionssensor - Google Patents

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Abstract

Es wird hier ein magnetisches Winkelpositionssensorsystem beschrieben. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform umfasst das Winkelpositionssensorsystem eine um eine Rotationsachse rotierbare Welle, wobei die Welle ein weichmagnetisches Wellenendstück hat. Das System umfasst weiter einen Sensorchip, der von dem Wellenendstück in axialer Richtung beabstandet ist und eine Sensorebene definiert, welche im Wesentlichen rechtwinklig zur Rotationsachse liegt. Zumindest vier Magnetfeldsensorelemente sind in dem Sensorchip integriert, wobei zwei der Magnetfeldsensorelemente voneinander beabstandet sind und lediglich auf Magnetfeldkomponenten in einer ersten Richtung empfindlich sind, und wobei zwei der Magnetfeldsensorelemente voneinander beabstandet sind und lediglich auf Magnetfeldkomponenten in einer zweiten Richtung empfindlich sind, wobei die erste und die zweite Richtung wechselseitig nicht-parallel und die erste und die zweite Richtung rechtwinklig zur Rotationsachse sind. Des Weiteren umfasst das System eine Magnetfeldquelle, welche das Wellenendstück magnetisiert, wobei das Wellenendstück derart geformt ist, dass ein Magnetfeld in der Sensorebene, welches von der Magnetfeldquelle verursacht wird, mit N-ter Ordnung symmetrisch ist, wobei N eine endliche Ganzzahl ≥ 1 ist. Das System umfasst auch eine mit den zumindest vier Magnetfeldsensorelementen gekoppelte Schaltungsanordnung, die dazu ausgebildet ist, eine Winkelposition der Welle zu berechnen, indem Ausgangssignale der zumindest vier Magnetfeldsensorelemente kombiniert werden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft allgemein Winkelpositionssensoren, welche Magnetfeldsensoren verwenden, um einen Winkelwert zu messen, insbesondere auf der (Dreh-)Achse angeordnete (on-axis) Winkelpositionssensoren, Systeme und Verfahren mit einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich bürstenlose Gleichstrommotoren.
  • HINTERGUND
  • Magnetfeldsensoren können dazu verwendet werden, eine Winkelposition einer Welle oder eines anderen Objekts zu messen. Beispielsweise kann ein Permanentmagnet auf der Welle montiert werden, und ein Magnetfeldsensor kann in der Nähe des Magneten angeordnet werden, um ein Magnetfeld zu messen, das von dem Magneten erzeugt wird, während er mit der Welle rotiert. Wenn der Magnetfeldsensor neben der Welle in einem bestimmten Abstand von der Rotationsachse der Welle montiert ist, wird der Sensor häufig als magnetischer „Off-Axis“-Winkelpositionssensor bezeichnet. Magnetische „Off-Axis“-Winkelpositionssensoren werden häufig dann implementiert, wenn die Stirnseite der Welle nicht zugänglich ist (z.B. aufgrund einer bestimmten Verwendung oder eines bestimmten Zusammenbaus der Welle) und folglich die Sensorelemente nicht auf der Rotationsachse montiert werden können. Umgekehrt wird ein magnetischer „On-Axis“-Winkelpositionssensor an oder nahe einem Ende der Welle und deren Stirnseite zugewandt montiert und ist im Allgemeinen auf einer Linie mit oder symmetrisch zu der Rotationsachse. In einigen Ausführungsbeispielen können magnetische „On-Axis“-Winkelpositionssensoren dafür ausgelegt sein, einen Magnetfeldgradienten zu messen. Zu diesem Zweck kann das Magnetfeld an zwei verschiedenen Punkten gemessen werden, welche auf gegenüberliegenden Seiten der Rotationsachse und symmetrisch zu dieser liegen. Der Gradient kann dann in für viele Anwendungen hinreichender Näherung bestimmt werden, indem die beiden gemessenen Magnetfeldwerte z.B. mittels Subtraktion kombiniert werden.
  • In vielen Anwendungen besteht in allgemeines Designziel für magnetische Winkelpositionssensoren darin, günstig zu sein und gleichzeitig robust in Bezug auf externe Magnetfelder und anderen Störungen sowie unempfindlich auf Toleranzen beim Zusammenbau. Eine spezielle Anwendung für magnetischen Winkelpositionssensoren ist in bürstenlosen Gleichstrom-(DC-)Motoren (brushless DC motors, BLDC motors) die Detektion der (Winkel-)Position der Welle während der Rotation. BLDC-Motore stellen eine herausfordernde Umgebung für Magnetfeldsensoren dar, da diese typischerweise starke, rotierende Magneten sowie Kupferwicklungen aufweisen, die hohe Ströme führen; beides erzeugt zeitvariante Magnetfelder, welche mit dem für die Winkelpositionsmessung verwendeten Magnetfeld interferieren und Messfehler verursachen. Diese magnetischen Störfelder sind in hohem Maße inhomogen, was eine Eliminierung der Auswirkungen dieser Störfelder auf die Winkelpositionsmessung schwierig macht. Im Hinblick auf diese Probleme besteht ein allgemeiner Bedarf an einer Verbesserung bei magnetischen Winkelpositionssensoren.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Es wird hier ein magnetisches Winkelpositionssensorsystem beschrieben. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform umfasst das Winkelpositionssensorsystem eine um eine Rotationsachse rotierbare Welle, wobei die Welle ein weichmagnetisches Wellenendstück hat. Das System umfasst weiter einen Sensorchip, der von dem Wellenendstück in axialer Richtung beabstandet ist und eine Sensorebene definiert, welche im Wesentlichen rechtwinklig zur Rotationsachse liegt. Zumindest vier Magnetfeldsensorelemente sind in dem Sensorchip integriert, wobei zwei der Magnetfeldsensorelemente voneinander beabstandet sind und lediglich auf Magnetfeldkomponenten in einer ersten Richtung empfindlich sind, und wobei zwei der Magnetfeldsensorelemente voneinander beabstandet sind und lediglich auf Magnetfeldkomponenten in einer zweiten Richtung empfindlich sind, wobei die erste und die zweite Richtung wechselseitig nichtparallel und die erste und die zweite Richtung rechtwinklig zur Rotationsachse sind. Des Weiteren umfasst das System eine Magnetfeldquelle, welche das Wellenendstück magnetisiert, wobei das Wellenendstück derart geformt ist, dass ein Magnetfeld in der Sensorebene, welches von der Magnetfeldquelle verursacht wird, mit N-ter Ordnung symmetrisch ist, wobei N eine endliche Ganzzahl ≥ 1 ist. Das System umfasst auch eine mit den zumindest vier Magnetfeldsensorelementen gekoppelte Schaltungsanordnung, die dazu ausgebildet ist, eine Winkelposition der Welle zu berechnen, indem Ausgangssignale der zumindest vier Magnetfeldsensorelemente kombiniert werden
  • Gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform umfasst das Winkelpositionssystem eine um eine Rotationsachse rotierbare Welle, wobei die Welle ein weichmagnetisches Wellenendstück hat. Das System umfasst weiter einen Sensorchip, der von dem Wellenendstück in axialer Richtung beabstandet ist und eine Sensorebene definiert, welche im Wesentlichen rechtwinklig zur Rotationsachse liegt. Zumindest vier Magnetfeldsensorelemente sind in dem Sensorchip integriert, wobei ein erstes und ein zweites Magnetfeldsensorelement der Magnetfeldsensorelemente voneinander beabstandet sind und lediglich auf Magnetfeldkomponenten in einer ersten Richtung empfindlich sind. Ein drittes und ein viertes Magnetfeldsensorelement der Magnetfeldsensorelemente sind voneinander beabstandet und lediglich auf Magnetfeldkomponenten in einer zweiten Richtung empfindlich, wobei die erste und die zweite Richtung wechselseitig nicht-parallel und rechtwinklig zur Rotationsachse sind. Das System umfasst des Weiteren eine Magnetfeldquelle, welche das Wellenendstück magnetisiert, wobei das Wellenendstück derart geformt ist, dass ein Magnetfeld in der Sensorebene, welches von der Magnetfeldquelle verursacht wird, mit N-ter Ordnung symmetrisch ist, wobei N eine endliche Ganzzahl ≥ 1 ist. Das System umfasst auch eine mit den zumindest vier Magnetfeldsensorelementen gekoppelte Signalverarbeitungsschaltung, die dazu ausgebildet ist: ein erstes Signal zu berechnen, das die Differenz der von dem ersten und dem zweiten Magnetfeldsensorelement gemessenen Magnetfeldkomponenten repräsentiert; ein zweites Signal zu berechnen, das die Differenz der von dem dritten und dem vierten Magnetfeldsensorelement gemessenen Magnetfeldkomponenten repräsentiert; und eine Winkelposition der Welle zu berechnen durch Kombinieren von zumindest dem ersten und dem zweiten Signal.
  • Zusätzlich wird hier eine Elektromotoranordnung, beschrieben. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform umfasst die Elektromotoranordnung einen Stator umfassend zumindest eine Statorspule, einen Rotor umfassend zumindest eine Welle mit einer Stirnseite und einem weichmagnetischen Wellenendstück und eine Leiterplatte (PCB), die derart angeordnet ist, dass sie der Stirnseite der Welle zugewandt ist. Zumindest einen Sensorchip ist an dem PCB befestigt und von dem Wellenendstück beabstandet. Zumindest vier Magnetfeldsensorelemente sind in dem Sensorchip integriert, wobei zwei der Magnetfeldsensorelemente voneinander beabstandet sind und lediglich auf Magnetfeldkomponenten in einer ersten Richtung empfindlich sind, und wobei zwei der Magnetfeldsensorelemente voneinander beabstandet sind und lediglich auf Magnetfeldkomponenten in einer zweiten Richtung empfindlich sind, wobei die erste und die zweite Richtung wechselseitig nicht-parallel und die erste und die zweite Richtung sind rechtwinklig zur Rotationsachse sind. Eine Magnetfeldquelle ist vorgesehen, die das Wellenendstück magnetisiert, wobei das Wellenendstück derart geformt ist, dass die Magnetfeldkomponenten in der ersten und der zweiten Richtung mit N-ter Ordnung rotationssymmetrisch sind, wobei N eine endliche Ganzzahl ≥ 1 ist. Eine Auswerteschaltung ist mit den zumindest vier Magnetfeldsensorelementen gekoppelt und dazu ausgebildet ist, eine Winkelposition der Welle durch Kombinieren von zumindest vier Ausgangssignale der zumindest vier Magnetfeldsensorelemente zu berechnen. Des Weiteren ist auf dem PCB eine Leistungselektronikschaltungsanordnung angeordnet, die mit den Statorspulen gekoppelt und dazu ausgebildet ist, den Statorspulen Betriebsstrom zuzuführen
  • Des Weiteren wird hier ein Verfahren zum Messen der Winkelposition einer Welle beschrieben, die ein weichmagnetisches Wellenendstück aufweist. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform umfasst das Verfahren das Magnetisieren des Wellenendstücks, wobei das Wellenendstück so geformt ist, dass in der Sensorebene, welche im Wesentlichen rechtwinklig zur Rotationsachse liegt, die Magnetfeldkomponenten in einer ersten und einer zweiten Richtung mit N-ter Ordnung rotationssymmetrisch sind, wobei N eine endliche Ganzzahl ≥ 1 ist. Das Verfahren umfasst weiter das Messen der Magnetfeldkomponenten in der ersten Richtung an zumindest einer ersten und einer zweiten Position in der Sensorebene, wobei die zweite Position ist von der ersten Position verschieden ist, sowie das Messen der Magnetfeldkomponenten in der zweiten Richtung an zumindest einer dritten und einer vierten Position in der Sensorebene, wobei die vierte Position ist von der dritten Position verschieden ist. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Berechnen einer Winkelposition der Welle in Bezug auf deren Rotationsachse basierend auf der Differenz der Magnetfeldkomponenten an der ersten und der zweiten Position und auf der Differenz der Magnetfeldkomponenten an der dritten und der vierten Position.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
  • Die Erfindung lässt sicher mit Bezug auf die folgenden Abbildungen und Beschreibungen besser verstehen. Die in den Abbildungen dargestellten Komponenten sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; vielmehr wird Wert darauf gelegt, das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip zu erläutern. Des Weiteren bezeichnen in den Abbildungen gleiche Bezugsziechen korrespondierende Teile. Zu den Abbildungen:
  • 1 ist eine Schnittsansicht, die einen Längsschnitt eines On-Axis-Winkelpositionssensors illustriert.
  • 2 illustriert magnetische Störfelder aufgrund hoher Ströme auf der Leiterplatte (PCB).
  • 3 illustriert einen Längsschnitt einer On-Axis-Winkelpositionssensoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel und einen Querschnitt durch eine Welle, welche um die Achse (Axis) rotiert.
  • 4 illustriert drei unterschiedliche Beispiele von Wellenendstücken für die Verwendung in einem On-Axis-Winkelpositionssensor.
  • 5 illustriert ein anderes Beispiel eines Wellenendstücks für die Verwendung in einem On-Axis-Winkelpositionssensor.
  • 6 illustriert einen Längsschnitt einer On-Axis-Winkelpositionssensoranordnung gemäß einem weiteren Beispiel, wobei die Nut in dem Wellenendstück mit einem Permanentmagneten gefüllt ist.
  • 7 illustriert ein Beispiel eines Wellenendstücks, das eine Rotationssymmetrie 3. Ordnung aufweist.
  • 8 illustriert einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Winkelpositionssensoranordnung mit einer flexiblen Feder aus magnetischem Material.
  • 9 illustriert – in einer Draufsicht auf die einen Magnetfeldsensor tragende Leiterplatte – zwei exemplarische Implementierungen der in 7 dargestellten flexiblen Feder.
  • 10 illustriert einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Winkelpositionssensoranordnung mit einer flexiblen Feder aus magnetischem Material.
  • 11 illustriert einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Winkelpositionssensoranordnung mit einer flexiblen Feder aus magnetischem Material.
  • 12–14 illustrieren verschiedene exemplarische Anordnungen magnetischer Sensorelemente zur Verwendung in einem magnetischen Winkelpositionssensor.
  • 12–16 illustrieren zwei verschiedene Beispiele wie ein On-Axis-Winkelpositionssensor in einem bürstenlosen DC-Motor (BLDC-Motor) verwendet werden kann.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen Magnetfeldsensoren, die in magnetischen Winkelpositionssensoren mit On-Axis-Anordnungen der Sensorelemente relativ zur Rotationsachse eines Magneten oder eine Welle verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel ist ein magnetischer Winkelpositionssensor in einer On-Axis-Konfiguration relativ zu einer drehbaren Welle montiert. Die Welle umfasst ein Endstück, das aus einem weichmagnetischen Material oder einem Permanentmagneten aufgebaut sein kann. Das Endstück kann eine Stirnseite haben, welche dem Sensor zugewandt ist, und rotationsasymmetrisch in Bezug auf eine Rotationsachse der Welle sein. Der Sensor umfasst zumindest drei Magnetfeldsensorelemente, die in einer im Allgemeinen rechtwinklig zur Rotationsachse liegenden Ebene angeordnet sind. Die Schaltungsanordnung, die mit den Magnetfeldsensorelementen gekoppelt sind, ist dazu ausgebildet, eine Winkelposition der Welle zu schätzen mittels Kombination der Signale der zumindest drei Magnetfeldsensorelemente. Während es eine Vielzahl von Applikationen für verschiedene Ausführungsbeispiele des Sensors gibt, können manche Ausführungsbeispiele, neben anderen Anwendungen, speziell geeignet für die Verwendung in oder mit MLDC-Motoren sein. Jede hier gemachte bestimmte Bezugnahme auf Richtungen (d.h. nach unten, nach oben, rechts, links, etc.) werden lediglich für die Bezugnahme auf eine Bestimmte Abbildung verwendet und sind in Bezug auf die Patentansprüche nicht einschränkend.
  • Ein Beispiel eines On-Axis-Winkelpositionssensorsystems 100 ist in 1 dargestellt. Das Sensorsystem 100 umfasst eine Magnetfeldquelle wie beispielsweise einen Permanentmagneten 102 und ein Sensorgehäuse 106, welches auf einer Leiterplatte (printed circuit board, PCB) 108 angeordnet ist. Das Sensorgehäuse 106 ist – zumindest teilweise – zwischen dem Permanentmagneten 102 und einem Endstück einer Welle 104 angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, um eine Rotationsachse zu rotieren. In 1 ist die Rotationsachse als z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems definiert und die x-y-Ebene liegt rechtwinklig zur Rotationsachse.
  • In einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Permanentmagnet 102 einen Ferritmagnet. Ferritmagneten können günstiger sein als andere Typen von Magneten (z.B. Seltenerdmagnete) und tragen bei zu geringeren Gesamtsystemkosten. Jedoch können in anderen Ausführungsbeispielen Seltenerdmagneten oder andere Typen von Magneten verwendet werden. In manchen Ausführungsbeispielen kann der Magnet 102 sogar weggelassen werden. In diesem Fall hat das Endstück der Welle 104 eine signifikante remanente Magnetisierung. Beispielsweise kann der Magnet 102 einen Sr-Ferrit, einen Ba-Ferrit oder andere Ferrite umfassen sowie AlNiCo, ein Seltenerdmaterial wie beispielsweise NdFeB, oder SmCo oder einige andere geeignete Materialien. Im Allgemeinen umfasst der Magnet 102 ein Material mit einer remanenten Magnetisierung von zumindest 100 mT und ausreichend Koerzitivfeldstärke, um die Stabilität des Magneten 102 sicherzustellen.
  • In dem in 1 dargestellten Beispiel ist der Magnet 102 in einer axialen Richtung (siehe Pfeile in 1) magnetisiert. Das heißt, die Orientierung der Magnetisierung des Magneten 102 ist im Allgemeinen parallel zur Rotationsachse der Welle 104 (z-Achse). In anderen Ausführungsbeispielen kann der Magnet 102 in radialer Richtung magnetisiert sein. Der Magnet 102 ist jedoch üblicherweise (jedoch nicht notwendigerweise) rotationssymmetrisch (d.h. weist sowohl eine geometrische als auch eine magnetische Symmetrie auf, sodass die Geometrie und Magnetisierung nicht von der Winkelposition in Bezug auf die Rotationsachse abhängen). Beispielsweise kann der Magnet 102 wie in dem Beispiel aus 1 gezeigt eine zylindrische Form aufweisen. Jedoch können in anderen Ausführungsbeispielen andere Formen und Magnetisierungsrichtungen verwendet werden. Im Allgemeinen ist der Magnet 102 rotationssymmetrisch und stellt während des Betriebs ein Magnetfeld bereit, welches rotationsymmetrisch in Bezug auf die Rotationsachse ist. Die nicht rotationssymmetrische Geometrie des Wellenendstücks der Welle 104 unterbricht jedoch diese Rotationssymmetrie. Aufgrund der resultierenden Asymmetrie kann die Winkelposition der Welle 104 durch den Winkelpositionssensor detektiert werden.
  • Wie in 1 gezeigt umfasst die Welle 104 ein Endstück mit einer Stirnseite (Fläche 105), die dem Sensorgehäuse 106 gegenüber liegend angeordnet ist. Wie erwähnt ist die Welle 104 im Allgemeinen rotationssymmetrisch, wohingegen die Stirnseite 105 der Welle 104 in Bezug auf die Rotationsachse asymmetrisch sein kann. In dem in 1 dargestellten Beispiel ist die Stirnseite 105 in Bezug auf die xy-Ebene um einen Winkel α geneigt. In einem Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel α rund 15 Grad, obwohl dieser in anderen Ausführungsbeispielen auch größer oder kleiner sein kann. Theoretisch kann der Winkel α zwischen 0 Grad und 90 Grad liegen, in praktischen Implementierungen kann α zwischen rund 5 Grad und rund 25 Grad sein. Aufgrund der Tatsache, dass α größer als 0 Grad ist, hängt die Größe des Luftspalts (in z-Richtung) an einer bestimmten Position in der xy-Ebene im Allgemeinen von der Winkelposition der Welle 104 ab.
  • In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Welle 104 eisenhältiges Material wie beispielsweise ein weichmagnetisches Material wie Eisen oder Baustahl (mild steel) mit einer relativen Permeabilität µR im Bereich von runf 1600 (Stahl) bis 4000 (Eisen). Im Allgemeinen kann die Welle 104 eisenhältiges Material mit einer relativen Permeabilität von mehr als 100 oder mehr als 1000 aufweisen. In manchen Ausführungsbeispielen umfasst nur das Endstück der Welle magnetisches Material, wohingegen der Rest der Welle 104 hauptsächlich aus nicht-magnetischem Material besteht wie beispielsweise einer Nichteisenlegierung, einem nichtmagnetischen oder gering magnetischem Stahl oder aus einem anderen Material.
  • Wie in 1 gezeigt ist das Sensorgehäuse 106 im Allgemeinen zwischen dem Permanentmagneten 102 und der Stirnseite 105 der Welle 104 angeordnet. Die xy-Ebene ist als jene Ebene definiert, in der innerhalb des Chipgehäuses die Magnetfeldsensorelemente 114a, 114b angeordnet sind. Daher ist der axiale Abstand zwischen der xy-Ebene und der Stirnseite 105 der Welle 104 der effektive Luftspalt des magnetischen Schaltkreises. Das Sensorgehäuse 106 kann im Wesentlichen in einer Linie mit der Rotationsachse angeordnet sein und bildet folglich eine On-Axis-Sensoranordnung. Das Sensorgehäuse 106 umfasst zumindest ein Halbleiterplättchen 110 (semiconductor die), in dem die Magnetfeldsensorelemente 114a, 114b integriert sind. Das Halbleiterplättchen 110 liegt im Allgemeinen rechtwinklig zur Rotationsachse (z-Achse) und umfasst eine Hauptseite 112, welche die empfindliche Ebene (d.h. die xy-Ebene) der Sensorelemente 114a und 114 ist. In der Querschnittsdarstellung gemäß 1 sind nur zwei Sensorelemente 114a und 114b sichtbar. Jedoch umfasst der Winkelpositionssensor zumindest drei Sensorelemente, in manchen Konfigurationen zumindest vier Sensorelemente. In beiden Fällen sind die Sensorelemente wechselseitig voneinander beabstandet, und jedes Sensorelement stellt ein eigenes Sensorsignal bereit, welches die Magnetfeldkomponente in der empfindlichen Richtung des jeweiligen Sensorelements und am Ort des jeweiligen Sensorelements repräsentiert.
  • In manchen Ausführungsbeispielen ist das Gehäuse 106 ein oberflächenmontiertes Bauelement (surface-mounted device, SMD), in dem das Halbleiterplättchen 110 auf einen Leadframe 116 angeordnet ist. Der Leadframe 116 umfasst Pins, welche auf das PCB 108 aufgelötet sind. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist der Permanentmagnet 102 zumindest teilweise innerhalb einer Öffnung 130 in dem PCB 108 angeordnet, sodass der Permanentmagnet 102 eine Rückseite des Gehäuses 106 berühren kann. Die Öffnung wird jedoch in anderen Ausführungsbeispielen, in denen der Permanentmagnet 102 unterhalb des PCBs 108 montiert werden kann, nicht benötigt. Beispielsweise ist in einem Ausführungsbeispiel der Permanentmagnet 102 auf der Rückseite des PCBs 108 montiert. In diesem Zusammenhang ist die Rückseite des Gehäuses jene Seite, welche der Vorderseite gegenüberliegt, und die Vorderseite des Gehäuses 106 ist jede Seite, welche der Stirnseite 105 der Welle zugewandt ist. Es sollte beachtet werden, dass in anderen Ausführungsbeispielen sich der Aufbau des Winkelpositionssensors von dem in 1 gezeigten Beispiel unterscheiden kann. Beispielsweise kann ein gehäuseloses Halbleiterplättchen (bare die) auf das PCB montiert werden statt ein Chipgehäuse zu verwenden. In anderen Ausführungsbeispielen können die Sensorelemente 114a und 114b in separaten Halbleiterplättchen innerhalb eines oder mehrerer Chipgehäuse angeordnet sein. In manchen Ausführungsbeispielen kann der Permanentmagnet 102 an der Unterseite des PCBs 108 befestigt oder in das Sensorgehäuse 106 integriert sein.
  • Die Sensorelemente 114 (zusammenfassend für 114a und 114b) können entweder auf Magnetfeldkomponenten in axialer Richtung oder auf Magnetfeldkomponenten in radialer Richtung empfindlich sein. In verschiedenen Ausführungsformen können die Sensorelemente 114 magnetoresistive (MR) Sensorelemente (e.g., AMR, GMR, TMR, CMR und andere), Riesenmagnetoimpedanz-(giant magneto-impedance, GMI)Sensorelemente, Hall-Effekt-Sensorelemente (z.B., vertikale Hall-Sensorelement), MAGFETs, und andere Magnetfeldsensorelemente sowie Kombinationen daraus umfassen, welche geeignet sind, Magnetfeldkomponenten in einer Ebene zu messen, die rechtwinklig zur Rotationsachse der Welle liegt, deren Winkelposition gemessen werden soll. In verschiedenen Ausführungsbeispielen sind die Sensorelemente 114 so orientiert, dass sie entweder auf eine Magnetfeldkomponente in x-Richtung oder in y-Richtung empfindlich sind, wobei die Rotationsachse der Welle als entlang der z-Richtung ausgedehnt definiert ist; die x-, y- und z-Richtung bilden ein kartesisches Koordinatensystem.
  • Im Allgemeinen können die hier beschriebenen Sensoraufbauten in bürstenlosen Gleichstrom-(BLDC-)Motoren verwendet werden. Derartige BLDC-Motoren benutzen Permanentmagnet zur Magnetisierung des Rotors (Ankers) des BLDC-Motors, wohingegen Statorwicklungen zur Bildung von Spulen verwendet werden, um den Stator zu magnetisieren. Strompulse werden an die Statorspulen angelegt, wobei die Strommuster so ausgelegt sind, dass ein gewünschtes Drehmoment und/oder eine gewünschte Drehung des Rotors erreicht werden. Um ein kompaktes Design des BLDC-Motors zu ermöglichen, werden On-Axis-Winkelpositionssensoren verwendet, wobei die Leiterplatte (PCB), welche die Leistungselektronik trägt, das erwähnte Strommuster erzeugt und üblicherweise auch die Komponenten des Winkelpositionssensors trägt. Exemplarische Ausführungsformen, die die Anwendung eines On-Axis-Winkelpositionssensors in BLDC-Motoren zeigen, sind später in 15 und 16 dargestellt.
  • 2 illustriert wie magnetische Störfelder die Feldmessung durch die Magnetfeldsensorelemente 114 beeinflussen können. In 2 ist nur das Sensorgehäuse 106 zusammen mit einem stromführenden Element 201 (z.B. eine Streifenleitung oder ein Leistungshalbleiterhauelement) gezeigt, das auf dem PCB 108 montiert ist. Der Strom i0 fließt durch das Element 201 im Wesentlichen parallel zur y-Achse und erzeugt folglich ein Magnetfeld H0, das durch die Magnetfeldlinien in 1 dargestellt ist. Wie man anhand der Feldlinien sehen kann umfasst das Magnetfeld H0 eine signifikante Komponente H0,z in z-Richtung am Ort der Magnetfeldsensorelemente, welche stark inhomogen ist. Diese Magnetfeldkomponente H0,z kann das Magnetfeld des Permanentmagneten 102 (in 2 nicht gezeigt) überlagern und bei der Bestimmung der Winkelposition aus den Sensorsignalen einen Messfehler verursachen. In der Praxis haben die zur z-Achse rechtwinkligen Magnetfeldkomponenten H0,x und H0,y (in der xy-Ebene) einen signifikant kleineren Betrag am Ort der Magnetfeldsensorelemente. Um die Auswirkung der magnetischen Störfelder, die von den durch Leistungshalbleiterbauelemente auf dem PCB 108 erzeugten Strömen erzeugt werden, zu minimieren, werden Magnetfeldsensorelemente 114 verwendet, welche lediglich auf Magnetfeldkomponenten in x- und y-Richtung empfindlich sind und im Wesentlichen unempfindlich auf Magnetfeldkomponenten in z-Richtung (axiale Richtung). Des Weiteren werden Sensorelementpaare verwendet, um eine differentielle Messung zu implementieren, was weiter unten noch erläutert wird (siehe 11–13). Die differentielle Messung wird verwendet, um eine Art Gradiometer zu implementieren, welcher den räumlichen Gradienten der gemessenen Magnetfeldkomponenten misst und folglich die Auswirkung homogener magnetischer Störfelder (außerhalb des PCBs 108 oder im BLDC-Motor erzeugt) eliminiert. Eine Kombination der Verwendung von Magnetfeldsensoren, welche im Wesentlichen unempfindlich in axialer (d.h. z-)Richtung sind, mit einem differenziellen Messprinzip ermöglicht eine Winkelpositionsmessung, die robust gegen magnetische Störfelder ist, die auf der Leiterplatte (on board, d.h. durch die Leistungselektronik auf dem PCB 108) und abseits der Leiterplatte (off board, d.h. im Wesentlichen homogene externe Magnetfelder) erzeugt werden.
  • In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen hat das Endstück der Welle 104 eine Rotationssymmetrie bestimmter Ordnung, wobei Rotationssymmetrie N-ter Ordnung (auch N-fache Rotationssymmetrie bezeichnet) bedeutet, dass jede Drehung um einen Winkel von 360°/N das Objekt nicht ändert. N ist eine endliche (von Null verschiedene und nicht unendliche) ganze Zahl größer oder gleich 1. Es sollte beachtet werden, dass eine Symmetrie erster Ordnung eigentlich keine Symmetrie ist, da nur eine volle Umdrehung der Welle um 360° wieder eine unveränderte Geometrie liefert. Im Gegensatz dazu bedeutet eine Symmetrie zweiter Ordnung, dass eine Drehung der Welle um 180° eine unveränderte Geometrie liefert. In dem Beispiel aus 3 hat das Endstück der Welle 104 in seiner Stirnseite eine Ausnehmung P (Nut). Die Ausnehmung P hat die Form eines Schlitzes, der geradlinig (z.B. entlang der y-Richtung) durch die Rotationsachse verläuft, was zur Folge hat, dass das Wellenendstück eine Symmetrie zweiter Ordnung aufweist (siehe Schnitt A-A‘ in 3). Abgesehen von dem Endstück der Welle 104 ist der Aufbau der in 3 gezeigten Winkelpositionssensoranordnung beinahe identisch mit dem Beispiel aus 1. Der Permanentmagnet 102 ist jedoch auf der Rückseite der Leiterplatte (PCB) 108 montiert anstatt, wie in 1 gezeigt, durch eine Öffnung in der Leiterplatte 108 hindurch auf der Rückseite des Sensorgehäuses 106 angeordnet zu sein. Das Sensorgehäuse 106 wird auf der Vorderseite des PCBs 108 montiert und umfasst zumindest einen Halbleiterchip 110, wobei in dem Chip 10 mehrere Magnetfeldsensorelemente 114a, 114b integriert sind. Alle Magnetfeldsensorelemente sind empfindlich auf eine Magnetfeldkomponente in der xy-Ebene und unempfindlich auf eine Magnetfeldkomponente in z-Richtung (d.h. axialer Richtung).
  • In einem alternativen Ausführungsbeispiel, das durch die gekrümmte gestrichelte Linie in 3 dargestellt ist (und auch in der weiter unten diskutierten 6), hat die Nut P die Form eines Halbzylinders (halbkreisförmiger Querschnitt) anstatt eines rechteckigen Querschnitts. Beide Ausführungsbeispiele wurden simuliert. In beiden Ausführungsbeispielen ist der Sensorchip 110 in der xy-Ebene bei z = 0 angeordnet und die empfindlichen Magnetfeldsensorelemente sind bei z = 0,1mm. Die Rotationsachse ist durch x = y = 0 definiert. In dem ersten Ausführungsbeispiel hat der Permanentmagnet einen Durchmesser von 10 mm, ist koaxial zur Welle 104 angeordnet und hat eine axiale Länge von 5mm (von z = –6,5mm bis z = –1,5mm). Die remanente Magnetisierung des Permanentmagneten 102 ist 1 Telsa; sein relative Permeabilität µR beträgt 1.1. Der Durchmesser der Welle 104 ist 6mm, und die Stirnseite der Welle 104 ist bei z = 1mm. Der Luftspalt zwischen Welle und Permanentmagnet beträgt demnach 2,5mm. Die relative Permeabilität µR der Welle 204 beträgt 1700. Die Breite w der Nut beträgt 2mm und deren Tiefe 3mm (rechtwinkliger Querschnitt). Mit den obigen Daten können die Magnetfeldkomponenten HX, HY in der xy-Ebene (d.h. in der Sensoreben, in der sich die Sensorelemente erstrecken) als HX = a·x/μ0 mit a = 56.6 T/m und HY = b·x/μ0 mit b = 10 T/m approximiert werden (unter Verwendung linearer Regression in den Simulierten Magnetfelddaten), wobei µ0 die Vakuumpermeabilität bezeichnet. In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser des Permanentmagneten 4mm, seine remanente Magnetisierung beträgt 1 Tesla (parallel zur z-Achse magnetisiert), und seine axiale Länge beträgt 4mm (von v = –4,2mm bis –0,2mm). Die Welle hat einen Durchmesser von 6mm und die Nut P ist ein Halbzylinder mit Radius von 1,5mm. Die Stirnseite der Welle ist bei z = 1,8mm, der Luftspalt beträgt daher 2mm. Anders als beim ersten Ausführungsbeispiel ist die Nut P mit einem anderen Permanentmagneten 102‘ gefüllt (wie in dem Beispiel aus 6) mit einer Magnetisierung von –1T (parallel zur z-Achse magnetisiert). Die Magnetfeldsensorelemente sind bei z = 0,5mm. In dieser Anordnung überlagern sich die Magnetfeldkomponenten in x- und y-Richtung der beiden Permanentmagneten konstruktiv. Die Simulation ergibt eine Approximation von HX = a·x/μ0 mit a = 175.4 T/m und HY = b·x/μ0 mit b = 102.2 T/m. Demnach macht der zweite Permanentmagnet 102‘ die diametrale Magnetfeldkomponente (x- und y-Komponenten) stärker und die axiale Magnetfeldkomponente (z-Komponente) schwächer. In einer idealen Implementierung sollten die beiden Magneten symmetriert (balanced) sein, um das axiale Magnetfeld in den Sensorelementen verschwinden zu lassen, weil dann kleine Verkippungen der Sensorebene (xy-Ebene) in Bezug auf die Rotationsachse – die aufgrund von Toleranzen beim Zusammenbau unvermeidlich sind – die kleinstmögliche Auswirkung auf die Genauigkeit der Winkelpositionsmessung haben.
  • Wie oben erwähnt kann die Nut P mit einem zweiten Permanentmagneten 102‘ gefüllt sein. Im Allgemeinen ist ein Permanentmagnet an der Welle 104 befestigt (z.B. in der Nut P), sodass er synchron mit der Welle 104 rotiert, und der andere Permanentmagnet (vgl. Permanentmagnet 102 in 3) ist an dem Sensorgehäuse 106 (vgl. 1) oder an dem PCB 108 (vgl. 3) befestigt, sodass er nicht rotiert. Beide Permanentmagneten sind in einer Richtung parallel zur Rotationsachse (z-Richtung) magnetisiert, wobei einer der Permanentmagnete in positiver z-Richtung magnetisiert ist und der andere in negativer z-Richtung. Auf diese Weise addiert sich ihr Magnetfeldbeitrag HX, HY in der xy-Ebene. Einer der beiden Permanentmagneten kann weggelassen werden und die Sensoranordnung würde immer noch funktionieren. Ob ein oder zwei Magneten verwendet werden kann vom verfügbaren Platz, den Kosten, der Streufeldrobustheit der umgebenden elektronischen Komponenten, etc., abhängen.
  • Für die beiden Permanentmagnete können unterschiedliche Magnetwerkstoffe verwendet werden. Der rotierende Permanentmagnet kann beispielsweise aus einem spritzgegossenen (injection molded) magnetischen Material bestehen, in dem magnetische Partikel in einer Polymermatrix eingebettet sind, wohingegen der nichtrotierende Permanentmagnet (Permanentmagnet 102) ein gesinterter Magnet sein kann, der nicht problemlos in komplexen Geometrien herstellbar ist. Jedoch können gesinterte Magnete sehr hohe remanente Magnetisierungen aufweisen (im Fall von NdFeB-Material kann die Remanenz 1T übersteigen). Im Gegensatz dazu haben kunststoffgebundene oder spritzgegossene Magneten eine geringere remanente Magnetisierung (im Fall von kunststoffgebundenen NdFeB-Magenten kann die remanente Magnetisierung lediglich bis zu 0,6T betragen).
  • In einem bestimmten Ausführungsbeispiel hat der Sensorchip 110, in dem die Magnetfeldsensorelemente integriert sind, eine Größe von rund 0,5mm bis 4mm, z.B. 1,5mm, in x-Richtung. Daher ist der Abstand zwischen den Magnetfeldsensorelementen auch in diesem Bereich (Siehe auch 11–13). Die Breite w (entlang der x-Richtung) der Nut P in dem Endstück der Welle 104 kann eine ähnliche Größe aufweisen oder geringfügig breiter sein als der Chip 110, z.B. 2mm. Der Wellendurchmesser kann von rund der doppelten Breite der Nut P (z.B. 4mm) bis hin zu – theoretisch – unendlich großen Durchmessern betragen. Die Tiefe d der Nut (d.h. die axiale Länge entlang der z-Richtung) kann das die halbe Breite der Nut übersteigen (d.h. mehr als 1mm) und z.B. gleich sein wie deren Breite. In diesem Fall ist der Querschnitt (rechtwinklig zur y-Achse in dem Beispiel aus 3) der Nut quadratisch. Tiefere Nuten sind möglich. Jedoch führen tiefere Nuten nicht zu einem magnetischen Verhalten, das sich nennenswert vom magnetischen Verhalten jener Nuten unterscheidet, deren Tiefe gleich deren Breite ist. 4 zeigt drei weitere Beispiele von Wellenendstücken, welche unterschiedliche Nuten P aufweisen. In allen drei Beispielen (4a, 4b und 4c) erstreckt sich die Nut gerade durch die Rotationsachse des Wellenendstücks hindurch. Das Beispiel in 4a hat eine Nut P mit einem V-förmigen Querschnitt, das Beispiel in 4b hat eine Nut P mit einer trapezförmigen Querschnitt, wobei der Querschnitt mit zunehmender Tiefe schmäler wird, und das Beispiel in 4c hat eine Nut P mit einem trapezförmigen Querschnitt, wobei der Querschnitt mit zunehmender Tief breiter wird.
  • Des Weiteren muss die Nut P nicht notwendigerweise eine konstante Tiefe d aufweisen. Die Tiefe d der Nut P kann zur Rotationsachse hin größer werden und hin zum Umfang der Welle kleiner. Auch die Stirnfläche (die Oberfläche der Stirnseite) des Endstücks ist nicht notwendigerweise eine plane Fläche. In dem in 5 gezeigten Beispiel weist die Stirnfläche eine Krümmung auf. Beispielsweise kann die Stirnfläche ein Teil einer sphärischen Oberfläche sein, deren Krümmungsmittelpunkt auf der Rotationsachse liegt. Alternativ kann die Stirnfläche ein Teil einer zylindrischen Oberfläche sein, deren Zylinderachse die Rotationsachse mit 90° schneidet. Solche Krümmungen können helfen, das Magnetfeld in einer Weise zu „designen“ dass der Signalpegel der Ausgangssignale der Magnetfeldsensorelemente maximiert wird (oder, im Fall einer differentiellen Messung, dass die Differenz zweier zusammengehörender Ausgangssignale eines Magnetfeldsensorelementpaars maximiert wird). 5 illustriert zwei verschiedene Längsschnitte (Schnitt A-A‘ und Schnitt B-B‘) und eine Ansicht von unten desselben Wellenendstücks.
  • Im Allgemeinen ermöglicht ein Wellenendstück mit N-facher Rotationssymmetrie die Messung einer Winkelposition im Intervall [0, 360°/N]. Die Welle 104 ist jene Komponente der Sensoranordnung, welche im Vergleich zu anderen Komponenten im Allgemeinen am genausten gefertigt ist. Im Gegensatz dazu kann der Permanentmagnet 102 signifikant weniger genau gefertigt werden als die Welle 104. Weder die Form des Permanentmagneten 102, noch dessen Materialhomogenität, noch dessen Magnetisierung (in Bezug auf Betrag, Richtung und Homogenität) und deren Stabilität über Zeit und Temperatur sind wohldefiniert. In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen wird aber der Permanentmagnet 102 lediglich dazu verwendet, das Wellenendstück zu magnetisieren und rotiert nicht. In anderen Worten, der Permanentmagnet 102 definiert nicht die Winkelposition des Magnetfelds; er spannt das Wellenendstück, das die Winkelposition des Magnetfelds definiert, lediglich (magnetisch) vor. Daher haben kleinere Ungenauigkeiten (in Bezug auf die Geometrie und Magnetisierung) des Permanentmagneten 102 keine signifikante Auswirkung auf die Messung der Winkelposition. Aus den oben erläuterten Gründen besteht keine Notwendigkeit, dass der Permanentmagnet 102 eine präzise und komplexe Form und Magnetisierung aufweist, und es kann ein kostengünstiger gesinterter Magnet verwendet werden. Gesinterte Seltenerdmagnete können eine hohe remanente Magnetisierung von mehr als 1 T aufweisen, was vergleichsweise starke Magnetfelder durch die Sensorelemente zur Folge hat und folglich die Robustheit gegen Rauschen und Interferenzen erhöht (d.h. das magnetische Signal-Rausch-Verhältnis ist hoch). Da der Permanentmagnet 102 des Weiteren nicht rotiert, produziert er keine großen rotierenden Magnetfelder, welche andere Elektronikkomponenten stören könnten. Das Wellenendstück kann sehr nahe an dem Sensorchip 110 angeordnet und folglich an den Magnetfeldsensorelementen werden (z.B. 1mm Luftspalt oder sogar weniger, abhängig von der axialen Toleranz der Welle). Der Abstand zwischen relevanten magnetisierten Teilen des Wellenendstücks und der Sensorelemente kann daher vergleichsweise klein sein, was auch den Betrag der gemessenen Magnetfeldkomponenten erhöht.
  • In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen hat das Wellenendstück eine Rotationssymmetrie zweiter Ordnung (zweifache Rotationssymmetrie), was eine eindeutige Winkelpositionsmessung im Bereich zwischen 0 und 180° ermöglicht. Aufgrund der Symmetrie kann die Sensoranordnung nicht zwischen einem Winkel φ und einem Winkel φ + 180° unterscheiden. Eine eindeutige Winkelpositionsmessung im vollen Bereich von 0° bis 360° ist jedoch in vielen Anwendungen wie beispielsweise bürstenlose DC-(BLDC-)Motoren nicht notwendig.
  • Falls jedoch eine eindeutige Winkelpositionsmessung über den vollen Bereich zwischen 0° und 360° erwünscht ist, kann die Orientierung der remanenten Magnetisierung des rotierenden Permanentmagneten 102‘ in Bezug auf die Rotationsachse (z-Achse) wie in dem Beispiel in 6 gezeigt schräg sein. Das bedeutet, dass – zusätzlich zu seiner Magnetisierung in z-Richtung (d.h. parallel zur Rotationsachse) – der rotierbare Magnet einen bestimmten (vorzugsweise kleinen) Magnetisierungsbetrag normal zur z-Richtung (d.h. entlang der x-, y- oder einer anderen diametralen Richtung) haben soll. In 6 zeigt der gestrichelte Pfeil im Permanentmagneten 102‘ die zuvor erklärte remanente Magnetisierung an, die antiparallel zur z-Richtung liegt, wohingegen der durchgezogene Pfeil die oben erwähnte schräge Magnetisierung anzeigt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat der Permanentmagnet z.B. 80% seiner Magnetisierung entlang der z-Richtung und 20% entlang der x-Richtung (oder eine andere diametrale Richtung wie z.B. die y-Richtung), was eine Neigung von 14° in Bezug auf die Rotationsachse zur Folge hat und zu einem kleinen Magnetfeld HX beiträgt, welches im Wesentlichen homogen durch einen Sensorchip verläuft. Das Sensorsystem kann folglich zwischen einem Winkel φ und einem Winkel φ + 180° unterscheiden, indem die Summe und die Differenz der Sensorsignale unterschiedlicher Magnetfeldsensorelemente (siehe 6, Magnetfeldsensorelemente 114a, 114b) ausgewertet werden, die in der Sensorebene (xy-Ebene) voneinander beabstandet sind, empfindlich auf Magnetfeldkomponenten orthogonal zur Rotationsachse und unempfindlich auf axiale Magnetfeldkomponenten sind. Das differentielle Signal (z.B. HX(x = x1, y = 0) – HX(x = –x1, y = 0)), das man von einem Magnetfeldsensorelementpaar erhält, kann dazu verwendet werden, eine exakte Winkelposition zu bestimmen, die entweder im Bereich von 0 bis 180° oder in dem Bereich von 180° bis 360° liegt. Dieses differentielle Signal ist ein Ergebnis des magnetischen Effekts der Nut und der axialen Magnetisierung beider Magnete. Das Summensignal (e.g. HX(x = x1, y = 0) + HX(x = –x1, y = 0)), das man von einem Magnetfeldsensorelementpaar erhält, kann dazu verwendet werden, zu bestimmen, in welchem der beiden Bereiche der Winkel φ liegt (d.h. ob 180° zu dem zuvor ermittelten Winkel φ addiert werden müssen oder nicht). Dieses Summensignal ist eine Folge der diametralen Magnetisierung des rotierbaren Magneten. Abgesehen von der Form der Nut P und dem weiteren in der Nut angeordneten Permanentmagneten 102‘ ist das Beispiel in 6 identisch mit dem Beispiel aus 3.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die remanente Magnetisierung des rotierenden Permanentmagneten 102‘ parallel zur x-Achse (oder eine beliebige andere diametrale Richtung, z.B. y-Richtung) orientiert, was eine Neigung (die im vorherigen Beispiel 14° betrug) von 90° bedeutet. Der nichtrotierende Permanentmagnet 102 ist jedoch nach wie vor parallel zur z-Achse magnetisiert (und erzeugt folglich ein rotationssymmetrisches Magnetfeld). Die remanente Magnetisierung des Permanentmagneten 102‘ sollte stark genug sein, dass die resultierende homogene diametrale Feldkomponente stärker ist, als eine beliebige potentielle externe Magnetfeldkomponente in dieser Richtung. Da die diametrale Feldkomponente nur zur Unterscheidung des 0°–180°-Sektors von dem 180°–360°-Sektor verwendet wird, bestehen keine bestimmten Anforderungen an die Präzision der Magnetisierung.
  • In einem anderen Beispiel ist das Wellenendstück rotationsunsymmetrisch geformt; das heißt es ist so geformt, dass es eine Rotationssymmetrie erster Ordnung aufweist, sodass eine Messung im vollen Bereich von 0° bis 360° möglich ist, auch wenn die Permanentmagneten nur entlang der z-Richtung magnetisiert sind. Verwendet man diesen Ansatz, so kann die Nut P vom Zentrum zum Umfang des Wellenendstücks hin verschoben werden. Alternativ könnte ein Wellenendstück wie in 1 gezeigt verwendet werden. Des Weiteren kann die Tiefe der Nut P in einer rotationsunsymmetrischen Weise variieren.
  • In dem Beispiel gemäß 7 ist das Wellenendstück so geformt, dass es eine Rotationssymmetrie dritter Ordnung aufweist. Das heißt, eine eindeutige Winkelpositionsmessung ist in dem Sektor von 0° bis 120° (360°/3) möglich. Wie man in der in 7 gezeigten Ansicht von unten sehen kann, teilt sich die Nut P im Mittelpunkt der Welle in zwei Äste auf, wodurch eine Y-Form gebildet wird. Im Allgemeinen können die Welle 104 und das Endstück, das eine Symmetrie N-ter Ordnung hat, ein Bauteil sein. In manchen Ausführungsbeispielen ist jedoch das Wellenendstück ein separates Bauteil, welches an der Welle 104 befestigt ist, z.B. mittels Klemmen, Kleben, Presssitz, etc.
  • In den in 8 bis 11 gezeigten Beispielen ist das Wellenendstück ein flexibler (elastisch deformierbarer) Teil oder weist einen solchen auf, der an der Welle 104 befestigt ist und folglich synchron mit der Welle rotiert. Der flexible Teil 151 des Wellenendstücks kann so gestaltet sein, dass er ein axiales Spiel oder axiale Toleranzen der Welle 104 ausgleicht. In dem in 8 gezeigten Beispiel ist der flexible Teil 151 eine Blattfeder, welche an der Welle 104 mittels eines Ankerelementes 150 befestigt ist. In einem entspannten Zustand ist die Blatfeder 151 im Wesentlichen flach, rechtwinklig zur Rotationsachse und vor der Stirnseite der Welle 104 angeordnet. Die Rotationsachse der Welle 104 schneidet eine Längsachse der Blattfeder. In den ein 8 und 9 gezeigten Beispielen, ist die Längsachse der Blattfeder parallel zur x-Achse, und im Allgemeinen erstreckt sich die Längsachse der Blattfeder radial und schneidet die Rotationsachse. Im Allgemeinen illustriert 8 einen Längsschnitt entlang der z-Achse und ist im Wesentlichen identisch mit den in 3 und 6 gezeigten Beispielen abgesehen davon, dass das Wellenendstück aus der Blattfeder 151, dem erwähnten Ankerelement 150 und einem Abstandshalter 152 aufgebaut ist, der zwischen dem Sensorgehäuse 106 und der Blattfeder 152 angeordnet ist.
  • In einem Ausführungsbeispiel zeigt die Welle ein axiales Spiel von rund +/–1mm, und die Blattfeder 151 biegt sich mehr oder weniger, um über den Abstandshalter 152 einen mechanischen Kontakt mit dem Sensorgehäuse 106 zu halten. Das Ankerelement 150 kann dazu ausgebildet sein, die Blattfeder 151 an der rotierenden Welle 104 zu fixieren, sodass die Blattfeder entlang einer axialen Richtung (z-Richtung) flexibel, jedoch in lateralen (d.h. x-, y-)Richtungen vergleichsweise steif ist. Die Blattfeder 151 kann aus einem weichmagnetischen Werkstoff (z.B. Federstahl) bestehen oder einen solchen aufweisen, sodass sie die magnetische Funktion der in den vorherigen Ausführungsbeispielen gezeigten Nut P (siehe 1 und 3) übernehmen kann. Alternativ kann die Blattfeder 151 aus einem nichtmagnetischen Federkörper (z.B. bestehend aus Berylliumbronze oder Berylliumkupfer) und einem weichmagnetischem Element aufgebaut sein, welches an dem nichtmagnetischen Federkörper befestigt ist. Der Zweck des flexiblen Elements besteht darin, dass – unabhängig von kleinen axialen Positionsänderungen der Welle – das flexible Element sicherstellt, dass ein weichmagnetischer Teil, der nicht rotationssymmetrisch ist, in einem im Wesentlichen konstanten axialen Abstand zu den Sensorelementen gehalten wird. Dieser nicht rotationssymmetrische, weichmagnetische Teil kann die Feder selbst sein (wie in den 8–11) oder ein beliebiger anderer weichmagnetischer Teil, der an dem flexiblen Ende der Feder befestigt ist (nicht dargestellt). Da der axiale Abstand zwischen dem weichmagnetischen Teil und den Sensorelementen im Wesentlichen konstant gehalten wird, kann ein axiales Spiel der Welle nur geringere Auswirkung auf die Winkelpositionsmessung haben und sollte geringere Fehler in dem gemessenen Winkelpositionswert zur Folge haben.
  • In dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf der Rotationsachse ein kleiner Abstandshalter 152 an der Blattfeder 151 befestigt. Folglich kann der Abstandshalter 152 synchron mit der Welle 104 um die Rotationsachse rotieren, wobei der Abstandshalter den mechanischen Kontaktpunkt zwischen Wellenendstück und Sensorgehäuse 106 und den axialen Abstand zwischen dem flexiblen Wellenendstück und dem Sensorgehäuse 106 definiert. Der Abstandshalter 152 kann z.B. aus Teflon (Polytetrafluorethylen, PTFE) oder einer anderen Art von Material bestehen, welches eine geringe Reibung zwischen dem Abstandshalter 152 und dem Sensorgehäuse 106 sicherstellt. Das Sensorgehäuse 106 weist im Allgemeinen eine gegossene Komponente auf, welche einen scheuernden Füller beinhaltet. Folglich kann eine geringe Reibung ein Ziel bei der Materialwahl für den Abstandshalter sein. Der Abstandshalter kann magnetisch sein oder nicht; aufgrund seiner Rotationssymmetrie würde der Abstandshalter nicht zu einem Magnetfeld führen, welches abhängig von der Winkelposition variiert.
  • Der flexible Teil des Wellenendstücks (z.B. die Blattfeder) kann verschiedene Formen haben. Zwei exemplarische Ausführungsformen der Blattfeder 151 sind in den 9a und 9b gezeigt, von denen beide eine Draufsicht auf die Blattfeder zeigen, die mit der Schnittansicht in 8 korrespondiert. In dem in 9a gezeigten Ausführungsbeispiel hat die Blattfeder 151 die Form einer kleinen streifenförmigen Platte mit einer Breite wS, die in der xy-Ebene kleiner ist als der Sensorchip 110 (Breite wC), sodass die Blattfeder 151 nur einen Teil des Sensorchips 110 überdeckt (siehe Draufsicht in 9a). In dem alternativen Ausführungsbeispiel aus 9b ist die Breite wS der Blattfeder 151 größer als der Sensorchip 110 und bedeckt folglich den ganzen Chip. In der Mitte der Blattfeder 151 ist entlang deren Längsachse (x-Achse, siehe 9b) ein Schlitz gebildet, sodass die Rotationsachse durch den Schlitz hindurch verläuft. Die Breite wSL des Schlitzes kann kleiner sein als die Breite wC des Chips (wie es im Beispiel in 9 der Fall ist). In diesem Ausführungsbeispiel ist der Effekt des Schlitzes auf das resultierende, von den Magnetfeldsensorelementen im Chip 110 „gesehene“ Magnetfeld sehr ähnlich zu dem Effekt der Nut P in den in 3 und 6 dargestellten Beispielen. Folglich hat in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in 8 und 9 das Wellenendstück eine Symmetrie zweiter Ordnung (N = 2, zweifache Rotationssymmetrie) für eine Winkelpositionsmessung im Bereich von 0° bis 180°. In anderen Ausführungsbeispielen hat die Blattfeder 151 eine sich verjüngende Geometrie (d.h. deren Breite ist an einem Ende kleiner im Vergleich zum anderen Ende) um eine Symmetrie erster Ordnung zu erreichen und eine Winkelpositionsmessung im Bereich von 0° bis 360° zu ermöglichen. Des Weiteren kann die streifenförmige Platte 151 (d.h. die Feder) in 9a breiter und länger und in negative y-Richtung verschoben sein, sodass die obere Kante der Feder bei y = 0 ist und die Feder 151 jenen Teil des Chips überdeckt, für den y < 0 gilt (siehe gepunktete Fläche in 9a). Falls diese Feder ferromagnetisch (d.h. weichmagnetisch) und durch einen am Sensorgehäuse 106 oder am PCB 108 fixierten Permanentmagneten 102 oder durch einen an der Welle fixierten Permanentmagneten 102‘ magnetisiert ist, und falls diese Magneten rotationssymmetrisch mit einer rotationssymmetrischen remanenten Magnetisierung sind, dann erzeugt die Feder 151 – am Ort der Magnetfeldsensorelemente – ein Magnetfeld mit einer Symmetrie erster Ordnung (N = 1), d.h. deren Magnetfeld auf die Sensorelemente ermöglicht eine eindeutige Messung von Winkeln im Bereich von 0° bis 360°. Das gleiche gilt für einen breiten Streifen in 9, falls die Breite wSL des Schlitzes breit genug (z.B. breiter als wC/2) und lang genug (z.B. länger als der Chip) ist, und falls der Schlitz hin zur negativen y-Richtung verschoben ist, sodass seine obere Kante an der x-Achse ausgerichtet ist.
  • In dem Ausführungsbeispiel aus 10 ist die Blattfeder 151 um 90° gebogen und direkt an der Welle 104 befestigt, anstatt ein separates Ankerelement (wie z.B. das Ankerelement 150 in 8) zu verwenden. Beispielsweise kann jener Teil der Blattfeder 151, der an der Welle 104 befestigt ist, in eine Nut eingeführt sein, welche sich axial in der Mantelfläche der Welle erstreckt, und an die Welle geschraubt, an dieser angeschweißt oder anderweitig fixiert sein. Im Allgemeinen ist es auch möglich, die Blattfeder 152 an der Rotationsachse erhaben auszuarbeiten, anstatt einen separaten Abstandshalter zu befestigen. In diesem Fall ist der Abstandshalter als Ausbeulung (embossment) 152‘ implementiert wie in den Beispielen aus 10 und 11 gezeigt ist. In dem Beispiel in 11 hat die Blattfeder eine S-Form und ist an der Stirnseite der Welle 104 befestigt anstatt an der Mantelfläche wie in dem vorherigen Beispiel aus 10. In diesem Fall wird eine zusätzliche Asymmetrie (Symmetrie erster Ordnung) durch eine unsymmetrische Ausnehmung R (recess) in der Stirnseite der Welle 104 erreicht. Der Effekt der Ausnehmung R auf das resultierende, von den Magnetfeldsensorelementen „gesehene“ Magnetfeld ist ähnlich dem Effekt einer geneigten Stirnfläche der Welle wie im Beispiel aus 1. Wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen kann ein Permanentmagnet 102 an dem PCB 108 befestigt sein. Zusätzlich oder alternative kann ein anderer Permanentmagnet 102‘ an der Welle 104 befestigt sein (in 10 als gepunktete Linien gezeigt).
  • In den hier gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Sensorchip 110 näher am Abstandshalter 152 oder an der Ausbeulung 152‘ als der Leadframe 116, was einen geringen Abstand (Luftspalt) zwischen Wellenendstück und der im Sensorchip 110 integrierten Magnetfeldsensorelemente sicherstellt. Eine derartige Anordnung kann helfen, den Pegel des Magnetfelds in den Sensorelementen und den Signaloutput der Magnetfeldsensorelemente zu maximieren. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Sensorchip jedoch umgedreht sein, sodass eine freiliegende Metallfläche (die paddle) von dem Abstandshalter 152 oder der Ausbeulung 152‘ kontaktiert wird anstatt der Kunststoffteil (Vergussmasse) des Sensorgehäuses. In diesem Fall schützt die Metallfläche das Sensorgehäuse 106 gegen Abnutzung, die von dem rotierenden Abstandshalter oder der rotierenden Ausbeulung verursacht wird. Auch wenn die Metallfläche nicht freiliegen würde (d.h. sie ist mit Vergussmasse bedeckt und folglich ist der Abstandshalter 152 oder die Ausbeulung 152‘ in Kontakt mit der scheuernden Vergussmasse), würde sie dennoch den Chip vor der Feder 151 schützen. In alternativen Ausführungsformen kann das Magnetfeldsensorgehäuse 106 auf der Unterseite der PCB montiert sein, während die Welle der Oberseite der Leiterplatte zugewandt ist, und der Abstandshalter 152 kontaktiert die Oberseite des PCBs oder eine Metallplatte oder eine ähnliche Struktur, die auf der Oberseite des PCBs montiert ist. In diesem Ausführungsbeispiel besteht keine Reibung zwischen dem rotierenden Abstandshalter und der scheuernden Vergussmasse des Sensorgehäuses, und das Sensorgehäuse ist durch das dazwischenliegende PCB vor dem rotierenden Abstandshalter 152 geschützt.
  • Im Allgemeinen können die Permanentmagneten auf dem PCB 108 (siehe 10 und 11), dem Sensorgehäuse 106 (siehe 1), der Welle 104 (siehe 6), der Blattfeder 151 (z.B. an deren flexiblen Ende) oder zwischen Welle und Feder oder sogar auf dem Ankerelement 150 montiert sein. Der Permanentmagnet kann verschiedene Formen aufweisen wie beispielsweise eine Ringform, eine Pillenform, einer Zylinderform, eine Quaderform mit unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen (rein axial oder rein radial oder Kombinationen von axial und diametral bzw. axial und radial). Durch Kombinieren verschiedener Aspekte der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele können weitere Ausführungsbeispiele geschaffen werden.
  • Die folgenden 12 bis 14 illustrieren unterschiedliche Anordnungen (Layouts) der in mindestens einem Sensorchip 110 integrierten Magnetfeldsensorelemente (siehe z.B. 3, 6 und 8). Im Allgemeinen werden in den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen zumindest vier Magnetfeldsensorelemente verwendet, obwohl bei den in 12 bis 14 gezeigten Ausführungsbeispielen acht oder sechzehn Magnetfeldsensorelemente verwendet werden (wobei im letzterem Fall zwei zusammengehörige Magnetfeldsensorelemente in geringem Abstand voneinander oder aneinander angrenzend angeordnet sind und deren Sensorausgangssignale gemittelt wird, sehe 12 und 13). Der Sensorchip 110 definiert eine Sensorebene, welche im Wesentlichen rechtwinklig zur Rotationsachse (z-Achse) angeordnet ist und in der die Magnetfeldsensorelemente angeordnet sind. Im Allgemeinen sind ein erstes und ein zweites der Magnetfeldsensorelemente voneinander beabstandet und lediglich auf Magnetfeldkomponenten in einer ersten Richtung (z.B. x-Richtung) empfindlich, und ein drittes und ein viertes der Magnetfeldsensorelemente sind ebenfalls voneinander beabstandet und lediglich auf Magnetfeldkomponenten in einer zweiten Richtung (z.B. y-Richtung) empfindlich. Wie oben erwähnt bilden die x-Richtung, die y-Richtung und die z-Richtung (definiert durch die Rotationsachse) ein kartesisches Koordinatensystem. Die erste Richtung und die zweite Richtung sind nicht parallel und liegen rechtwinklig zur Rotationsachse. Wie oben erwähnt sind die in den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendeten Sensorelemente im Wesentlichen unempfindlich auf Magnetfeldkomponenten rechtwinklig zur Sensorebene (und folglich parallel zur Rotationsachse). In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen können die einzelnen Magnetfeldsensorelemente beispielsweise entlang eines zur Rotationsachse konzentrischen Kreises mir Radius r angeordnet sein. An den (oder nahe bei den) Winkelpositionen 0° (d.h. bei P1 = (r, 0)), 90° (d.h. bei P2 = (0, r)), 180° (d.h. bei P3 = (–r, 0)) und 270° (d.h. bei P4 = (0, –r)), sind Magnetfeldsensorelemente vorgesehen, die auf Magnetfeldkomponenten in x- und y-Richtung empfindlich jedoch unempfindlich in z-Richtung sind (HX-Sensorelemente und HY-Sensorelemente).
  • In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Sensorelemente 114a, 114b, 116a, 116b, 118a, 118b, 120a, 120b empfindlich auf Magnetfeldkomponenten in y-Richtung und werden folglich als HY-Sensorelemente bezeichnet. Gleichermaßen sind die Sensorelemente 115a, 115b, 117a, 117b, 119a, 119b, 121a, 121b empfindlich auf Magnetfeldkomponenten in x-Richtung und werden folglich als HX-Sensorelemente bezeichnet. Theoretisch sollten die Magnetfeldsensorelemente (z.B. die Sensorelemente 114a, 114b, 115a und 115b in 12) auf exakt demselben Punkt auf dem Kreis mit Radius r (an den Positionen P1, P2, P3, P4) bereitgestellt werden, was schwer zu implementieren ist, weil dazu die Magnetfeldelemente gestapelt werden müssten. Das Beispiel aus 12 zeigt eine Implementierung, gemäß der zwei HX-Sensorelemente und zwei HY-Sensorelemente symmetrisch zu und nahe bei den Winkelpositionen P1, P2, P3 und P4 auf dem Kreis mit Radius r angeordnet sind. In 12 sind Paare von HY-Sensorelementen 114a, 114b, 116a, 116b, 118a, 118b, und 120a, 120b an der x-Achse ausgerichtet (Sensorelemente 114a, 114b, 118a, 118b) oder haben eine Achse parallel zur x-Achse (Sensorelemente 116a, 116b, 120a, 120b), und jedes Paar ist symmetrisch zu der jeweiligen Position P1, P2, P3 und P4 angeordnet. Die Magnetfeldkomponenten HX und HY für eine bestimmte Position P1, P2, P3 und P4 kann man mittels Mittelung der Ausgangssignale der Sensorelemente eines jeden Paars erhalten. Beispielsweise werden die Ausgangssignale der HY-Sensorelemente 114a und 114b gemittelt, um eine Messung der y-Komponente HY des Magnetfelds an der Position P1 zu erhalten. Entsprechend werden die Ausgangssignale der HX-Sensorelemente 121a und 121b gemittelt, um eine Messung der x-Komponente HX des Magnetfelds an der Position P4 zu erhalten. Im Wesentlichen können die Sensorelemente 114a und 114b als ein einziges (jedoch verteiltes) HY-Sensorelement an der Position P1 betrachtet werden. Entsprechend können die Sensorelemente 117a und 117b als ein einziges HX-Sensorelement an der Position P2 betrachtet werden, etc. Gemäß einer anderen Implementierung sind die Sensorelemente nicht in Paare „aufgeteilt“, sondern die HX- und HY-Sensorelemente werden so nahe an den gewünschten Positionen P1, P2, P3 und P4 bereitgestellt, dass die Abweichung zwischen der tatsächlichen Sensorposition und der Sollposition (P1, P2, P3 und P4) vernachlässigbar ist. Das Beispiel aus 13 ist im Wesentlichen das gleiche wie das Beispiel aus 12. Jedoch sind in 13 die Positionen P1‘, P2‘, P3‘ und P4‘, an denen die Magnetfeldsensorkomponenten HX und HY gemessen werden, im Vergleich zu den in 12 gezeigten Positionen P1, P2, P3 und P4 um 45° verschoben. Im Allgemeinen ist der Abstand zwischen verschiedenen Messpositionen auf der Sensorebene zumindest so groß wie (oder zumindest doppelt so groß wie) die größte Abmessung eines einzelnen Magnetfeldsensorelementes.
  • In dem Beispiel aus 14 ist auf dem Kreis mit Radius r ein Magnetfeldsensorelement an jeder der folgenden Winkelpositionen auf dem Kreis vorgesehen: 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°. Ein HY-Sensorelement wird auf dem Kreis bei einem Winkel von 0°, 135°, 180° und 315° bereitgestellt (HY-Sensorelemente 114b‘, 116a‘, 114a‘ 116b‘). Ein HX-Sensorelement wird auf dem Kreis bei einem Winkel von 45°, 90°, 225° und 270° bereitgestellt (HX-Sensorelemente 117b‘, 115a‘, 117a‘, 115a‘). Da lediglich ein Magnetfeldsensorelement an jeder Position vorgesehen ist, können die Magnetfeldsensorelemente exakt auf den gewünschten Positionen platziert werden. Für alle drei in den 12 bis 14 gezeigten Ausführungsbeispiele besteht in wichtiger Aspekt darin, dass nur HX- und HY-Sensorelemente verwendet werden, die eine Empfindlichkeit in einer Richtung rechtwinklig zur Rotationsachse (z-Richtung) haben, jedoch von Magnetfeldkomponenten in z-Richtung nicht beeinflusst werden. Des Weiteren sind die einzelnen Magnetfeldsensorkomponenten derart ausgerichtet, dass sie Magnetfeldkomponenten in x-Richtung und y-Richtung messen und nicht in einer beliebigen radialen Richtung (z.B. entlang der 45°-Line durch Punkte P1‘ und P3‘ in 13). In der Praxis kann es schwierig sein, ein Sensorelement exakt in einer beliebigen radialen Richtung auszurichten, wohingegen es einfacher ist, sie in x- und y-Richtung auszurichten, weil die x- und y-Richtungen parallel zu den Kanten des Chips sind und das das übliche Raster ist, gemäß dem elektronische Bauelemente in üblichen Mikroelektroniktechnologien ausgerichtet werden. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die Ausgangssignale der diametral angeordneten Magnetfeldsensorelementpaare 114a’, 114b’, 115a’ 115b’, 116a’, 116b’, und 117a’, 117b’ nicht gemittelt werden, wohingegen in den Beispielen aus den 12 und 13 die Ausgangssignale korrespondierender Magnetfeldsensorelementpaare 114a, 114b, 115a, 115b, etc., gemittelt werden, um ein gemitteltes Ausgangssignal zu erhalten.
  • Es sollte des Weiteren klar sein, dass andere Ausrichtungen der Sensorelemente wie eine radiale oder azimutale Orientierung auch möglich sind, weil man mittels einer einfachen Transformation von Koordinatensystemen ein Feld in einer ersten Richtung als Kombination von Feldkomponenten in zumindest zwei nicht-parallele andere Richtungen ausdrücken kann. Es ist auch nicht nötig, alle Sensorelemente auf einem Kreis mit Mittelpunkt auf der Rotationsachse zu platzieren wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigt (der Mittelpunkt kann als Projektion der Rotationsachse auf die Sensorebene definiert werden). Im Prinzip können die Sensorelemente auf einem regelmäßigen oder sogar unregelmäßigen Raster in der xy-Ebene platziert werden, um die Feldkomponenten HX(x, y) oder HY(x, y) oder HR(x, y) (d.h. radiale Komponente) oder HPSI(x, y) (d.h. azimutale Komponente) abzutasten (sample) und die Funktionen HX(x, y) oder HY(x, y) oder HR(x, y) oder HPSI(x, y) durch Interpolation oder Approximation wie der Methode der kleinste Fehlerquadrate oder ähnliche mathematische Methoden zu rekonstruieren.
  • Die folgende Beschreibung behandelt einen Algorithmus, der dazu verwendet werden kann, eine Winkelposition der Welle aus den Ausgangssignalen der Magnetfeldsensorelemente abzuleiten, die gemäß den in 12 bis 14 gezeigten Layouts angeordnet sind. Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, die Winkelposition zu bestimmen, und lediglich einige wenige Beispiele (für zweifache Symmetrie, d.h. N = 2) werden als eine umfangreiche Klasse von Algorithmen diskutiert. Im Allgemeinen können die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele eine Schaltungsanordnung beinhalten, die mit den (zumindest vier) in dem Sensorchip 110 integrierten Magnetfeldsensorelementen gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, eine Winkelposition der Welle durch Kombinieren der Ausgangssignale der Magnetfeldsensorelemente zu berechnen. Ein gemeinsamer Aspekt dieser Ansätze besteht darin, dass zwei oder mehr Ausgangssignale der Magnetfeldsensorelemente so kombiniert werden, dass man zwei Signale erhält, welche (1) eine definierte Amplitudenbeziehung haben (z.B. gleiche Amplitude), (2) einen definierten Phasenversatz aufweisen (z.B. 90°) und (3) unempfindlich gegen homogene magnetische Störfelder sind. Die letzte Eigenschaft kann man erreichen, indem man eine differentielle Messung verwendet. Das heißt, die Ausgangssignale eines HX-Sensorelementpaars (oder eines HY-Sensorelementpaars) werden subtrahiert, um ein differentielles Signal zu erhalten, in dem jene Signalkomponenten, die von einem homogenen Störfeld kommen, sich gegenseitig aufheben. In dem Beispiel aus 14 können differentielle Signale von einem Sensorelementpaar erhalten werden, die voneinander beabstandet an zwei diametral gegenüberliegenden Positionenauf dem Kreis mit Radius r liegen (d.h. 114a‘ und 114b‘, 115a‘ und 115b‘, 116a‘ und 116b‘, etc.). Statt einer Subtraktion kann eine gewichtete Summe der Ausgangssignale verschiedener Magnetfeldsensorelemente verwendet werden (wobei negative Gewichtsfaktoren möglich sind). Wie erwähnt müssen die Magnetfeldsensorelemente nicht notwendigerweise auf einem Kreis angeordnet sein. Im Allgemeinen werden Magnetfeldkomponenten in der ersten Richtung (z.B. x-Richtung) an zumindest einer ersten und einer zweiten Position in der Sensorebene gemessen (z.B. Positionen P1 und P3 in dem Beispiel aus 12). Des Weiteren werden Magnetfeldkomponenten in der zweiten Richtung (z.B. y-Richtung) an zumindest einer dritten und vierten zweiten Position in der Sensorebene gemessen (z.B. Positionen P2 und P4 in dem Beispiel aus 12). Die gesuchte Winkelposition der Welle in Bezug auf deren Rotationsachse kann dann basierend auf der Differenz der Magnetfeldkomponenten an der ersten und der zweiten Position und auf der Differenz der Magnetfeldkomponenten an der dritten und der vierten Position berechnet werden. Die erwähnten Differenzen werden dazu verwendet, die oben erwähnte differentielle Messung zu implementieren. Das Winkelpositionssensorsystem kann daher als eine Art Gradiometer betrachtet werden.
  • Bezugnehmend auf 12 erhält man ein Signal SCOS, das proportional zum Cosinus der doppelten Winkelposition φ (SCOS ~ cos(2φ)) ist, indem man (HX(0°) – HX(180°)) – (HY(90°) – HY(270°)) berechnet. Ein Signal SSIN, das proportional zum Sinus der doppelten Winkelposition φ(SSIN ~ sin(2φ)) ist, erhält man, indem man (HY(0°) – HY(180°)) berechnet. Ein weiteres Signal SSIN‘, das proportional zum Sinus der doppelten Winkelposition ist, erhält man, indem man (HX(90°) – HX(270°)) berechnet. Das Cosinus-Signal SCOS und ein beliebiges der beiden Sinus-Signale SSIN, SSIN‘ können verwendet werden, um die Tangensfunktion tan(2φ) (Verhältnis SSIN/SCOS oder SSIN‘/SCOS) der Winkelposition 2φ zu berechnen, aus der die gesuchte Winkelposition berechnet werden kann, als Arkustangens von z.B. SSIN/SCOS. Beispielsweise kann der CORDIC-Algorithmus verwendet werden, um die Arkustangensfunktion zu implementieren. Bei Verwendung des Layouts aus 12 erhält man die Magnetfeldkomponente HY(0°) durch Mittelung der Ausgangssignale der Magnetfeldsensorelemente 114 und 114b. Das gleiche wird gemacht für die HX-Komponente und andere Positionen der Magnetfeldsensorelemente. Der Faktor 2 in den Ausdrücken cos(2φ), sin(2φ) und tan(2φ) treten als Folge der erwähnten zweifachen Symmetrie des Aufbaus auf, und die Winkelposition kann nur in einem Bereich von 0° bis 180° eindeutig bestimmt werden, was ausreichend ist, wenn der On-Axis-Winkelpositionssensor zur Steuerung bestimmter Typen von BLDC-Motoren verwendet wird.
  • Bei Verwendung des Layouts gemäß dem Beispiel aus 13 können das Signal S1 und S2 gemäß S1 = (HX(45°) – HX(225°)) + (HY(315°) – HY(135°)) und S2 = (HX(135°) – HX(315°)) + (HY(45°) – HY(225°)) berechnet werden, wobei die Summe aus S1 und S2 gleich A·sin(2φ) und die Differenz S1 – S2 gleich A·cos(2φ) ist. Ähnlich wie im vorherigen Beispiel kann die Winkelposition φ hergeleitet werden als 1/2·arctan((S1 + S2)/(S1 – S2)).
  • Bei Verwendung des Layouts gemäß dem Beispiel aus 14 können ein Sinussignal SSIN und ein Cosinussignal SCOS gemäß SSIN = (HX(270°) – HX(90°)) – (HY(0°) – HY(180°)) und SCOS = √2·SC – SSIN, wobei SC = (HX(225°) – HX(45°)) – (HY(315°) – HY(135°)). Wie erwähnt betreffen die oben diskutierten Beispiele eine zweifache Symmetrie des Wellenendstücks. Es sei darauf hingewiesen, dass ähnliche Ausdrücke für Signale gefunden werden können, die für Messaufbauten mit einer Symmetrie erster Ordnung oder dritter oder höherer Ordnung geeignet sind. In den obigen Gleichungen werden die Positionen P1, P1’, P2, P2’, P3, P3’, P4, und P4’ durch korrespondierende Winkel repräsentiert (0° bezeichnet P1, 45° bezeichnet P1’, 90° bezeichnet P2, 135° bezeichnet P2’, 180° bezeichnet P3, 225° bezeichnet P3’, 270° bezeichnet P4 und 315° bezeichnet P4’). Zusammen mit dem Radius r definieren die Winkel eindeutig die zugehörigen Messpunkte P1, P1’, P2, P2’, P3, P3’, P4, und P4’.
  • Wie oben erwähnt kann eine zweifache Symmetrie des Wellenendstücks in zumindest machen Anwendungen ausreichend sein, in denen die Rotationsbewegung von BLDC-Motoren gesteuert werden soll. 15 und 16 illustrieren zwei verschiedene Beispiele, wie ein On-Axis Winkelpositionssensor in einem bürstenlosen DC-(BLDC-)Motoranordnung angeordnet werden kann. 15 ist eine Schnittansicht eines Teils eines BLDC-Motors, wobei die Schnittebene durch die Rotationsachse der Welle 104 verläuft. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass 15 nicht maßstabsgetreu ist und als schematische Skizze zu betrachten ist. Auch in 15 gezeigt sind die Permanentmagneten (PM) 217 und 218, welche direkt oder indirekt an der Welle 104 entlang deren Umfang befestigt sind. Die Welle 104 kann an zumindest zwei Lagern gelagert sein, wobei Lager 214 im dargestellten Beispiel ein Kugellager ist. Jedoch können abhängig von der tatsächlichen Implementierung auch andere Typen von Lagern ebenso verwendet werden. Die Welle 104 und die an der Welle befestigten PMs bilden den Rotor (Anker) des Motors. Der Stator 201 des Motors weist Spulen 211 und 212 auf, welche mit Strom versorgt werden, um die Drehbewegung des Motors zu steuern.
  • Wie in den oben beschriebenen Beispielen hat das Wellenendstück eine Ausnehmung P ähnlich zu dein in 3 und 4 gezeigten Beispielen, wobei ein Permanentmagnet 102‘ an der Welle 104 befestigt ist ähnlich wie in dem oben unter Bezugnahme auf 6 diskutierten Beispiel. Zur Realisierung eines kompakten Designs sind die Magnetfeldsensoren (in 15 durch den Sensorchip 106 repräsentiert), die zum Aufbau eines On-Axis-Winkelpositionssensors verwendet werden, auf dem PCB 108 zusammen mit der Leistungselektronik angeordnet, die zur Erzeugung des den Statorspulen 211, 212 zugeführten Betriebsstroms verwendet wird.
  • Wie man in 15 sehen kann, ist das PCB direkt der Stirnseite der Welle 104 zugewandt (d.h. dem Wellenendstück), und die Magnetfeldsensorelemente sind in dem vorliegenden Beispiel auf dem PCB 108 symmetrisch zur Rotationsachse wie in den 12 bis 14 angeordnet. Die elektrischen Kontakte C (Lötkontakte, Pins) der Statorspulen 211, 212 stehen vom Stator zum PCB 108 hin hervor, was eine direkte elektrische Verbindung zwischen den Spulen 211, 212 und dem PCB 108 ermöglicht. Das PCB 108 kann an einer inneren Oberfläche eines Motorgehäuses H, die dem Stator 210 des Motors zugewandt ist, gelagert sein.
  • Das Beispiel aus 16 entspricht im Wesentlichen dem vorherigen Beispiel aus 15, abgesehen davon dass der am Wellenendstück befestigte Permanentmagnet 102‘ weggelassen wurde und stattdessen, ähnlich dem in 3 gezeigten Beispiel, ein Permanentmagnet 102 an der Rückseite des PCBs 108 angeordnet ist. Es versteht sich, dass eine beliebige andere Winkelpositionssensoranordnung in einem BLDC-Motoranordnung wie in 15 und 16 gezeigt verwendet werden kann.
  • Das PCB 108 trägt den Sensorchip 106 sowie auch die Leistungsbauelemente 215, 216, welche den (gesteuerten) Laststrom bereitstellen, der den Statorspulen 211, 212 zugeführt wird. Der Abstand zwischen den Magnetfeldsensorelementen (in Sensorchip 106) und den Leistungsbauelementen 215, 216, oder zwischen den Magnetfeldsensorelementen und den Laststromleitungen auf dem PCB 108 ist oft vergleichsweise klein (z.B. weniger als 10 mm oder 20 mm), sodass das Magnetfeld, das von den Stromleitungen oder den Leistungsbauelementen erzeugt wird, an den Positionen der Magnetfeldsensorelemente stark inhomogen ist. Daher ist ein gewöhnlicher Gradiometer nicht ausreichend, um die Auswirkung der magnetischen Störfelder, die von den Laststromleitungen und den Leistungsbauelementen verursacht werden, zu eliminieren. Jedoch befinden sich die Laststromleitungen und die Leistungsbauelemente (zumindest näherungsweise) an der gleichen z-Position (d.h. der gleichen axialen Position) wie die Magnetfeldsensorelemente (und folglich schneiden die Magnetfeldlinien die Sensorelemente wie in 2 gezeigt beinah vertikal). Die Winkelpositionsmessung wird sehr robust gegen diese Störungen, falls die Magnetfeldsensorelemente nicht auf diese Magnetfeldkomponenten in z-Richtung reagieren. Daher beinhalten die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele Gradiometer-Aufbauten, welche empfindlich auf Magnetfeldkomponenten in x- oder y-Richtung sind.
  • Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen beschrieben und dargestellt wurde, können an den dargestellten Beispielen Änderungen und/oder Modifizierungen vorgenommen werden, ohne den Geist und den Umfang der beigefügten Ansprüche zu verlassen. Insbesondere bezüglich der verschiedenen Funktionen, die von den oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Einheiten, Baugruppen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systemen, usw.) ausgeführt werden, sollen die Bezeichnungen (einschließlich des Bezugs auf ein „Mittel“), die verwendet werden, um solche Komponente zu beschreiben, auch jeder anderen Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (d.h. die funktional gleichwertig ist), auch wenn sie der offenbarten Struktur, die in den hier dargestellten beispielhaften Implementierungen der Erfindung die Funktion ausführt, nicht strukturell gleichwertig ist.
  • Des Weiteren, obwohl ein bestimmtes Merkmal der Erfindung nur in Bezug auf eine von mehreren Implementierungen offenbart wurde, können solche Eigenschaften mit einer oder mehreren Eigenschaften der anderen Implementierungen kombiniert werden, falls wünschenswert oder vorteilhaft für eine beliebige oder bestimmte Anwendung. Des Weiteren, insoweit Bezeichnungen wie „einschließlich“, einschließen“, „aufweisend“, „hat“, „mit“ oder Variationen derselben entweder in der detaillierten Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet werden, sollen solche Bezeichnungen einschließend verstanden werden, ähnlich der Bezeichnung „umfassen“.

Claims (20)

  1. Ein magnetisches Winkelpositionssensorsystem umfassend: eine um eine Rotationsachse rotierbare Welle, die Welle hat ein weichmagnetisches Wellenendstück; einen Sensorchip, der von dem Wellenendstück in axialer Richtung beabstandet ist und eine Sensorebene definiert, welche im Wesentlichen rechtwinklig zur Rotationsachse liegt; zumindest vier in dem Sensorchip integrierte Magnetfeldsensorelemente, wobei zwei der Magnetfeldsensorelemente voneinander beabstandet sind und lediglich auf Magnetfeldkomponenten in einer ersten Richtung empfindlich sind, und wobei zwei der Magnetfeldsensorelemente voneinander beabstandet sind und lediglich auf Magnetfeldkomponenten in einer zweiten Richtung empfindlich sind; die erste und die zweite Richtung sind wechselseitig nicht-parallel und die erste und die zweite Richtung sind rechtwinklig zur Rotationsachse; eine Magnetfeldquelle, welche das Wellenendstück magnetisiert, wobei das Wellenendstück derart geformt ist, dass ein Magnetfeld in der Sensorebene, welches von der Magnetfeldquelle verursacht wird, mit N-ter Ordnung symmetrisch ist, wobei N eine endliche Ganzzahl ≥ 1 ist; und eine mit den zumindest vier Magnetfeldsensorelementen gekoppelte Schaltungsanordnung, die dazu ausgebildet ist, eine Winkelposition der Welle zu berechnen, indem Ausgangssignale der zumindest vier Magnetfeldsensorelemente kombiniert werden.
  2. Das magnetische Winkelpositionssensorsystem gemäß Anspruch 1, wobei die zumindest vier Magnetfeldsensorelemente in der Sensorebene um einen Mittelpunkt herum angeordnet sind, der durch eine Projektion der Rotationsachse auf die Sensorebene definiert ist.
  3. Das magnetische Winkelpositionssensorsystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Magnetfeldquelle zumindest einen Permanentmagneten umfasst.
  4. Das magnetische Winkelpositionssensorsystem gemäß Anspruch 3, wobei der Sensorchip in einem Chipgehäuse angeordnet ist, der an einer Leiterplatte befestigt ist, und wobei der zumindest eine Permanentmagnet am Chipgehäuse oder an der Leiterplatte oder am Wellenendstück befestigt ist.
  5. Das magnetische Winkelpositionssensorsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Magnetfeldquelle einen ersten Permanentmagneten und zumindest einen zweiten Permanentmagneten umfasst; wobei der Sensorchip in einem Chipgehäuse angeordnet ist, der an einer Leiterplatte befestigt ist, und wobei der erste Permanentmagnet am Chipgehäuse oder an der Leiterplatte oder am Wellenendstück befestigt ist.
  6. Das magnetische Winkelpositionssensorsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Wellenendstück zumindest eine in deren Stirnfläche angeordnete Nut oder zumindest einen an der Stirnfläche angeordneten Vorsprung aufweist, wobei die Nut oder der Vorsprung so geformt sind, dass das Wellenendstück eine Rotationssymmetrie N-ter Ordnung aufweist, wobei N eine endliche Ganzzahl ist.
  7. Das magnetische Winkelpositionssensorsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Wellenendstück eine Feder aufweist, die synchron mit der Welle rotiert, wobei die Feder im Wesentlichen in einer axialen Richtung der Rotationsachse nachgiebig ist.
  8. Das magnetische Winkelpositionssensorsystem gemäß Anspruch 7, wobei die Feder im Wesentlichen nichtnachgiebig in Richtungen rechtwinklig zur Rotationsachse ist.
  9. Das magnetische Winkelpositionssensorsystem gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei die Feder zwischen dem Sensorchip und einer Stirnseite des Wellenendstücks angeordnet ist, und wobei die Feder auf einem Chipgehäuse des Sensorchips über einen Abstandshalter gelagert ist.
  10. Das magnetische Winkelpositionssensorsystem gemäß Anspruch 9, wobei der Abstandshalter an der Feder befestigt ist oder durch eine Ausbeulung der Feder gebildet wird, und wobei die Feder dazu ausgebildet ist, eine axiale Kraft auf das Chipgehäuse auszuüben.
  11. Das magnetische Winkelpositionssensorsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zumindest vier Sensorelemente symmetrisch entlang eines koaxial zur Rotationsachse liegenden Kreises verteilt sind.
  12. Ein magnetisches Winkelpositionssensorsystem umfassend: eine um eine Rotationsachse rotierbare Welle, die Welle hat ein weichmagnetisches Wellenendstück; einen Sensorchip, der von dem Wellenendstück in axialer Richtung beabstandet ist und eine Sensorebene definiert, welche im Wesentlichen rechtwinklig zur Rotationsachse liegt; zumindest vier in dem Sensorchip integrierte Magnetfeldsensorelemente, wobei ein erstes und ein zweites Magnetfeldsensorelement der zumindest vier Magnetfeldsensorelemente voneinander beabstandet sind und lediglich auf Magnetfeldkomponenten in einer ersten Richtung empfindlich sind, und wobei ein drittes und ein viertes Magnetfeldsensorelement der zumindest vier Magnetfeldsensorelemente voneinander beabstandet sind und lediglich auf Magnetfeldkomponenten in einer zweiten Richtung empfindlich sind, wobei die erste und die zweite Richtung wechselseitig nicht-parallel und die erste und die zweite Richtung rechtwinklig zur Rotationsachse sind; eine Magnetfeldquelle, welche das Wellenendstück magnetisiert, wobei das Wellenendstück derart geformt ist, dass ein Magnetfeld in der Sensorebene, welches von der Magnetfeldquelle verursacht wird, mit N-ter Ordnung symmetrisch ist, wobei N eine endliche Ganzzahl ≥ 1 ist; und eine mit den zumindest vier Magnetfeldsensorelementen gekoppelte Signalverarbeitungsschaltung, die dazu ausgebildet ist: ein erstes Signal zu berechnen, das die Differenz der von dem ersten und dem zweiten Magnetfeldsensorelement gemessenen Magnetfeldkomponenten repräsentiert; ein zweites Signal zu berechnen, das die Differenz der von dem dritten und dem vierten Magnetfeldsensorelement gemessenen Magnetfeldkomponenten repräsentiert; eine Winkelposition der Welle zu berechnen durch Kombinieren von zumindest dem ersten und dem zweiten Signal.
  13. Das magnetische Winkelpositionssensorsystem gemäß Anspruch 12, wobei die zumindest vier Sensorelemente symmetrisch entlang eines koaxial zur Rotationsachse liegenden Kreises verteilt sind.
  14. Das magnetische Winkelpositionssensorsystem gemäß Anspruch 13, wobei ein erster Teil der Magnetfeldsensorelemente entlang eines ersten Kreises angeordnet sind, und wobei ein zweiter Teil der Magnetfeldsensorelemente entlang eines zweiten Kreises angeordnet sind, und wobei der erste und der zweite Kreis koaxial zur Rotationsachse liegen und unterschiedliche Radien aufweisen.
  15. Das magnetische Winkelpositionssensorsystem gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das erste und das zweite Magnetfeldsensorelement diametral in Bezug auf die Rotationsachse angeordnet sind; und/oder wobei das dritte und das vierte Magnetfeldsensorelement diametral in Bezug auf die Rotationsachse angeordnet sind.
  16. Das magnetische Winkelpositionssensorsystem gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei eine erste Kante des Sensorchips in der ersten Oberfläche parallel zu der ersten Richtung angeordnet ist, und eine zweite Kante des Sensorchips in ersten Oberfläche parallel zu der zweiten Richtung angeordnet ist.
  17. Eine Elektromotoranordnung, die aufweist: einen Stator umfassend zumindest eine Statorspule; einen Rotor umfassend zumindest eine Welle mit einer Stirnseite und einem weichmagnetischen Wellenendstück; eine Leiterplatte (PCB), die derart angeordnet ist, dass sie der Stirnseite der Welle zugewandt ist, zumindest einen Sensorchip der an dem PCB befestigt und von dem Wellenendstück beabstandet ist; zumindest vier in dem Sensorchip integrierte Magnetfeldsensorelemente, wobei zwei der Magnetfeldsensorelemente voneinander beabstandet sind und lediglich auf Magnetfeldkomponenten in einer ersten Richtung empfindlich sind, und wobei zwei der Magnetfeldsensorelemente voneinander beabstandet sind und lediglich auf Magnetfeldkomponenten in einer zweiten Richtung empfindlich sind; die erste und die zweite Richtung sind wechselseitig nicht-parallel und die erste und die zweite Richtung sind rechtwinklig zur Rotationsachse; eine Magnetfeldquelle, welche das Wellenendstück magnetisiert, wobei das Wellenendstück derart geformt ist, dass die Magnetfeldkomponenten in der ersten und der zweiten Richtung mit N-ter Ordnung rotationssymmetrisch, wobei N eine endliche Ganzzahl ≥ 1 ist; und eine mit den zumindest vier Magnetfeldsensorelementen gekoppelte Auswerteschaltung, die dazu ausgebildet ist, eine Winkelposition der Welle durch Kombinieren von zumindest vier Ausgangssignale der zumindest vier Magnetfeldsensorelemente zu berechnen; eine auf dem PCB angeordnete Leistungselektronikschaltungsanordnung, die mit den Statorspulen gekoppelt und dazu ausgebildet ist, den Statorspulen Betriebsstrom zuzuführen.
  18. Ein Verfahren zum Messen der Winkelposition einer Welle, die ein weichmagnetisches Wellenendstück aufweist; das Verfahren umfasst: Magnetisieren des Wellenendstücks, wobei das Wellenendstück so geformt ist, dass in der Sensorebene, welche im Wesentlichen rechtwinklig zur Rotationsachse liegt, die Magnetfeldkomponenten in einer ersten und einer zweiten Richtung mit N-ter Ordnung rotationssymmetrisch sind, wobei N eine endliche Ganzzahl ≥ 1 ist; Messen der Magnetfeldkomponenten in der ersten Richtung an zumindest einer ersten und einer zweiten Position in der Sensorebene, die zweite Position ist von der ersten Position verschieden; Messen der Magnetfeldkomponenten in der zweiten Richtung an zumindest einer dritten und einer vierten Position in der Sensorebene, die vierte Position ist von der dritten Position verschieden; Berechnen einer Winkelposition der Welle in Bezug auf deren Rotationsachse basierend auf der Differenz der Magnetfeldkomponenten an der ersten und der zweiten Position und auf der Differenz der Magnetfeldkomponenten an der dritten und der vierten Position.
  19. Das Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Messen der Magnetfeldkomponenten aufweist: Bereitstellen eines ersten Sensorsignals unter Verwendung von zumindest einem ersten Magnetfeldsensorelement, das dazu ausgebildet ist, Magnetfeldsensorkomponenten in der ersten Richtung an der ersten Position zu messen; Bereitstellen eines zweiten Sensorsignals unter Verwendung von zumindest einem zweiten Magnetfeldsensorelement, das dazu ausgebildet ist, Magnetfeldsensorkomponenten in der ersten Richtung an der zweiten Position zu messen; Bereitstellen eines dritten Sensorsignals unter Verwendung von zumindest einem dritten Magnetfeldsensorelement, das dazu ausgebildet ist, Magnetfeldsensorkomponenten in der zweiten Richtung an der dritten Position zu messen; und Bereitstellen eines vierten Sensorsignals unter Verwendung von zumindest einem vierten Magnetfeldsensorelement, das dazu ausgebildet ist, Magnetfeldsensorkomponenten in der zweiten Richtung an der vierten Position zu messen.
  20. Das Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei das Berechnen der Winkelposition der Welle aufweist: Berechnen eines fünften Signals, das die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Sensorsignals repräsentiert; Berechnen eines sechsten Signals, das die Differenz zwischen dem dritten und dem Vierten Sensorsignals repräsentiert; und Berechnen einer Winkelposition basierend auf dem fünften und sechsten Signal.
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