WO2020114890A2 - Drehzahl- und/oder drehwinkelerfassungseinheit und arbeitsvorrichtung - Google Patents

Drehzahl- und/oder drehwinkelerfassungseinheit und arbeitsvorrichtung Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a speed and / or
  • the present invention relates in particular to a torque detection device for - in particular actively - detecting a speed and / or a rotation angle of a shaft and in particular a crankshaft of a working device which can be driven with muscle power and / or with engine power, and in particular one
  • Disadvantages are the lack of accuracy in the mechanical tap and the influence of the rotation and the orientation of the underlying shaft by the mechanical tap.
  • the speed and / or angle of rotation detection unit according to the invention with the features of independent claim 1 has the advantage that a speed and / or an angle of rotation and thus an orientation of the underlying shaft with a high in the region of the shaft to be examined without special mechanical precautions Level of reliability and
  • a speed and / or rotation angle detection unit for detecting a speed and / or a rotation angle of a shaft and in particular a crankshaft can be driven with muscle power and / or with engine power
  • Working device and in particular a vehicle around an axis of rotation of the crankshaft is created (i) with a surface structure which is formed materially and / or magnetically on a surface of the crankshaft, and (ii) with a sensor unit which is used to detect one of the shaft and the surface structure carried magnetic field is formed.
  • the modulation of the magnetic field carried and / or emitted by the shaft is advantageously used by the surface structure, be it mechanically and / or magnetically designed and organized.
  • Angle of rotation detection unit if the surface structure as coding - in particular for an angular position of the crankshaft about the axis of rotation - is trained. In this way, the orientation of the shaft with respect to the axis of rotation of the shaft can be determined at any time and from the
  • Time-dependent orientation the speed of the shaft can also be determined.
  • the surface structure as a mechanical structure (i) with a sequence of elevations, depressions and / or recesses, (ii) with a sequence of one or more ramps with a respective edge on one End of the ramp and / or (iii) as a knurl on or in the surface of the shaft in each case in a circumferential direction of the shaft.
  • Magnetic and mechanical structuring can be combined.
  • the coding can be made by corresponding different lengths or
  • the sensor unit has at least one receiving coil and / or a core, in particular with or made of a ferromagnetic material, a respective receiving coil is designed as a measuring and / or sensing coil.
  • an inherent magnetic field in the shaft can be used in connection with the sensor unit for detecting the angle of rotation and / or the speed of the shaft, it is particularly advantageous according to another preferred embodiment of the speed and / or angle of rotation detection unit according to the invention if it is used for active detection of the speed and / or angle of rotation of the shaft and, in particular, is set up with an excitation unit, which is designed to act upon the shaft with a magnetic field, in particular one that changes over time.
  • the excitation unit has an exciter, in particular made of or with a magnetic coil, with a core and / or with or from a ferromagnetic material.
  • Devices are used that are designed in connection with other units and serve to apply a magnetic field to the shaft to be measured.
  • the excitation unit is a unit external to the sensor unit and / or an excitation unit
  • Torque detection device formed.
  • Torque detection device which works based on a magnetic field and is designed to actively apply a magnetic field to the shaft, an excitation unit which is already present there can also be used to generate the magnetic field with a view to determining the speed and angle of rotation. This saves costs, the number of required components is reduced and a more compact design is created for the actual speed and / or rotation angle detection unit.
  • the speed and / or angle of rotation detection unit according to the invention can be achieved if the sensor unit, in particular a respective receiving coil of the sensor unit, and / or a respective exciter, in particular a respective one Magnet coil of the excitation unit or the exciter, is at least partially designed as a structure of a circuit board or printed circuit board or a plurality thereof.
  • Rotation angle detection unit an evaluation and control unit which is configured to (i) receive values output by the sensor unit representative of the detected magnetic fields and (ii) determine the value of a speed and / or a rotation angle of the shaft on the basis of the received values .
  • the present invention also relates to a working device and in particular to a vehicle which can be driven with muscle power and / or with motor power, in particular a bicycle, electric bicycle, eBike, pedelec or the like, with at least one wheel, a drive for driving the at least one wheel and with a speed and / or rotation angle detection unit designed according to the invention for detecting a speed and / or a rotation angle of a shaft of the drive, in which the drive can be monitored and / or controlled on the basis of the detected speed and / or the detected rotation angle.
  • FIG. 1 to 3 show schematic views of different
  • FIGS 4 and 5 show in schematic form two views of one
  • Figure 9 shows a perspective view of an embodiment of the speed and / or
  • Figure 10 shows a schematic side view
  • the vehicle 1 comprises a frame 12 on which a front wheel 9-1, a rear wheel 9-2 and a crank mechanism 2 with two cranks 7, 8 Pedals 7-1 and 8-1 are arranged.
  • An electric drive 3 is integrated in the crank drive 2.
  • a pinion 6 is arranged on the rear wheel 9-2.
  • a drive torque which is provided by the driver and / or by the electric drive 3, is transmitted from a chainring 4 on the crank mechanism 2 via a chain 5 to the pinion 6.
  • a control unit 10 which is connected to the electric drive 3, is also arranged on the handlebar of the vehicle 1.
  • a battery 11 is also formed, which serves to supply power to the electric drive 3.
  • crank bearing 13 or bottom bracket which has a crankcase 14 and a crankshaft 15.
  • the drive 80 of the vehicle 1 thus comprises the crank drive 2 for actuation by the driver by means of muscle power and the additional or alternative electric drive 3.
  • Speed and / or rotation angle detection unit 100 are designed to detect the speed and / or the rotation angle of the crankshaft 15.
  • Vehicle extends with its longitudinal direction Y parallel to the y direction, whereas the transverse direction extends parallel to the x direction and coincides with the direction of the axis X of the crankshaft 15.
  • FIGS. 1 to 3 show different views of an embodiment of the speed and / or rotation angle detection unit 100 according to the invention.
  • crankshaft 15 is shown as a shaft to which a torque can be applied and which is to be monitored with regard to the speed and / or angle of rotation.
  • the crankshaft 15 is aligned in the x direction and around an axis X which is parallel to the x Direction is aligned, rotatably mounted, as is also shown in connection with Figure 10 for the vehicle 1 according to the invention.
  • the embodiment of the speed and / or rotation angle detection unit 100 according to the invention shown in FIG. 1 consists of a sensor unit 30 and an excitation unit 20.
  • the sensor unit 30 serves as a measuring sensor device or in short as a measuring sensor and has a receiving coil 31-1, which surrounds or encloses a core 31-2, for example with or made of a ferromagnetic material.
  • An exciter 21 of an exciter unit 20 is combined with the receiving coil 31-1, namely in the form of a magnet coil 21-1 with a core 21-2 as part of the
  • the receiving coil 31-1 of the sensor unit 30 and the magnetic coil 21-1 of the excitation unit 20 are designed coaxially and congruently with one another, are in direct spatial proximity and are electrically decoupled from one another and one
  • ferromagnetic material - have.
  • the sensor unit 30 and the excitation unit 20 are arranged and oriented such that the axes of the coils 31-1, 21-1 and the axis of the common core lie 30-2, 41-2 on the projection of the axis of rotation X in the projection. In this way, the magnetic field excited and carried by the shaft 15 by excitation by means of the excitation unit 20 can be detected particularly precisely.
  • Figures 2 and 3 show along the section planes ll-ll and Ill-Ill
  • Sensor unit 30 and the magnet coil 21-1 of the excitation unit 20 are assigned to one another, have a common core 21-2, 31-2 and that the magnet coil 21-2 of the exciter 21 of the exciter unit 20 is directly above the assigned receiving coils 31-1 that act as a measuring sensor
  • the shaft 15 with the surface 15a is arranged in the immediate vicinity thereof and at a spatial distance.
  • the spatial spacing from the surface 15a is chosen so that the magnetic field excited by the excitation unit 20 in the shaft 15 and carried by the shaft 15 can be detected particularly precisely.
  • a surface structure 40 is formed in the region which, when the shaft 15 rotates, comes close to the sensor unit 20 and in particular the receiving coil 21-1.
  • the sensor unit 30 measures the magnetic field carried by the shaft 15 with a particularly high degree of sensitivity.
  • Figures 4 and 5 show in schematic form two views of another embodiment of the speed and / or
  • Angle of rotation detection unit 100 specifically in cooperation with a provided torque detection device 110.
  • a key aspect of the embodiment of FIGS. 4 and 5 is an excitation unit 120, which is responsible for the functional principle of the
  • Torque detection device 1 10 is required, simultaneously as
  • Excitation unit 20 for the speed and / or
  • angle of rotation detection unit 100 that is to say as an excitation unit 20, which is designed externally to the sensor unit 30 and its receiving coil 31-1.
  • excitation unit 20 which is designed externally to the sensor unit 30 and its receiving coil 31-1.
  • Angle of rotation detection unit 1 10 based on the following key aspects:
  • Torque detection device 100 from a first sensor unit 130 and a second sensor unit 140.
  • the first sensor unit 130 serves as a measuring sensor device or, in short, as a measuring sensor and has four receiving coils 131, which e.g. can be arranged at the end points of a vertical, flat and equally long cross.
  • An excitation unit 120 with a magnetic coil 121 with a core 122 as part of an excitation unit 120 is located in the center of the cross, that is to say the crossing point.
  • the first sensor unit 130 as a measuring sensor device is with its
  • Alignment cross oriented such that the axis of rotation X forms an angle of 45 degrees in projection with the sides of the alignment cross of the first sensor unit 130. In this way, the magnetic field excited and carried by the shaft 15 by excitation by means of the excitation unit 120 can be detected particularly precisely.
  • a second sensor unit 140 of the same construction as the first sensor unit 130, but with a different electrical connection, is congruent with the first sensor unit 130 and spatially slightly above it.
  • Sensor units 130, 140 of the torque detection device 110 have the same number, for example four, receiving coils 131 and 141, respectively, which are assigned to one another in a 1-to-1 assignment, with mutually assigned receiving coils 131 and 141 - as shown in this embodiment - can be arranged coaxially and in close spatial proximity or neighborhood to one another, so that the end points, the sides and also the intersection points of the respective crosses coincide, the intersection points in projection on each other and on the axis of rotation X or on their projection.
  • the first sensor unit 130 and the second sensor unit 140 from FIGS. 4 and 5 are thus arranged with the same orientation with respect to one another and with respect to the shaft 15, but are electrically connected in different ways with respect to their receiving coils 131, 141.
  • the two sensor units 130 and 140 of the torque detection device 110 are excited in operation by a common excitation unit 120 with exciter in the form of a magnet coil 121 and a core 122 enclosed by the magnet coil - also mediated by the field radiated by the crankshaft 15.
  • the exciter with the magnetic coil 121 is arranged at, in or in the region of the crossing point, so that overall there is a symmetrical arrangement of the exciter unit 120 and sensor units 130, 140 of the torque detection device 110.
  • reception coils 131, 141 which are assigned to one another, each have a common core 132, 142, that is to say in pairs, and that the respective reception coils 141 of the second sensor unit 140 of the torque detection device 1 functioning as a compensation sensor 10 are always arranged directly above a respectively assigned receiving coil 131 of the first sensor unit 130 of the torque detection device 110 functioning as a measuring sensor.
  • the first sensor unit 130 measures the
  • Torque detection device 1 10 carried by the shaft 15
  • Torque detection device 1 10 receives these combined signals in the same manner, but compensates for the interference signal components due to the different electrical economy circuit.
  • FIGS. 6 to 8 show different views of embodiments of the surface structure 40 on or in the surface 15a of the shaft 15, which can be used as a basis for the detection principle according to the invention regarding the speed and angle of rotation.
  • the representation is selected such that the respective surface structure 40 appears on the surface 15a in an angled form, that is to say planar, in each case in accordance with a developed circumferential angle or roll angle a between 0 ° and 360 °.
  • the surface structure 40 is designed in the manner of a knurl with elevations 42 and depressions or recesses 43 in the surface 15a of the shaft 15. The lengths of the
  • Elevations 42 and / or the depressions / recesses 43 can be selected differently, in order to provide a coding of the position on the surface 15 a and thus an angular coding with respect to the circumferential angle or rolling angle a.
  • Figure 9 shows a perspective view of an embodiment of the
  • the speed and / or angle of rotation detection unit 100 again in cooperation with a torque detection device 110 which donates the excitation unit 20, 120.
  • FIG. 9 shows in particular that the
  • Torque detection device 1 10 with first and second sensor units 130, 140 are housed in a common spatial area and in particular in a common shielding housing 60 and there magnetically access the surface 15a of the crankshaft 15 in order to detect the speed and angle of rotation on the one hand and the torque acting on the shaft 15 on the other hand.
  • One aspect of the present invention is the development of an active sensor for speed and / or rotation angle detection on a stationary or rotating shaft. Examples of such rotating shafts are
  • the invention is particularly intended to improve the susceptibility to rotation of the shaft, e.g. due to a non-ideal geometry of the shaft 15, vibrations, mechanical and / or
  • a key idea of the present invention is to provide one
  • Surface structure 40 which is formed on or in the surface 15a of the underlying shaft 15 and serves to modulate a magnetic field inherently or actively generated by the shaft 15 in such a way that a type of coding for the angle of rotation and / or for the Speed.
  • the underlying excitation unit 20 can be formed by an excitation unit 120 of a cooperating torque detection device 110, which can in particular be designed with congruent first and second sensor units 130 and 140.
  • the first and second sensor units 130 and 140 can be in this case
  • coil cores 121-2, 131-2 and 141-2 with different geometries were shown on the side facing the shaft 15.
  • This end face can be planar, convex, round, conical and / or locally adapted to the surface shape of the shaft 15, e.g. concave in the manner of a section or section of the inner jacket of a circular cylinder and conforming to the outer jacket of the shaft 15.
  • the following can be provided:
  • Projection are rotated or pivoted at an angle of 45 ° from the shaft axis X,
  • an electrical circuit for the first sensor unit 130 is connected in the manner of a Wheatstone bridge
  • a core can be formed with or from a ferromagnetic material which connects all the coils 131 and / or 141 to one another.
  • the sensing coils 131 detect signals from the torque and the disturbances. - Due to the special connection of the compensation coils 141 in the manner of a series connection, they detect the interference.
  • the magnetic coupling between the sensing coils 131 and the compensation coils 141 compensates for the interference already at the “magnetic level”, namely via a mutual induction and / or via the magnetically transmitting and coupling common core 132, 142 of the coils assigned to one another 131, 141.
  • Rotation angle detection unit 100 can, in addition to the excitation coil 121
  • Excitation unit 120 of the speed detection device 1 10 also with its own, separate, separate and directly for speed and / or
  • This speed coil 31-1 measures fluctuations in the magnetic field with the aid of a coded surface 15a on the shaft 15, for example in the form of a coded knurl 41 which is applied to the surface 15a of the shaft 15 or is introduced into the surface 15a.
  • a miniaturization of the design can be further optimized so that the area required for the detection of disturbance variables coincides with the same area that is required for sensing the torque.
  • the number of cores is reduced from 9 to 5. This also saves space, material and costs.
  • a shielding plate 60 can optionally be used to reduce EMC interference.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehzahl-und/oder Drehwinkelerfassungseinheit (100) zur Erfassung einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels einer Welle (15) und insbesondere einer Kurbelwelle (15) einer mit Muskelkraft und/oder oder mit Motorkraft antreibbaren Arbeitsvorrichtung und insbesondere eines Fahrzeugs (1) um eine Rotationsachse (X) der Kurbelwelle (15),welche mit einer Oberflächenstruktur (40), welche materiell und/oder magnetisch auf einer Oberfläche (15a) der Kurbelwelle (15) ausgebildet ist, und mit einer Sensoreinheit (30), welche zur Erfassung eines von der Welle (15) und der Oberflächenstruktur (40) getragenen Magnetfeldes ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassunqseinheit und Arbeitsvorrichtunq
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehzahl- und/oder
Drehwinkelerfassungseinheit und eine Arbeitsvorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Drehmomenterfassungseinrichtung zur - insbesondere aktiven - Erfassung einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels einer Welle und insbesondere einer Kurbelwelle einer mit Muskelkraft und/oder mit Motorkraft antreibbaren Arbeitsvorrichtung und insbesondere eines
Fahrzeuges um eine Rotationsachse der Kurbelwelle und eine mit Muskelkraft und/oder mit Motorkraft antreibbare Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug, ein Fahrrad, Elektrofahrrad, ein eBike, ein Pedelec oder dergleichen.
Bei der Überwachung und/oder Steuerung von Antriebsvorrichtungen, zum Beispiel im Bereich der Fahrzeugtechnik, ist es oft wünschenswert, dass eine Drehzahl und/oder ein Drehwinkel und somit eine Orientierung einer zu Grunde liegenden Welle einer Antriebseinheit erfasst werden.
Dazu werden herkömmlicherweise zum Beispiel mechanische Mittel zum
Abtasten einer Oberfläche der Welle eingesetzt, um über eine direkte
mechanische Kopplung auf eine Drehzahl und/oder einen Drehwinkel und somit auf eine Orientierung der Welle schließen zu können.
Nachteilig sind dabei die mangelnde Genauigkeit beim mechanischen Abgriff und die Beeinflussung der Drehung und der Orientierung der zu Grunde liegenden Welle durch den mechanischen Abgriff.
Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 weist den Vorteil auf, dass ohne besondere mechanische Vorkehrungen im Bereich der zu untersuchenden Welle eine Drehzahl und/oder ein Drehwinkel und somit eine Orientierung der zu Grunde liegenden Welle mit einem hohen Maß an Zuverlässigkeit und
Genauigkeit ermittelt werden können. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 dadurch erreicht, dass eine Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit zur Erfassung einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels einer Welle und insbesondere einer Kurbelwelle einer mit Muskelkraft und/oder oder mit Motorkraft antreibbaren
Arbeitsvorrichtung und insbesondere eines Fahrzeugs um eine Rotationsachse der Kurbelwelle geschaffen wird (i) mit einer Oberflächenstruktur, welche materiell und/oder magnetisch auf einer Oberfläche der Kurbelwelle ausgebildet ist, und (ii) mit einer Sensoreinheit, welche zur Erfassung eines von der Welle und von der Oberflächenstruktur getragenen Magnetfeldes ausgebildet ist. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen können die Drehzahl und/oder der
Drehwinkel der zu Grunde liegenden Welle und deren Drehachse oder
Rotationsachse ohne mechanischen Abgriff und ohne mechanische Kopplung über eine Erfassung magnetischer Signale an der bzw. in der Welle und somit verschleißfrei und mit einem höheren Maß an Genauigkeit erfasst werden
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen und insbesondere durch die kontaktfreie Erfassung von Drehzahl und Drehwinkel und somit der
zeitabhängigen Stellung der Welle in Bezug auf die Rotationsachse ergibt sich ein besonders hohes Maß an Störungsfreiheit bei der Messwerterfassung. Dabei wird insbesondere die Modulation des von der Welle getragenen und/oder ausgesandten Magnetfeldes durch die Oberflächenstruktur in vorteihafterweise ausgenutzt, sei diese mechanisch und/oder magnetisch ausgebildet und organisiert.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Ein besonders hohes Maß an Zuverlässigkeit bei der Bestimmung von Drehzahl und/oder Drehwinkel der Welle ergibt sich gemäß einer vorteilhaften
Weiterbildung der erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder
Drehwinkelerfassungseinheit, wenn die Oberflächenstruktur als Kodierung - insbesondere für eine Winkelstellung der Kurbelwelle um die Rotationsachse - ausgebildet ist. Auf diese Weise kann zu jedem Zeitpunkt die Orientierung der Welle in Bezug auf die Rotationsachse der Welle ermittelt und aus der
Zeitabhängigkeit der Orientierung auch die Drehzahl der Welle bestimmt werden.
Grundsätzlich bieten sich vielfältige Möglichkeiten zur Ausgestaltung der
Oberflächenstruktur auf der Oberfläche der zu Grunde liegenden Welle an. Dabei sind grundsätzlich alle Maßnahmen einzeln oder in Kombination miteinander verwendbar, die zu einer in Umfangsrichtung der Welle winkelauflösenden Diskriminierung der Stellung der Welle in Bezug auf die Rotationsachse dienen können.
Bei einer besonders einfachen Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit ist die Oberflächenstruktur als mechanische Struktur (i) mit einer Abfolge von Erhebungen, Vertiefungen und/oder Ausnehmungen, (ii) mit einer Abfolge einer oder mehrerer Rampen mit einer jeweiligen Kante an einem Ende der Rampe und/oder (iii) als Rändel auf oder in der Oberfläche der Welle jeweils in einer Umfangsrichtung der Welle ausgebildet.
Alternativ dazu kann eine permanente magnetische Kodierung auf der
Oberfläche aufgebracht oder in die Oberfläche eingearbeitet vorliegen. Dies ist zum Beispiel möglich im Sinne lokaler permanentmagnetischer Bereiche.
Eine magnetische und eine mechanische Strukturierung können miteinander kombiniert werden.
Die Kodierung kann durch entsprechende unterschiedliche Längen oder
Winkelausdehnungen der mechanischen und/oder magnetischen Bereiche in der Oberfläche und in Umfangsrichtung der Welle niedergelegt sein.
Zur Steigerung der Empfindlichkeit und damit der Messgenauigkeit ist es gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit vorgesehen, dass die Sensoreinheit mindestens eine Empfangsspule und/oder einen Kern, insbesondere mit oder aus einem ferromagnetischen Material, aufweist, wobei eine jeweilige Empfangsspule als Mess- und/oder Sensierungsspule ausgebildet ist. Obwohl grundsätzlich ein inhärent in der Welle vorhandenes Magnetfeld im Zusammenhang mit der Sensoreinheit zur Erfassung des Drehwinkels und/oder der Drehzahl der Welle herangezogen werden kann, ist es gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit besonders vorteilhaft, wenn diese zur aktiven Erfassung von Drehzahl und/oder Drehwinkel der Welle und dazu insbesondere mit einer Erregereinheit eingerichtet ist, welche zur Beaufschlagung der Welle mit einem - insbesondere zeitlich veränderlichen - Magnetfeld ausgebildet ist.
In diesem Zusammenhang ist von besonderem Vorteil, wenn die Erregereinheit einen Erreger aufweist, insbesondere aus oder mit einer Magnetspule, mit einem Kern und/oder mit oder aus einem ferromagnetischen Material.
Dabei sind verschiedene Anordnungen von Erregereinheiten denkbar. Neben dem expliziten Vorsehen einer eigenen Erregereinheit können auch
Einrichtungen genutzt werden, die im Zusammenhang mit anderen Aggregaten ausgebildet sind und dazu dienen, ein Magnetfeld auf die zu vermessende Welle aufzuprägen.
So ist bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit die Erregereinheit als zur Sensoreinheit externe Einheit und/oder als Erregereinheit einer
Drehmomenterfassungseinrichtung ausgebildet.
Bei dieser Ausführungsform ist von besonderem Vorteil, dass bei einer
Drehmomenterfassungseinrichtung, die magnetfeldbasiert arbeitet und zur aktiven Beaufschlagung der Welle mit einem Magnetfeld ausgebildet ist, eine dort notwendigerweise bereits vorhandene Erregereinheit auch für die Erzeugung des Magnetfeldes im Hinblick auf die Bestimmung von Drehzahl und Drehwinkel genutzt werden kann. Dadurch werden Kosten eingespart, die Anzahl der erforderlichen Bauteile wird verringert und es entsteht eine kompaktere Bauform für die eigentliche Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit.
Ein besonders hohes Maß an Kompaktheit bei der Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit lässt sich erreichen, wenn die Sensoreinheit, insbesondere eine jeweilige Empfangsspule der Sensoreinheit, und/oder ein jeweiliger Erreger, insbesondere eine jeweilige Magnetspule der Erregereinheit oder des Erregers, zumindest teilweise als Struktur einer Platine oder Leiterplatte oder einer Mehrzahl davon ausgebildet ist.
Zur tatsächlichen Bestimmung der Werte für die Drehzahl und/oder für den Drehwinkel der zu Grunde liegenden Welle ist bei einer bevorzugten
Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder
Drehwinkelerfassungseinheit eine Auswerte- und Steuereinheit ausgebildet, welche eingerichtet ist, (i) von der Sensoreinheit ausgegebene für die erfassten Magnetfelder repräsentative Werte zu empfangen und (ii) auf der Grundlage der empfangenen Werte den Wert einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels der Welle zu bestimmen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung im Sinne einer Anwendung auch eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein mit Muskelkraft und/oder oder mit Motorkraft antreibbares Fahrzeug, insbesondere Fahrrad, Elektrofahrrad, eBike, Pedelec oder dergleichen, mit mindestens einem Rad, einem Antrieb zum Antreiben des mindestens einen Rades und mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit zur Erfassung einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels einer Welle des Antriebs, bei welcher auf der Grundlage der erfassten Drehzahl und/oder des erfassten Drehwinkels der Antrieb überwachbar und/oder steuerbar ist.
Kurzbeschreibung der Figuren
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
Figuren 1 bis 3 zeigen in schematischen Ansichten von verschiedenen
Seiten eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit,
Figuren 4 und 5 zeigen in schematischer Form zwei Ansichten einer
anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit, und zwar im Zusammenwirken mit einer vorgesehenen Drehmomenterfassungseinrichtung, Figuren 6 bis 8 zeigen verschiedene Ansichten von Aspekten von
Ausführungsformen der Oberflächenstruktur auf oder in der Oberfläche der Welle, welche dem
erfindungsgemäßen Detektionsprinzip zu Drehzahl und Drehwinkel zu Grunde gelegt werden können,
Figur 9 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder
Drehwinkelerfassungseinheit im Zusammenwirken mit einer Drehmomenterfassungseinrichtung, und
Figur 10 zeigt in schematischer Seitenansicht eine
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Arbeitsvorrichtung insbesondere eines Fahrzeuges nach Art eines Elektrofahrrads unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 10
Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und
Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form von einander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf Figur 10 beispielhaft ein Elektrofahrrad als eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung und insbesondere des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 1 im Detail beschrieben.
Das Fahrzeug 1 umfasst als Elektrofahrrad einen Rahmen 12, an dem ein Vorderrad 9-1 , ein Hinterrad 9-2 und ein Kurbeltrieb 2 mit zwei Kurbeln 7, 8 mit Pedalen 7-1 und 8-1 angeordnet sind. Ein elektrischer Antrieb 3 ist in den Kurbeltrieb 2 integriert. Am Hinterrad 9-2 ist ein Ritzel 6 angeordnet.
Ein Antriebsmoment, welches durch den Fahrer und/oder durch den elektrischen Antrieb 3 bereitgestellt wird, wird von einem Kettenblatt 4 am Kurbeltrieb 2 über eine Kette 5 auf das Ritzel 6 übertragen.
Am Lenker des Fahrzeuges 1 ist ferner eine Steuereinheit 10 angeordnet, welche mit dem elektrischen Antrieb 3 verbunden ist. Im oder am Rahmen 12 ist ferner eine Batterie 11 ausgebildet, welche zur Stromversorgung des elektrischen Antriebes 3 dient.
Im Rahmen 12 integriert ist ferner ein Kurbellager 13 oder Tretlager, welches ein Kurbelgehäuse 14 und eine Kurbelwelle 15 aufweist.
Der Antrieb 80 des erfindungsgemäßen Fahrzeuges 1 umfasst insgesamt also den Kurbeltrieb 2 zur Betätigung durch den Fahrer mittels Muskelkraft und den zusätzlichen oder alternativen elektrischen Antrieb 3.
Im Bereich des Antriebes 80 ist auch eine Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit 100 ausgebildet, um die Drehzahl und/oder den Drehwinkel der Kurbelwelle 15 zu detektieren.
Anhand des in Figur 10 dargestellten Dreibeines wird deutlich, dass das
Fahrzeug sich mit seiner Längserstreckungsrichtung Y parallel zur y-Richtung erstreckt, wogegen die Quererstreckungsrichtung parallel zur x-Richtung verläuft und mit der Richtung der Achse X der Kurbelwelle 15 übereinstimmt.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen verschiedene Ansichten einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit 100.
Die Grundstruktur der Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit 100 ist am besten aus der Draufsicht gemäß Figur 1 erkennbar. Dort ist die Kurbelwelle 15 als mit einem Drehmoment beaufschlagbare Welle, die es hinsichtlich Drehzahl und/oder Drehwinkel zu überwachen gilt, dargestellt. Die Kurbelwelle 15 ist in der x-Richtung ausgerichtet und um eine Achse X, welche parallel zur x- Richtung ausgerichtet ist, drehbar gelagert, wie dies auch im Zusammenhang mit Figur 10 für das erfindungsgemäße Fahrzeug 1 dargestellt ist.
Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit 100 besteht aus einer Sensoreinheit 30 und einer Erregereinheit 20.
Die Sensoreinheit 30 dient als Messsensoreinrichtung oder kurz als Messsensor und weist eine Empfangsspule 31-1 auf, welche einen Kern 31-2, zum Beispiel mit oder aus einem ferromagnetischen Material, umgibt oder umschließt.
Mit der Empfangsspule 31-1 ist ein Erreger 21 einer Erregereinheit 20 kombiniert, und zwar in Form einer Magnetspule 21-1 mit Kern 21-2 als Teil der
Erregereinheit 20.
Aus den Darstellungen der Figuren 2 und 3 ergibt sich, dass die Empfangsspule 31-1 der Sensoreinheit 30 und die Magnetspule 21-1 der Erregereinheit 20 koaxial und zueinander deckungsgleich ausgebildet, in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft und elektrisch voneinander entkoppelt sind und einen
gemeinsamen Kern 31-2, 21-2 - zum Beispiel mit oder aus einem
ferromagnetischen Material - aufweisen.
Die Sensoreinheit 30 und die Erregereinheit 20 sind so angeordnet und orientiert, dass in Projektion die Achsen der Spulen 31-1 , 21-1 und die Achse des gemeinsamen Kerns einen 30-2, 41-2 auf der Projektion der Rotationsachse X liegen. Auf diese Art und Weise kann das von der Welle 15 durch Erregung mittels der Erregereinheit 20 erregte und getragene Magnetfeld besonders genau erfasst werden.
Die Figuren 2 und 3 zeigen entlang der Schnittebenen ll-ll bzw. Ill-Ill
geschnittene Seitenansichten der Anordnung der erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit 100 aus Figur 1.
Aus diesen Darstellungen wird klar, dass die Empfangsspule 31-1 der
Sensoreinheit 30 und die Magnetspule 21-1 der Erregereinheit 20, einander zugeordnet sind, einen gemeinsamen Kern 21-2, 31-2 aufweisen und dass die Magnetspule 21-2 des Erregers 21 der Erregereinheit 20 unmittelbar über der zugeordneten Empfangsspulen 31-1 der als Messsensor fungierenden
Sensoreinheit 30 angeordnet ist.
Auf der von der Magnetspule 21-2 des Erregers 21 der Erregereinheit 20 abgewandten Seite der Empfangsspule 31-1 ist in unmittelbarer Nachbarschaft dazu und räumlich beabstandet die Welle 15 mit der Oberfläche 15a angeordnet. Die räumliche Beabstandung von der Oberfläche 15a wird dabei so gewählt, dass das von der Erregereinheit 20 in der Welle 15 erregte und von der Welle 15 getragene Magnetfeld besonders genau detektiert werden kann.
Zur Detektion der Drehzahl und/des Drehwinkels ist eine Modulation des von der Welle 15 getragenen und am Ort der Sensoreinheit 20 wirksamen Magnetfeldes erforderlich. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass auf der
Oberfläche 15a der Welle 15 eine Oberflächenstruktur 40 in dem Bereich ausgebildet wird, welcher bei Rotation der Welle 15 mit der Drehung in die Nähe der Sensoreinheit 20 und insbesondere der Empfangsspule 21-1 gerät.
Bei der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform steht die
Oberflächenstruktur 40 aus einer alternierenden Abfolge von Erhebungen 42 und Vertiefungen 43, nämlich nach Art einer in der Umfangsrichtung auf der
Oberfläche 15a der Welle 15 umlaufenden Rändel.
Auf diese Weise misst die Sensoreinheit 30 das von der Welle 15 getragene Magnetfeld mit einem besonders hohen Maß an Empfindlichkeit.
Die Figuren 4 und 5 zeigen in schematischer Form zwei Ansichten einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder
Drehwinkelerfassungseinheit 100, und zwar im Zusammenwirken mit einer vorgesehenen Drehmomenterfassungseinrichtung 110.
Ein Kernaspekt der Ausführungsform der Figuren 4 und 5 besteht darin, eine Erregereinheit 120, die für das Funktionsprinzip der
Drehmomenterfassungseinrichtung 1 10 erforderlich ist, gleichzeitig als
Erregereinheit 20 für die erfindungsgemäße Drehzahl- und/oder
Drehwinkelerfassungseinheit 100 zu nutzen, also als Erregereinheit 20, die extern zur Sensoreinheit 30 und ihrer Empfangsspule 31-1 ausgebildet ist. Dabei liegen bei der hier gezeigten Ausführungsform der
Drehwinkelerfassungseinheit 1 10 folgende Kernaspekte zu Grunde:
Bei der in den Figuren 4 und 5 dargestellte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit 100 mit Drehmomenterfassungseinrichtung 1 10 besteht die
Drehmomenterfassungseinrichtung 100 aus einer ersten Sensoreinheit 130 und einer zweiten Sensoreinheit 140.
Die erste Sensoreinheit 130 dient als Messsensoreinrichtung oder kurz als Messsensor und weist vier Empfangsspulen 131 auf, die z.B. an den Endpunkten eines senkrechten, ebenen und mit gleich langen Seiten versehenen Kreuzes angeordnet sein können. Im Zentrum des Kreuzes, also dem Kreuzungspunkt, befindet sich eine Erregereinheit 120 mit einer Magnetspule 121 mit Kern 122 als Teil einer Erregereinheit 120.
Die erste Sensoreinheit 130 als Messsensoreinrichtung ist mit ihrem
Ausrichtungskreuz so orientiert, dass die Drehachse X in Projektion einen Winkel von 45 Grad mit den Seiten des Ausrichtungskreuzes der ersten Sensoreinheit 130 einschließt. Auf diese Art und Weise kann das von der Welle 15 durch Erregung mittels der Erregereinheit 120 erregte und getragene Magnetfeld besonders genau erfasst werden.
Zusätzlich zur ersten Sensoreinheit 130 kann - wie in der Ausführungsform der Figuren 4 und 5 gezeigt ist - eine zweite Sensoreinheit 140 vom gleichen Aufbau wie der ersten Sensoreinheit 130, aber mit anderer elektrischer Verschaltung deckungsgleich zur ersten Sensoreinheit 130 und räumlich leicht über dieser ausgebildet sein.
Deckungsgleich bedeutet in diesem Zusammenhang, dass beide
Sensoreinheiten 130, 140 der Drehmomenterfassungseinrichtung 110 dieselbe Anzahl, zum Beispiel vier, Empfangsspulen 131 bzw. 141 aufweisen, die in einer 1-zu-1 -Zuordnung einander zugeordnet sind, wobei einander zugeordnete Empfangsspulen 131 und 141 - wie bei dieser Ausführungsform gezeigt ist - koaxial und in unmittelbarer räumlicher Nähe oder Nachbarschaft zueinander angeordnet sein können, so dass sich also die Endpunkte, die Seiten und auch die Kreuzungspunkte der jeweiligen Kreuze decken, wobei die Kreuzungspunkte in Projektion aufeinander und auf der Drehachse X bzw. auf deren Projektion liegen.
Die erste Sensoreinheit 130 und die zweite Sensoreinheit 140 aus den Figuren 4 und 5 sind also in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Welle 15 gleich orientiert angeordnet, jedoch in unterschiedlicher Weise in Bezug auf ihre Empfangsspulen 131 , 141 elektrisch verschaltet.
Die beiden Sensoreinheiten 130 und 140 der Drehmomenterfassungseinrichtung 1 10 werden im Betrieb von einer gemeinsamen Erregereinheit 120 mit Erreger in Form einer Magnetspule 121 und einem von der Magnetspule einen 121 umschlossenen Kern 122 - auch vermittelt durch das von der Kurbelwelle 15 abgestrahlte Feld - angeregt. Der Erreger mit der Magnetspule 121 ist am, im oder im Bereich des Kreuzungspunkts angeordnet, so dass sich insgesamt eine symmetrische Anordnung aus Erregereinheit 120 und Sensoreinheiten 130, 140 der Drehmomenterfassungseinrichtung 1 10 ergibt.
Aus den Darstellungen der Figuren 4 und 5 wird klar, dass die Empfangsspulen 131 , 141 , die einander zugeordnet sind, jeweils, also paarweise einen gemeinsamen Kern 132, 142 aufweisen und dass die jeweiligen Empfangsspulen 141 der als Kompensationssensor fungierenden zweiten Sensoreinheit 140 der Drehmomenterfassungseinrichtung 1 10 immer unmittelbar über einer jeweils zugeordneten Empfangsspulen 131 der als Messsensor fungierenden ersten Sensoreinheit 130 der Drehmomenterfassungseinrichtung 110 angeordnet sind.
Auf diese Weise misst die erste Sensoreinheit 130 der
Drehmomenterfassungseinrichtung 1 10 das von der Welle 15 getragene
Magnetfeld mit einem besonders hohen Maß an Empfindlichkeit inklusive der Störsignale, wogegen die zweite Sensoreinheit 140 der
Drehmomenterfassungseinrichtung 1 10 diese kombinierten Signale in der gleichen Art und Weise empfängt, jedoch aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Sparschaltung die Störsignalanteile kompensiert.
Zusätzlich ermöglicht diese Vorgehensweise besonders vorteilhaft eine
Differenzbildung der durch die ersten und zweiten Sensoreinheiten 130 und 140 der Drehmomenterfassungseinrichtung 1 10 ausgegebenen Signale,
gegebenenfalls in gewichteter und/oder nachbearbeiteter Form, um so die Störeinflüsse herausfiltern und den durch das beaufschlagende Drehmoment erzeugten Effekt auf das getragene Magnetfeld besonders genau detektieren zu können, und zwar mit dem Ziel, das wirkenden Drehmoment in seinem Wert möglichst genau und störungsfrei zu bestimmen.
Die Figuren 6 bis 8 zeigen verschiedene Ansichten von Ausführungsformen der Oberflächenstruktur 40 auf oder in der Oberfläche 15a der Welle 15, welche dem erfindungsgemäßen Detektionsprinzip zu Drehzahl und Drehwinkel zu Grunde gelegt werden können.
Dabei ist die Darstellung so gewählt, dass die jeweilige Oberflächenstruktur 40 auf der Oberfläche 15a in abgewinkelter Form, also planar erscheint, jeweils entsprechend einem abgewickelten Umfangswinkel oder Abrollwinkel a zwischen 0° bis 360°.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 7 ist die Oberflächenstruktur 40 nach Art einer Rändel mit Erhebungen 42 und Vertiefungen oder Ausnehmungen 43 in der Oberfläche 15a der Welle 15 ausgebildet. Dabei können die Längen der
Erhebungen 42 und/oder der Vertiefungen/Ausnehmungen 43 unterschiedlich gewählt werden, umso eine Kodierung der Position auf der Oberfläche 15 a und somit eine Winkelkodierung in Bezug auf den Umfangswinkel oder Abrollwinkel a bereitzustellen.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 8 besteht die Rändel 41 der
Oberflächenstruktur 40 aus einer linearen Rampe 44 mit einer Endflanke oder Kante 45. Mit einer derartigen Rampe 44 kann über die Rampenhöhe als
Funktion des Winkels a letzterer kodiert werden.
Figur 9 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit 100, und zwar wieder im Zusammenwirken mit einer Drehmomenterfassungseinrichtung 1 10, welche die Erregereinheit 20, 120 stiftet.
Der Darstellung der Figur 9 ist insbesondere zu entnehmen, dass die
erfindungsgemäße Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit 100 zusammen mit der die Erregereinheit 20, 120 stiftenden
Drehmomenterfassungseinrichtung 1 10 mit ersten und zweiten Sensoreinheiten 130, 140 in einem gemeinsamen räumlichen Bereich und insbesondere in einem gemeinsamen Abschirmungen Gehäuse 60 untergebracht sind und dort magnetisch auf die Oberfläche 15a der Kurbelwelle 15 zugreifen, um auf diese Weise einerseits Drehzahl und Drehwinkel und andererseits das auf die Welle 15 wirkende Drehmoment zu erfassen.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Entwicklung eines aktiven Sensors zur Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassung an einer stehenden oder sich drehenden Welle. Beispiele für derartige drehende Wellen sind die
Kurbelwellen von Fahrrädern, Elektrofahrrädern, eBikes, Pedelecs oder dergleichen.
Mit der Erfindung soll insbesondere eine Verbesserung im Hinblick auf die Störanfälligkeit gegenüber der Drehung der Welle, z.B. auf Grund einer nicht idealen Geometrie der Welle 15, Vibrationen, mechanischen und/oder
Temperaturänderungen und dergleichen erreicht werden.
Eine Kernidee der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen einer
Oberflächenstruktur 40, welche auf oder in der Oberfläche 15a der zu Grunde liegenden Welle 15 ausgebildet ist und dazu dient, ein von der Welle 15 inhärent oder aktiv erzeugt getragenes Magnetfeld derart zu modulieren, dass dadurch eine Art Kodierung für den Drehwinkel und/oder für die Drehzahl erfolgt.
Es erfolgt eine aktive magnetische Messung bei niedrigen Arbeitsfrequenzen, insbesondere im Bereich von weniger als 5 kHz, vorzugsweise im Bereich von weniger als 3 kHz.
Eine analoge und/oder digitale Signalverarbeitung dient der besseren
Signalauflösung und der Steigerung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses. Auch ist dort zusätzlich eine Temperaturkompensation möglich.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die zu Grunde liegende Erregereinheit 20 gebildet werden von einer Erregereinheit 120 einer zusammenwirkenden Drehmomenterfassungseinrichtung 1 10, welche insbesondere ausgebildet sein kann mit deckungsgleichen ersten und zweiten Sensoreinheiten 130 bzw. 140.
Die ersten und zweiten Sensoreinheiten 130 und 140 können in diesem
Zusammenhang auch als zwei unabhängige Sensorköpfe, einmal für die
Detektion und einmal für die Kompensation, aufgefasst werden.
Im Zusammenhang mit den Figuren wurden Spulenkerne 121-2, 131-2 und 141-2 mit unterschiedlicher Geometrie an der der Welle 15 zugewandten Seite gezeigt. Diese Seite kann als Endfläche planar, konvex, rund, konisch und/oder lokal der Oberflächenform der Welle 15 angepasst sein, also z.B. konkav nach Art eines Abschnitts oder Ausschnitts des Innenmantels eines Kreiszylinders und konform zum Außenmantel der Welle 15.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Drehmomenterfassungseinrichtung 1 10 können vorgesehen sein:
- eine Erregerspule 21 , 121 in der Mitte,
- vier Sensierungsspulen 131 für die erste Sensoreinheit 130, welche in
Projektion in einem Winkel von 45° von der Wellenachse X gedreht oder verschwenkt angeordnet sind,
- eine elektrische Verschaltung für die erste Sensoreinheit 130 nach Art einer Wheatstoneschen Brücke verschaltet, sowie
- vier elektromagnetische Kompensationspulen in Form von Empfangsspulen 141 für die zweite Sensoreinheit 140, welche räumlich über den Sensierungsspulen 131 und jeweils über demselben Kern 132 wie die Sensierungsspulen 131 angeordnet in einer besonderen Serie-Verbindung.
- Es kann ein Kern mit oder aus einem ferromagnetisches Material ausgebildet sein, der alle Spulen 131 und/oder 141 miteinander verbindet.
- Die Sensierungsspulen 131 erfassen Signale vom Drehmoment und von den Störungen. - Aufgrund der speziellen Verschaltung der Kompensationsspulen 141 nach Art einer Serie-Verbindung erfassen diese die Störungen.
- Über die magnetische Kopplung zwischen den Sensierungsspulen 131 und den Kompensationsspulen 141 erfolgt eine Kompensation der Störungen bereits auf „magnetischer Ebene“, nämlich über eine Gegeninduktion und/oder über den magnetisch vermittelnden und koppelnde gemeinsamen Kern 132, 142 der einander zugeordneten Spulen einen 131 , 141.
- Die separate Drehzahlspule, nämlich die Empfangsspule 31-1 der
Sensoreinheit 30 der erfindungsgemäßen Drehzahl- und/oder
Drehwinkelerfassungseinheit 100 kann neben der Erregerspule 121 der
Erregereinheit 120 der Drehzahl-Erfassungseinrichtung 1 10 auch mit einer eigenen, separaten, getrennten und direkt zur Drehzahl- und/oder
Drehwinkelerfassungseinheit 100 gehörigen Erregerspule 21-1 in Achsenrichtung orientiert ausgebildet sein.
- Diese Drehzahlspule 31-1 misst Schwankungen des Magnetfeldes mit Hilfe einer kodierten Oberfläche 15a auf der Welle 15, zum Beispiel in Form einer kodierten Rändel 41 , die auf der Oberfläche 15a der Welle 15 aufgebracht oder in die Oberfläche 15a eingebracht ist.
- Eine Miniaturisierung der Konstruktion kann weiter optimiert werden, so dass der Flächenbedarf, die für die Erfassung von Störgrößen notwendig ist, auf die gleiche Fläche zusammenfällt, die für die Sensierung des Drehmomentes benötigt wird.
- Außerdem ist durch das Zusammenbringen der Kompensationsspulen 141 und der Sensierungsspulen 131 der Drehmomenterfassungseinrichtung 100 auf einem gemeinsamen Kern 132, 142 die Anzahl der Kerne von 9 auf 5 reduziert. Das spart auch Fläche, Material und Kosten.
- Damit wird die Gesamtgröße des Sensors deutlich kleiner und der Sensor kann leicht in jeder typischen kleinen Umgebung problemlos integriert werden. - Die gesamte Elektronik benötigt ungefähr die gleiche Fläche wie die Sensier- und Kompensationsspulen 131 , 141. Somit entsteht kein zusätzlicher
Flächenbedarf. - Da der gesamte Sensor in modernster Leiterplattentechnologie ausgebildet sein kann, liegen die Genauigkeit der Realisierung und somit geringe
Fertigungstoleranzen im Bereich der Fertigungstoleranzen von Leiterplatten oder Platinen mit dieser Fertigungstechnologie, also im Bereich von mpΊ. Das macht einen Einsatz in einer Serienfertigung attraktiv.
- Optional ist ein Abschirmblech 60 zur Reduktion von EMV-Störungen einsetzbar.

Claims

Ansprüche
1. Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit (100) zur Erfassung einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels einer Kurbelwelle (15) einer mit Muskelkraft und/oder mit Motorkraft antreibbaren Arbeitsvorrichtung oder eines Fahrzeugs (1) um eine Rotationsachse (X) der Kurbelwelle (15),
- welche
- mit einer Oberflächenstruktur (40), welche materiell und/oder magnetisch auf einer Oberfläche (15a) der Kurbelwelle (15) ausgebildet ist, und
- mit einer Sensoreinheit (30), welche zur Erfassung eines von der Welle (15) und der Oberflächenstruktur (40) getragenen Magnetfeldes
ausgebildet ist und
- bei welcher die Oberflächenstruktur (40) als Kodierung für eine Winkelstellung der
Kurbelwelle (15) um die Rotationsachse (X) ausgebildet ist.
2. Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit (100) nach Anspruch 1, bei welcher die Oberflächenstruktur (40) als mechanische Struktur (i) mit einer Abfolge von Erhebungen (42), Vertiefungen (43) und/oder Ausnehmungen, (ii) mit einer Abfolge einer oder mehrerer Rampen (44) mit einer jeweiligen Kante (45) und/oder (iii) als Rändel auf oder in der Oberfläche (15a) der Welle (15) jeweils in einer Umfangsrichtung der Welle (15) ausgebildet ist.
3. Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Sensoreinheit (30) mindestens eine Empfangsspule (31-1) und/oder einen Kern (21-2), insbesondere mit oder aus einem ferromagnetischen Material, aufweist, wobei eine jeweilige Empfangsspule (31-1) als Mess- und/oder Sensierungsspule ausgebildet ist.
4. Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche zur aktiven Erfassung der Drehzahl und/oder des Drehwinkels eingerichtet und dazu insbesondere eine Erregereinheit (20) aufweist, welche zur Beaufschlagung der Welle (15) mit einem - insbesondere zeitlich veränderlichen - Magnetfeld ausgebildet ist.
5. Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit (100) nach Anspruch 4, bei welcher die Erregereinheit (20) einen Erreger (21) aufweist aus oder mit einer Magnetspule (21-1), mit einem Kern (21-2) und/oder mit oder aus einem ferromagnetischen Material.
6. Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit (100) nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher die Erregereinheit (20) als zur Sensoreinheit (30) externe Einheit und/oder als Erregereinheit einer Drehmomenterfassungseinrichtung (110) ausgebildet ist.
7. Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, sofern auf Anspruch 3 rückbezogen, bei welcher die Sensoreinheit (30) und insbesondere eine jeweilige Empfangsspule (31-1) der Sensoreinheit (30) zumindest teilweise als Struktur einer Platine oder Leiterplatte oder einer Mehrzahl davon ausgebildet ist.
8. Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, sofern auf Anspruch 5 rückbezogen, bei welcher die und/oder ein jeweiliger Erreger (21) und insbesondere eine jeweilige Magnetspule (22-1) der Erregereinheit (20) oder des Erregers (21) zumindest teilweise als Struktur einer Platine oder Leiterplatte oder einer Mehrzahl davon ausgebildet ist.
9. Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Auswerte- und Steuereinheit, welche eingerichtet ist,
- von der Sensoreinheit (30) ausgegebene für die erfassten Magnetfelder repräsentative Werte zu empfangen und
- auf der Grundlage der empfangenen Werte den Wert einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels der Welle (15) zu bestimmen.
10. Mit Muskelkraft und/oder oder mit Motorkraft antreibbare Arbeitsvorrichtung, insbesondere Fahrzeug (1), Fahrrad, Elektrofahrrad, eBike, Pedelec oder dergleichen, mit:
- mindestens einem Rad (9-1, 9-2),
- einem Antrieb (80) zum Antreiben des mindestens einen Rades (9-1, 9-2) und
- einer Drehzahl- und/oder Drehwinkelerfassungseinheit (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Erfassung einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels einer Welle (15) des Antriebes (80),
bei welchem auf der Grundlage der erfassten Drehzahl und/oder des erfassten Drehwinkels der Antrieb (80) überwachbar und/oder steuerbar ist.
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