Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehwinkels eines Flusselements, das entlang einer Kreisbahn um eine Drehachse drehbar ist.

Ein Rotor-Positions-Sensor für Antriebsmotoren z.B. von Elektrofahrzeugen, der auf der Modulation von Wirbelströmen und der Verwendung von Spulenpaaren basiert, ist aus "Development of Eddy-Current Rotor Position Sensor, Markus Simon, Busi ness Unit 8, SUMIDA Components & Modules GmbH, Presented at EVTeCand APE Japan on May 23, 2014, JSAE Paper No. 20144103" ("140523_EVTeC_speech.pdf", Download von "https://www.sumida.com/news/index.php7catego- ryld=3&newsld=116" am 19.06.2019) bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verbesserungen in Bezug auf eine Dreh winkelerfassung vorzuschlagen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoranordnung gemäß Patentanspruch 1. Be vorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfin dungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Be schreibung sowie den beigefügten Figuren.

Die Sensoranordnung dient zur Erfassung eines Drehwinkels eines Flusselements. Das Flusselement ist entlang einer Kreisbahn um eine Drehachse drehbar. Die Sen soranordnung enthält mindestens eine, insbesondere genau eine, in einer bevorzug ten Ausführungsform mindestens zwei, mit dem Flusselement wechselwirkende Spu lengruppein). Jede der Spulengruppen enthält mindestens zwei Spulen. Die Wech selwirkung umfasst eine Relativdrehung zwischen Spulen und Flusselement um ver schiedene Drehwinkel. Je nach Drehwinkel erzeugt ein von der Spule erzeugtes Magnetfeld im Flusselement verschieden starke Wirbelströme, sodass sich jeweils veränderte Induktivitäten der Spule ergeben. Diese Induktivitäten können gemessen werden und somit auf die Relativlage zwischen Spule und Flusselement und somit auf den Drehwinkel geschlossen werden. Die Spulen sind insbesondere Flachspulen, das Flusselement ist insbesondere plattenförmig, zum Beispiel eine Kupferplatte bzw. ein Kupferaktivator. Insbesondere sind Spulen und Flusselement unter Zwi schenschaltung eines insbesondere schmalen Luftspalts flächig parallel zueinander angeordnet bzw. zueinander verdrehbar.

Die Spulengruppen erstrecken sich in einer die Drehachse konzentrisch umgeben den Fläche. Die Orientierung der Fläche zur Drehachse kann hierbei unterschiedlich gewählt sein, siehe unten. Die Fläche verläuft parallel zur Kreisbahn und entlang der Kreisbahn. Eine jeweilige Spulengruppe ist entlang der Kreisbahn auf einen jeweili gen Spulenwinkel, d.h. einen Teil des Kreisumfangs, begrenzt. Die Spulengruppe ist also auf einen bestimmten Winkelabschnitt in Umfangsrichtung der Drehachse be grenzt, z.B. maximal oder genau auf 180° (für eine Spulengruppe) oder maximal oder genau auf einen Quadranten von 90° (für mindestens zwei Spulengruppen).

Die Spulenwinkel aller Spulengruppen addieren sich zu einem Gesamtwinkel von we niger als 360°. Nicht der gesamte Umfang um die Drehachse ist also von Spulen gruppen besetzt. Entlang der Kreisbahn ist daher mindestens ein Leerbereich (in der Ausführungsform von mindestens zwei Spulengruppen: zwischen je zwei Spulen gruppen) vorhanden, in dem keine Spulengruppe bzw. Spule vorhanden ist. Der je weilige Leerbereich erstreckt sich dabei über einen jeweiligen Leerwinkel. Die Summe aller Leerwinkel und des Gesamtwinkels ergibt den gesamten Kreisumfang von 360° um die Drehachse.

Die Sensoranordnung enthält außerdem das Flusselement, das sich parallel unter Zwischenlage eines Abstandsspalts zur Fläche und damit zu den Spulen erstreckt, um je nach Drehwinkel unterschiedlich stark auf die Induktivitäten der Spulen einzu wirken. Das Flusselement weist entlang der Kreisbahn eine Winkelausdehnung auf, die größer als der größte Spulenwinkel ist.

Die Sensoranordnung enthält eine Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, für jede der Spulen deren aktuelle (also je nach Relativlage zwischen Flusselement und Spule bzw. Drehwinkel sich einstellende) Induktivität zu ermitteln und einen aktuellen Drehwinkel des Flusselements auf der Basis wenigstens zweier, insbesondere aller, ermittelter Induktivitäten zu ermitteln. Sämtliche Winkel sind jeweils als Winkel bezüglich der Drehachse, d.h. in Umfangs richtung der Drehachse, also entlang der Kreisbahn zu betrachten.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass induktive Rotor-Winkelmeßsenso- ren (inductive rotor angular-position measurement sensor, IRPS) eine große Leiter plattenfläche benötigen, wenn trapezoide Planarspulen mit Rotationsform auf einer gesamten ringförmigen Leiterplatte gedruckt werden müssen. Außerdem erzeugen derartige große trapezoide Spulen die Veränderung in den Induktivitäts-Signalen (welche komplexe Funktionen der Drehwinkel-Position des Kupferaktivators oder Targets sind). Daher sind die erzeugten Funktionen der Induktivitäten gegenüber dem Drehwinkel nicht leicht mit einer kostengünstigen Signalformungs-Hardware und Mikrocontroller / Signalprozessor zu verarbeiten. Kurz zusammengefasst, komplexe Signalverarbeitungsalgorithmen müssen entwickelt werden und deren Implementie rung erfordert kostenintensive Mikrocontroller / Signalprozessoren (DSP, digital Sig nal processor).

Gemäß der Erfindung ergibt sich damit eine Reduktion der Kosten für Leiterplatten bzw. Spulen und eine einfachere Ermittlung des Drehwinkels durch eine einfachere Auswertung des Sensorsignals bzw. der ermittelten Induktivitäten.

Die Erfindung kann sowohl für Radial- als auch für Axialversionen von Sensoranord nungen bzw. Sensoren umgesetzt werden, siehe unten. Die Erfindung kann insbe sondere zur Erfassung der Rotorposition einer elektrischen Maschine bzw. eines elektrischen Motors, und insbesondere in Projekten der E -Mobilität, eingesetzt wer den.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind - wie oben erläutert - mindestens zwei Spulengruppen vorhanden, und entlang der Kreisbahn ist mindestens ein Leerbe reich zwischen je zwei Spulengruppen vorhanden. So ergeben sich verteilte Spulen strukturen, die insbesondere punkt- / rotationssymmetrisch ausgeführt werden kön nen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind entlang der Kreisbahn gleich viele Spu lengruppen und Leerbereiche abwechselnd angeordnet. Hierdurch wird ein einfacher und ab zwei Spulengruppen ein besonders symmetrischer und einfacher Aufbau er möglicht, bei dem sich in Umfangsrichtung um die Drehachse stets Spulengruppen mit Leerbereichen abwechseln. Auch ergeben sich so Vorteile in Bezug auf ein Flus selement, welches über die Spulengruppen hinausragt, siehe unten.

In einer bevorzugten Variante der Ausführungsform mit mindestens zwei Spulengrup pen sind mindestens zwei der Spulenwinkel gleich groß und/oder mindestens zwei der Leerwinkel sind gleich groß. Insbesondere sind alle Spulenwinkel gleich groß und/oder alle Leerwinkel gleich groß. Alternativ oder zusätzlich sind mindestens ein, insbesondere alle, Spulenwinkel und ein, insbesondere alle, Leerwinkel gleich groß. Dies führt zu besonders einfachen Anordnungen.

In einer bevorzugten Variante der Ausführungsform mit mindestens zwei Spulengrup pen sind genau zwei Spulengruppen und genau zwei Leerbereiche vorhanden. Ins gesamt sind somit minimal vier, insbesondere genau vier, Spulen vorhanden. Somit ergibt sich eine besonders einfache Ausführungsform. Insbesondere kann so eine Zwei-Quadranten-Anordnung erfolgen, siehe unten.

In einer bevorzugten Ausführungsform - insbesondere der Variante mit genau einer Spulengruppe - beträgt der Gesamtwinkel 180° und/oder die Winkelausdehnung be trägt 360° und/oder mindestens einer der Spulenwinkel beträgt 180° und/oder min destens einer der Leerwinkel beträgt 180°. Für einen Gesamtwinkel von 180° ergibt sich nur die Hälfte des Umfangs um die Drehachse als Flächenbedarf für Spulen bzw. Leiterplatten, auf welchen Spulen angeordnet sind. Eine Winkelausdehnung von 360° für das Flusselement eignet sich besonders in einer 180°-Anordnung genau einer Spulengruppe.

In einer bevorzugten Variante der Ausführungsform mit mindestens zwei Spulengrup pen beträgt der Gesamtwinkel 180° und/oder die Winkelausdehnung beträgt 180° und/oder mindestens einer der Spulenwinkel beträgt 90° und/oder mindestens einer der Leerwinkel beträgt 90°. Für einen Gesamtwinkel von 180° ergibt sich nur die Hälfte des Umfangs um die Drehachse als Flächenbedarf für Spulen bzw. Leiterplat ten, auf welchen Spulen angeordnet sind. Eine Winkelausdehnung von 180° für das Flusselement eignet sich besonders in einer Zwei-Quadranten-Anordnung, siehe un ten. Auch entsprechende 90°-Winkel eignen sich für diese Zwei-Quadranten-Anord- nung, siehe unten.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Flusselement entlang der Kreisbahn zusammenhängend ausgeführt. Somit ergibt sich ein besonders einfaches Flussele ment. Alternativ ist das Flusselement in mindestens zwei Abschnitte aufgeteilt. Hier ergeben sich wieder die Alternativen, dass mindestens zwei der Abschnitte aneinan der anschließen und/oder voneinander beabstandet sind. Das Flusselement kann also verschiedene Abschnitte bzw. Teile aufweisen, die nicht alle Zusammenhängen müssen; eine oder mehrere Lücken können zwischen benachbarten Abschnitten vor handen sein. Vorteile für entsprechend ausgestaltete Flusselemente ergeben sich je nach konkreter Anordnung und Aufteilung der Spulengruppen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Winkelausdehnung mindestens so groß wie die größte Summe eines Spulenwinkels und eines angrenzenden Leerwinkels bei der jeweils gegebenen Aufteilung für eine bestimmte Sensoranordnung. Damit wird für alle Drehwinkel sichergestellt, dass das Flusselement stets vollständig jedes Paar aus benachbarter Spulengruppe und Leerwinkel überdecken kann. Dies führt zu einer besonders leichten Auswertbarkeit des Drehwinkels aus den Induktivitäten.

In einer bevorzugten Variante der Ausführungsform mit mindestens zwei Spulengrup pen ist mindestens ein Spulentyp für gleiche Spulen vorhanden und mindestens zwei Spulengruppen enthalten je eine der gleichen Spulen. Diese Spulen sind dann rotati onssymmetrisch zur Drehachse angeordnet. Hierunter ist zu verstehen, dass diese durch Verdrehung um den Differenzwinkel der Spulengruppen auseinander hervor gehen bzw. deckungsgleich sind. Innerhalb des Spulentyps findet also eine Rotati onsspiegelung bzw. -drehung der Spulen statt, insbesondere um einen Winkel von 360° geteilt durch die Anzahl der Spulengruppen. Insbesondere sind vier Spulen in zwei Spulentypen in zwei Spulengruppen zu je zwei Spulen vorgesehen. Durch ent sprechend gleiche Spulen kann eine besonders einfache und homogene Auswertung der Induktivitäten erfolgen.

In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist mindestens einem Spulen typ ein jeweiliger Abschnitt des Flusselements zugeordnet. Insbesondere sind genau zwei verschiedene Spulentypen vorgesehen, und damit genau zwei Abschnitte, also je einer pro Spulentyp. Dies führt zu einer weiteren Homogenisierung der Auswer tung der Induktivitäten.

In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist mindestens einer der Ab schnitte deckungsgleich zum zugeordneten Spulentyp. Insbesondere deckt dabei für einen bestimmten Drehwinkel der Abschnitt exakt eine jeweilige Spule des Spulen typs ab, bildet also quer zu deren Erstreckungsrichtung ein paralleles Abbild der ent sprechenden Spule. Somit werden bei maximaler Wirkung auf die Induktivitäten der Spule die Abmessungen bzw. die Querausdehnung des Abschnitts parallel zur Spule so klein wie möglich gehalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform liegen in mindestens einer der Spulengruppen mindestens zwei der Spulen in der Fläche senkrecht zur Kreisbahn nebeneinander. Dies gilt insbesondere in Radialrichtung oder Axialrichtung der Drehachse. Insbeson dere gilt dies für alle Spulengruppen und alle Spulen. So können insbesondere auch im Flusselement verschiedene Abschnitte, die entsprechenden Spulen bzw. Spulen typen zugeordnet sind, besonders günstig angeordnet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eine der Spulen eine sich entlang der Kreisbahn verjüngende Form auf. Die Verjüngung bezieht sich auf einen bestimmten Drehsinn bezüglich der Drehachse, in der Gegenrichtung ist die Spule dann erweiternd ausgeführt. Insbesondere sind Verjüngung bzw. Erweiterung für un terschiedliche Spulen einer Spulengruppe gegenläufig ausgeführt, insbesondere bei zwei Spulen. Somit können besonders günstige Induktivitäts-Verläufe über dem Drehwinkel des Flusselements erzeugt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eine der Spulengruppen die Form eines Kreisringsegments oder eines Umfangsabschnitts eines Kreiszylinder mantels auf. Somit ergeben sich geometrisch besonders einfache Ausführungsfor men für die Spulengruppen. Damit sind auch besonders einfache geometrische For men für das Flusselement möglich. Insbesondere kann diese Ausführungsform mit der Anordnung der Spulen "nebeneinander" kombiniert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Fläche die Form einer Scheibe quer zur Drehachse auf. So kann eine Axialanordnung geschaffen werden. Alternativ weist die Fläche die Form eines Mantels eines geraden Kreiszylinders bezüglich der Drehachse auf. So kann eine radiale Anordnung geschaffen werden. Alternativ weist die Fläche die Form eines Mantels eines geraden Kreiskegelstumpfes bezüglich der Drehachse auf. Dies ergibt eine kegelförmige "Mischform" der Anordnung zwischen Kreisscheiben- und Zylinder-Form. Somit kann für viele geometrische Anforderungen eine stets passende Geometrie der Sensoranordnung gewählt werden.

Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen, Beobachtungen bzw. Überlegun gen und weist noch die nachfolgenden Ausführungsformen auf. Die Ausführungsfor men werden dabei teils vereinfachend auch "die Erfindung" genannt. Die Ausfüh rungsformen können hierbei auch Teile oder Kombinationen der oben genannten Ausführungsformen enthalten oder diesen entsprechen und/oder gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen einschließen.

Gemäß der Erfindung sind insbesondere planare trapezoide Spulen (in Rotations form) in einem (bezogen auf den Umfang um die Drehachse) ersten Halbkreisumfang (für eine einzige Spulengruppe) oder einem ersten und dritten Quadranten (für min destens zwei oder genau zwei Spulengruppen) einer Kreisscheibe (Leiterplatte, PCB, printed Circuit board) implementiert. Daher wird die Hälfte der Leiterplattenfläche im Vergleich zu einem Sensor benötigt, bei dem die Leiterplatte die Drehachse vollstän dig umgibt. Dies reduziert sowohl die Größe der Sensoren als auch die Leiterplatten kosten. Vorgeschlagen wird eine ganz spezielle Form des Flusselements, insbeson dere Kupfer(Cu)-Aktivator-Elements, nämlich ähnlich, insbesondere entsprechend bzw. gleich, den Spulenkonturen. Die Drehbewegung dieses Flusselements (Cu-Akti- vator-Elements) erzeugt einen einfachen "Scheren- / X-förmigen" Verlauf der Indukti vität L (nH) der Spulen über dem Drehwinkel bzw. einer Theta(°)-Drehposition. Auf grund der einfachen Natur der Induktivitätskurve kann ein Winkelpositionserfas sungsalgorithmus (Algorithmus zur Ermittlung des Drehwinkels) und dessen Imple mentierungsprozessor (Mikrocontroller) in Form einer kostengünstigen (low cost) Lö sung verwendet werden.

Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung so wie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzips kizze:

Figur 1 zwei Spulengruppen und zwei Leerbereiche einer Sensoranordnung,

Figur 2 ein Flusselement der Sensoranordnung aus Figur 1 ,

Figur 3 die zusammengebaute Sensoranordnung aus Figs. 1 ,2 bei Drehwinkeln des Flusselements von a) 0°, b) 90°, c) 180° und d) 270°.

Figur 4 den Verlauf der Induktivitäten der Spulen der Sensoranordnung aus den Figs. 1-3 über dem Drehwinkel,

Figur 5 a) Spulengruppen und Leerbereiche und b) ein Flusselement einer alternati ven Sensoranordnung,

Figur 6 Simulationsergebnisse für ein im Uhrzeigersinn rotierendes Flusselement, Figur 7 eine Zustandstabelle für eine Flusselement-Rotation im Uhrzeigersinn,

Figur 8 eine alternative Sensoranordnung mit einer einzigen Spulengruppe.

Die Figuren 1 und 2 zusammen zeigen eine zerlegte Sensoranordnung 2. Figur 1 zeigt einen ersten Teil der Sensoranordnung 2, nämlich zwei Spulengruppen 4a, b mit je zwei Spulen 6a-d sowie zwei Leerbereiche 8a, b. Jede der Spulen 6a -d weist dabei eine jeweilige Induktivität L1-L4 auf. Die Sensoranordnung weist eine Drehachse 10 auf, die in den Figuren 1-3 jeweils senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Figur 2 zeigt einen zweiten und damit restlichen Teil der Sensoranordnung 2, nämlich ein Flusselement 12, welches um die Drehachse 10 entlang einer Kreisbahn 14 dreh bar ist. Die Kreisbahn 14 verläuft in Figur 2 in der Papierebene und ist nur teilweise dargestellt. Die Sensoranordnung 2 dient zur Erfassung eines Drehwinkels D des Flusselements 12 um die Drehachse 10 relativ zu dem in Figur 1 dargestellten Teil der Sensoranordnung 2.

Das Flusselement 12 weist entlang der Kreisbahn 14 eine Winkelausdehnung W von 180° auf.

Im zusammengebauten Zustand der Sensoranordnung 2 (siehe Figur 3) befindet sich das Flusselement 12 nur durch einen hier symbolisch angedeuteten Abstandsspalt a, hier einen Luftspalt, getrennt oberhalb (d.h. in der Figur dem Betrachter zugewandt) der Anordnung aus Figur 1. Deshalb entsteht eine Wechselwirkung zwischen Flus selement 12 und Spulen 6a-d dahingehend, dass die Induktivitäten L1-4 der Spulen 6a-d je nach Drehwinkel D des Flusselements 12 variieren.

Die Spulengruppen 4a, b erstrecken sich in einer die Drehachse 10 konzentrisch um gebenden Fläche 16, die in Figur 1 der Papierebene entspricht und quer zur Dreh achse 10 verläuft. Die Fläche 16 verläuft damit parallel zur Kreisbahn 14 und auch entlang der Kreisbahn 14. Das Flusselement 12 erstreckt sich daher parallel unter Zwischenlage des Abstandsspalts a zur Fläche 16.

Entlang der Kreisbahn 14, das heißt in Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse 10 sind sowohl die Spulengruppe 4a als auch die Spulengruppe 4b jeweils auf einen Spulenwinkel S1 und S2 von 90° begrenzt. Beide Spulenwinkel S1 und S2 addieren sich damit zu einem Gesamtwinkel G von 180°.

Die beiden Leerbereiche 8a, b befinden sich jeweils zwischen den beiden Spulen gruppen 4a, b und erstrecken sich über einen jeweiligen Leerwinkel E1 und E2 von je 90°. Insgesamt ergibt sich so eine Zwei-Quadranten-Anordnung mit Spulen 6a-d in nur zwei Quadranten Q1 ,3. Die Winkelausdehnung W von 180° ist damit mindestens (bzw. hier genau gleich) so groß wie die größte mögliche Summe eines Spulenwinkels (hier beide S1,2 = 90°) und eines Leerwinkels (hier auch beide E1 ,2 = 90°) bei der gegebenen Sensoranord nung 2. Die größte Summe sind damit ebenfalls 180°.

Lediglich symbolisch ist in Figur 1 noch eine Auswerteeinrichtung 18 der Sensoran ordnung 2 dargestellt. Diese ist - hier durch Programmierung eines nicht dargestell ten digitalen Signalprozessors - dazu eingerichtet, für jede der Spulen 6a-d zu einem bestimmten Zeitpunkt deren aktuelle Induktivitäten L1-4 bzw. den entsprechenden In duktivitätswert zu ermitteln und einen aktuellen Drehwinkel D des Flusselements 12 auf Basis der vier ermittelten Induktivitäten L1-L4 zu ermitteln. Die Ermittlung erfolgt anhand fachüblicher, im Wesentlichen einfacher geometrischer bzw. feldtheoreti scher, Überlegungen entsprechend zu aus der Praxis bekannten prinzipiell gleichar tig arbeitenden Winkelsensoren und soll hier nicht näher erläutert werden.

Die Figuren 1 und 2 zeigen damit einen kleinen und kompakten induktiven Rotor- Winkelpositions-Meßsensor (Small and Compact Inductive Rotor Angular-Position Measurement Sensor: SCIRAMS). Insbesondere zeigen sie einen Axialtyp eines IRAMS, d.h. einen Axial-IRPS (Inductive Rotor Position Sensor).

Figur 1 zeigt dabei zwei kleine Leiterplatten 20a, b (PCB) in Form je eines Viertels ei ner Scheibe (Viertel-Kreisring-Segmente), die in einem ersten Quadranten Q1 (Dreh winkel 0° bis 90°) und dritten Quadranten Q3 (Drehwinkel 180° bis 270°) montiert sind, jeweils auf einer nicht-metallischen Kreisscheibe 22 (Kreisring). In der Leiter platte 20a, also im Q1-PCB, sind die beiden trapezförmige Spulen vom planaren Typ, nämlich Spule 6a bzw. L1 und Spule 6b bzw. L2 gedruckt, die in Rotationsform (also die Drehachse 10 entlang der Kreisbahn 14 umgebend) vorliegen. In ähnlicherWeise sind in der Leiterplatte 20b, also im Q3-PCB, zwei ebene trapezförmige Spulen, näm lich Spule 6c bzw. L3 und Spule 6d bzw. L4 angeordnet, die ebenfalls in Rotations form vorliegen.

Es ist zu beachten, dass die radial äußeren Spulen 6a, c (Q1-PCB und Q3-PCB) un gerade nummeriert sind (L1 und L3) und die radial inneren Spulen 6b, d (Q1-PCB und Q3-PCB) gerade nummeriert sind (L2 und L4). Im Gegensatz dazu haben die Q2- und Q4-Quadranten der Kreisscheibe 22 keine PCBs und enthalten daher keine planaren Trapezspulen. Darüber hinaus sind die beiden ungeradzahligen Spulen 6a (L1) und 6c (L3) vom gleichen Spulentyp 24a (Geometrie / Form / Kontur, Spur- Breite, Windungsabstand und Windungszahlen usw.), und in gleicher Weise sind auch die beiden geradzahligen Spulen 6b (L2) und 6d (L4) vom gleichen Spulentyp 24b (Geometrie / Form / Kontur, Spur-Breite, Windungsabstand und Windungszahl usw.). Figur 1 zeigt damit die Kreisscheibe 22, die PCBs mit trapezoiden Planar-Spu- len 6a-d trägt.

Figur 2 zeigt einen dünnen / laminaren CU-Aktivator in Form des Flusselements 12, der knapp oberhalb der trapezoiden Spulen 6a-d gleitet / rotiert und dabei einen fixen Zwischenraum (Abstandsspalt a) aufrecht erhält.

Zentral weist die Kreisscheibe 22 eine kreisförmige Aussparung bzw. ein Loch 26 für die Montage (Durchsetzen) einer nicht dargestellten Rotorwelle auf.

Figur 2 zeigt eine dünne und laminare metallische (aus Cu gefertigte) halbkreisför mige Platte in Form des Flusselements 12, die als Aktivator / Target für den indukti ven Sensor bzw. die Sensoranordnung 2 fungiert. Das Flusselement 12 weist zwei Abschnitte A1 und A2 auf, die hier zusammenhängend ausgeführt sind. Das rotie rende Flusselement 12 hat den Zweck, die Induktivitäten L1-4 der betreffenden ru henden Spulen 6a-d (die unter dem A1- oder A2-Teil bzw. -Abschnitt des Flussele ments 12 liegt) unter dem Einfluss von Wirbelströmen zu ändern / zu verringern, die sich im metallischen Flusselement 12 bilden. Die Kontur des A2-Abschnitts des Flus selements 12 ist identisch mit der Kontur der geradzahligen (L2 und L4) inneren tra pezförmigen planaren Spulen 6b, d (Spulentyp 24b). In ähnlicherWeise ist die Kontur des A1 -Abschnitts des Flusselements 12 identisch mit der Kontur der ungeradzahli gen (L1 und L3) äußeren trapezförmigen planaren Spulen 6a, c (Spulentyp 24a). Die jeweiligen Abschnitte A1 und A2 und die zugehörigen Spulen 6a, c und 6b, d sind also jeweils deckungsgleich. Die Bogenlängen B1 ,2 von A1 - Abschnitt und A2- Abschnitt des Flusselements 12 sind so bemessen, dass der A1 -Abschnitt z.B. einen Quadranten der Scheibe, z.B. auf der linken Seite der Kreisscheibe 22, vollständig abdeckt und der A2- Abschnitt einen anderen Quadranten, z.B. auf der rechten Seite der Kreisscheibe 22, vollstän dig abdeckt. Daher bedeckt die gesamte Bogenlänge (Winkelausdehnung W) des Flusselements 12 (A1- und A2- Abschnitte zusammen) zwei benachbarte Quadran ten oder einen Halbkreis der Kreisscheibe 22. Die Verbindungslinie (bzw. Mitte in Umfangsrichtung) der A1- und A2- Abschnitte des Flusselements 12 dient als Zeiger für die Winkelpositionsmessung (siehe Figur 3).

Figur 3 zeigt die fertigmontierte Sensoranordnung 2 mit Komponenten aus Figuren 1 und 2.

In Figur 3a ist der dünne / laminare Cu-Aktivator in Form des Flusselements 12 so positioniert, dass er die L1 -Spule 6a vollständig abdeckt. Diese Position wird als 0°- Position des Drehwinkels D betrachtet, da die Verbindungslinie zwischen den Ab schnitten A1 und A2 des Flusselements 12 auf die 0°-Position des Drehwinkels D ausgerichtet ist. Das Flusselement 12 befindet sich bzw. rotiert nun oberhalb der Spulen 6a-d und hält dabei den festen Abstandsspalt a aufrecht.

Der Abschnitt A1 befindet sich vollständig im Quadranten Q1 und bedeckt daher die Spule 6a (L1). Der Abschnitt A2 befindet sich im Quadranten Q4 über der Kreis scheibe 22 und bedeckt keine der Spulen 6a-d. Daher wird nur die L1 -Spule 6a vom A1 -Abschnitt des Cu-Aktivators beeinflusst und ihr Induktivitätswert L1 wird auf den niedrigsten Wert Llow (nH) reduziert. Die Spulen 6b-d (L2, L3 und L4) unterliegen je doch keinem Einfluss eines Teils des Flusselements 12 und zeigen ihre jeweiligen maximalen Induktivitätswerte L2,3,4 von (bzw. in der Nähe von etwa) Lhigh (nH).

Wenn sich der Aktivator im Uhrzeigersinn um beispielsweise 45° dreht (nicht darge stellte Zwischenstellung zwischen den Positionen aus den Figuren 3a, b), bedecken die Abschnitte A1 und A2 des Flusselements 12 teilweise beide Spulen 6a und 6b (L1 bzw. L2), wodurch beide Spulen einen Zwischen-Induktivitätswert L1 ,2 zwischen Llow und Lhigh erzeugen. Gemäß Figur 3b bedeckt das Flusselement 12 die L2-Spule 6b vollständig. Dies wird als 90°-Position des Drehwinkels D angesehen, da die Verbindungslinie von A1 und A2 jetzt auf die 90°-Position ausgerichtet ist. Der Abschnitt A1 befindet sich nun im Quadranten Q2 über der Kreisscheibe 22 und bedeckt keinerlei Spulen 6a -d, der Ab schnitt A2 befindet sich im Quadranten Q1 über der Spule 6b (L2). Es wird also nur die L2-Spule 6b vom A2 -Abschnitt des Flusselements 12 beeinflusst.

Gemäß Figur 3c liegt das Flusselement 12 vollständig über der L3-Spule 6c, dies wird als 180°-Winkelposition des Drehwinkels D betrachtet. Der Abschnitt A1 befindet sich im Quadranten Q3 und bedeckt die Spule 6C (L3), der Abschnitt A2 befindet sich im Quadranten Q2. Die Spule L3 ist unter dem A1 -Abschnitt des Flusselements 12 beeinflusst.

Gemäß Figur 3d ist das Flusselement 12 so positioniert, dass es die L4-Spule 6d vollständig bedeckt. Dies entspricht der 270°-Winkelstellung des Drehwinkels D. In diesem Fall befindet sich der Abschnitt A1 im Quadranten Q4 und der Abschnitt A2 im Quadranten Q3 (Spule 6d, L4). Die L4-Spule 6d ist unter dem Einfluss des Ab schnitts A2 des Flusselements 12.

In Figur 4 ist der Verlauf der Induktivitäten L1-4 dargestellt, wenn - je nach Drehwin kel D - das Flusselement die Spulen 6a-d teilweise oder vollständig bedeckt. Die Spuleninduktivitäten L1-4 ändern sich über dem Drehwinkel D entsprechend der dar gestellten Kurven. Der jeweilige Induktivitätswert L1-4 wird in ein geeignetes elektri sches Signal (mV) umgewandelt, und danach wird ein Mikrocontroller/ ASIC (in der Auswerteeinrichtung 18, nicht dargestellt) verwendet, um die Mittelposition des Flus selements 12 (Drehwinkel D) zu schätzen bzw. zu ermitteln. Dabei ist das Flussele ment 12 fest an einer sich drehenden (nichtmetallischen, nicht dargestellten) Scheibe angebracht. Letztere ist dazu ebenfalls starr an einer sich drehenden Welle des Ro tors einer nicht dargestellten elektrischen Maschine angebracht. Der Teil der Senso ranordnung 2 aus Figur 1 dagegen ist ortsfest in Bezug auf den Stator der Maschine fixiert. Der Drehwinkel D der Sensoranordnung 2 gibt daher den Drehwinkel D des Rotors zum Stator an. Die Zuordnung der Quadranten Q1-4 zu den Drehwinkeln ist in Figur 4 eingetragen. Pfeil 32 deutet die Rotation des Flusselements 12 im Uhrzeiger sinn an.

Figur 5 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Sensoranordnung 2 nämlich ei nen Radial Type Inductive Rotor Angular-Position Measurement Sensor (Radial IRPS): Gegenüber den Figuren 1-3 wurde eine leichte Modifikation durchgeführt, da mit die Sensoranordnung 2 als radialer Winkelpositionssensor funktioniert.

Flier wird gemäß Figur 5a (vergleichbar Figur 1) anstelle einer nichtmetallischen Scheibe 22 ein nichtmetallischer Zylinder bzw. Zylindermantel 28 eines geraden Kreiszylinders verwendet. Dessen Länge L bzw. Höhe entspricht der Differenz der Radien R2-R1 der Kreisscheibe 22 in Figur 1. Der Radius des Zylinders ist z.B. vom E-Motor abhängig, an dem die Sensoranordnung 2 eingesetzt werden soll. Die zwei PCBs bzw. Leiterplatten 20a, b, die die Spulen 6a-d tragen, sind auf der Innenseite des nichtmetallischen Zylinders bzw. Zylindermantels 28 in den inneren Quadranten Q1 und Q3 angeordnet. Die Fläche 16 ist also ein Kreiszylindermantel (radiale Innen seite).

Die Spulengruppen 4a, b weisen hier also jeweils die Form eines Viertels des Um fangs eines Kreiszylindermantels auf.

Gemäß Figur 5b dient ein weiterer nichtmetallischer Zylinder 30 dazu, den Aktivator bzw. das Flusselement 12 an der Außenfläche des zweiten Zylinders 30 anzubrin gen. Der äußere Radius des Zylinders 30 ist derart, dass er sich, wenn er fest mit der Rotorwelle verbunden ist, innerhalb des Zylindermantels 28 dreht, wobei ein vorbe stimmter vertikaler Luftspalt (Abstandsspalte a, in mm oder) zwischen der PCB-Spule 6a-d (radial innere Oberfläche) und der radial äußeren Oberfläche des Flusselements 12 am Zylinder 30 aufrechterhalten wird.

Für beide Ausführungsformen (Figuren 1-3 und Figur 5) liegen also auf der Fläche 16 die Spulen 6a, b und die Spulen 6c, d jeweils senkrecht zur Kreisbahn 14 nebeneinan der. Figur 6 zeigt Simulationsergebnisse für das im Uhrzeigersinn rotierende Flussele ment 12 gemäß der Figuren 1 bis 3. Es ist zu betonen, dass die Spulen 6a (auch "T1 / L1 ) und 6c (auch "T3 / L3") als "Top"-Spulen und die Spulen 6b (auch "B2 / L2") und 6d (auch "B4 / L4") als "Bottom'-Spulen zusammen eine trapezoide Spulengruppe 4a, b bilden und hier zwei solcher Spulengruppen 4a, b verwendet werden. Spulen gruppe 4a ist im Quadranten Q1 , Spulengruppe 4b im Quadranten Q3 platziert. Figur 6 zeigt der Verlauf der Induktivitäten L1 bis L4 über dem Drehwinkel D.

Figur 7 zeigt in einer Tabelle, für welche Spulen 6a-d (T 1 , B2, T3, B4) sich jeweils fal lende (obere Zeile 34, angedeutet durch Pfeil nach unten) oder steigende (untere Zeile 36, angedeutet durch Pfeil nach oben) Induktivitätswerte (L in pH), also Ten denzen, ergeben. Die Spulen 6a-d sind dabei über die o.g. Bezeichnungen "T" für "Top" und "B" für "Bottom" angegeben und auch nochmals in den jeweiligen Quad- ranten-Spalten Q1 und Q3, in denen sie sich befinden, eingetragen. Die Rotation des Flusselements 12 findet wieder im Uhrzeigersinn (in der Tabelle von links nach rechts) statt. Figur 7 stellt damit eine Zustandstabelle für die Sensoranordnung 2 dar. Der Drehwinkel D ist als steigender Winkel (0° bis 720°) dargestellt.

Dabei ist es sehr wichtig, folgendes zu betonen: Für eine Drehung des Flussele ments 12 im Uhrzeigersinn (untere Zeile in der Tabelle, Fig. 7) zeigt die Tabelle für die Rotation (Q1 -> Q2 -> Q3 -> Q4) sequentiell für die T1-, B2-, T3- und B4-Spulen 4a-d ansteigende Induktivitäten (Werte).

Für die Rotation entgegen dem Uhrzeigersinn zeigt die untere Zeile der Tabelle, dass sequentiell die B4-, T3-, B2- und T1 -Spulen 4a-d ansteigende Induktivitäten (Werte) aufweisen.

Bezüglich der Figuren ist zu beachten, dass die Quadrantenreihenfolge von einer konventionellen Nummerierung (übliche Konvention) abweicht: Q1 , Q3 sind konventi onell nummeriert, Q2 und Q4 sind demgegenüber vertauscht.

Die Figuren 8 zeigt entsprechend zu Figs. 1 - 3 eine alternative Sensoranordnung 2 mit nur einer Spulengruppe 4a mit zwei Spulen 6a, b und nur einem Leerbereich 8a. Dieser erstreckt sich über einen Leerwinkel E1 von 180°. Die Spulengruppe 4a er streckt sich über die Quadranten Q1,2 über einen Spulenwinkel S1 von 180°, der gleich dem Gesamtwinkel G ist. Das bogenförmige dünne / laminare Flusselement 12 (CU-Aktivator) erstreckt sich über eine Winkelausdehnung W von 360°, die Ab schnitte A1 , A2 jeweils über Bogenlängen B 1 ,2 von jeweils 180°. Die Kreisbahn 14 um die Drehachse 10 ist hier nur gestrichelt angedeutet. Ansonsten ist die Sensoran ordnung 2 entsprechend bzw. sinngemäß zu Figs. 1-3 aufgebaut und wird wie diese betrieben. Obschon hier die Spulengruppe 4a nur 180° der Kreisscheibe 22 abdeckt, kann die Sensoranordnung 2 den vollen 360° Drehwinkel D einer Rotorbewegung messen.

Die Spulen 4a, b befinden sich auf einer einzigen Leiterplatte 20a (Kreisringsegment) auf der nichtmetallischen Kreisscheibe 22 (Kreisring).

Bezuqszeichen Sensoranordnung a, b Spulengruppe a-d Spule a, b Leerbereich

10 Drehachse

12 Flusselement

14 Kreisbahn

16 Fläche

18 Auswerteeinrichtung

20a, b Leiterplatte

22 Kreisscheibe

24a, b Spulentyp

26 Loch

28 Zylindermantel

30 Zylinder

32 Pfeil

34 Zeile (oben)

36 Zeile (unten)

L1-4 Induktivitäten

D Drehwinkel

W Winkelausdehnung

S1 ,2 Spulenwinkel

G Gesamtwinkel

E1 ,2 Leerwinkel a Abstandsspalt

Q1-4 Quadrant

A1 ,2 Abschnitt

B1 ,2 Bogenlänge

L Länge

R1 ,2 Radius