Schwerpunkte

Sensorlösungen für den Automotive-Bereich

Vom Hall-Prinzip profitieren

07. November 2013, 10:50 Uhr   |  von Michael Sammüller und Ellen-Christine Reiff

Vom Hall-Prinzip profitieren
© Novotechnik

Moderne Sensorik leistet heute einen wesentlichen Beitrag beim Umsetzen technischer Innovationen. Dank ihrer Hilfe haben sich in den letzten Jahren sowohl der Kraftstoffverbrauch als auch der Schadstoffausstoß beachtlich vermindert. Oft trifft man in diesen Anwendungen auf kontaktlos arbeitende Weg- oder Winkelsensoren auf Basis des Hall-Effekts.

Ohne den Einsatz ausgefeilter Elektronik- und Sensorlösungen lässt sich der Spagat zwischen Verbrauchsminderung und gleichzeitiger Leistungssteigerung kaum beherrschen. Ohne sie wären heute weder Hybridantriebe noch Doppelkupplungsgetriebe, automatisierte Schaltgetriebe oder die X-by-Wire-Systeme möglich. Diese Anwendungen nutzen oft kontaktlos arbeitende Weg- oder Winkelsensoren auf Basis des Hall-Effekts.
Derartige Sensoren haben eine ganze Reihe typischer Eigenschaften,
die sie für den Automotive-Bereich interessant machen: Sie arbeiten weitgehend alterungsunempfindlich und sind robust gegenüber Feldstärkeschwankungen der Positionsgebermagnete.

Bild 1: Kontaktlose Sensorik nach dem Hall-Prinzip bieten gute Voraussetzungen für Automotive-Anwendungen
© Novotechnik

Bild 1: Kontaktlose Sensorik nach dem Hall-Prinzip bieten gute Voraussetzungen für Automotive-Anwendungen

Hohe Auflösungen bei guter Dynamik, große mechanische Toleranzen bei der Montage und schnelle Umsetzung kundenspezifischer Sonderlösungen sind weitere typische Merkmale dieser Technologie (Bild 1).

Bild 2: Winkelmessung nach dem Hall-Prinzip
© Novotechnik

Bild 2: Winkelmessung nach dem Hall-Prinzip

Dabei ist die prinzipielle Funktionsweise der kontaktlosen und sehr vielseitigen Sensoren einfach zu verstehen.
Wird ein Hall-Element von einem Strom durchflossen, liefert es eine Spannung quer zum Stromfluss, wenn ein Magnetfeld senkrecht zu beiden einwirkt.
Da diese Spannung proportional zur magnetischen Feldstärke verläuft, ist durch Anbringen eines Positionsmagneten auf einer drehbaren Welle oder beweglichen Linearschiene eine berührungslose Winkel- beziehungsweise Wegmessung realisierbar. Die Feldlinienrichtung ändert sich mit dem Abstand zwischen Positionsgeber und Sensor (Bild 2). Durch Kombination mehrerer Sensorelemente und Integration der kompletten Signalverarbeitung in wenigen Bauelementen sind komplexe Sensorsysteme auf kleinstem Bauraum möglich.

Einsatz direkt an Motor und Getriebe

Da zurzeit die Nachfrage nach kontaktlosen Sensoren steigt, wundert es nicht, dass Weg- und Winkelsensoren, die nach dem Hall-Prinzip arbeiten, in vielen Anwendungen gefragt sind. So setzt sich zum Beispiel E-Gas, im Pkw schon seit einigen Jahren eingeführt, nun auch im Zweiradmarkt immer mehr als Standardtechnik durch.
Daher baut der Sensorhersteller Novotechnik sein Sensorprogramm kontinuierlich aus. Ein typisches Beispiel hierfür liefert der redundant ausgeführte Winkelsensor »RSC3200«, der einen elektrischen Messbereich von bis zu 360° abdeckt.

Bild 3: Motorrad-Drosselklappenregelung mit einem Hall-Sensor
© Bing Power Systems

Bild 3: Motorrad-Drosselklappenregelung mit einem Hall-Sensor

Bei der Drosselklappenregelung eines 6-Zylinder-Motorrads ist eine Ausführung mit einem Winkelbereich von 106° im Einsatz (Bild 3). Die Messwerte werden über ein analoges Ausgangssignal ausgegeben, wobei die absolute Linearität des Sensors bei 2% liegt. Im kompakten Sensorgehäuse sind der Positionsgeber und der 6-polige MQS-Kompaktstecker untergebracht, trotzdem ergeben sich Außenabmessungen von lediglich 48 mm x 41 mm x 21 mm. Der MQS-Steckverbinder ist direkt am Gehäuse angespritzt, damit ist eine zuverlässige und weitverbreitete elektrische Schnittstelle vorhanden. 
Die Elektronik des Sensors ist vollständig vergossen und somit unempfindlich gegenüber Vibra-tionen und Umwelteinflüssen, die 
hohen Anforderungen der Schutzklasse IP6K9K sind erfüllt. Für Anwendungen im Bereich Motoren und Getriebe, die nach hoher Genauigkeit verlangen, ist der Sensor gut geeignet. Er wird zudem aufgrund seiner sehr guten EMV-Eigenschaften zur E1-Typgenehmigung angemeldet.
Außer im Motorradsegment haben sich auch im Bereich der All-Terrain-Vehicles (ATV) Anwendungen ergeben, zumal die Montage äußerst einfach ist: Die mechanische Schnittstelle des RSC3200 ist für die Aufnahme einer 6 mm starken D-Welle ausgeführt, die zugleich für die exakte Lagerung des Signalgebers (Magnet) im Sensor verantwortlich ist. Dank der zwei am Gehäuse eingespritzten Messingbuchsen lässt sich der Sensor zuverlässig befestigen. Der Sensor ist für den Temperaturbereich von -40 °C bis +125 °C spezifiziert.
Im praktischen Einsatz bewährt hat sich auch der berührungslose Winkelgeber »RSC6600«, der mit (werkseitig) programmierbaren Messbereichen bis 360° arbeitet. Auch dieser Sensortyp hat den magnetischen Positionsgeber und einen 3-poligen Kompaktstecker als elektrische Schnittstelle integriert. Sein Anwendungsgebiet reicht von der Erkennung der Gangwahlanzeige bei geländegängigen Fahrzeugen über Motorschlittenfahrzeuge bis hin zu marinen Einsatzzwecken. Die Messelektronik des Sensors ist in einem stabilen Kunststoffgehäuse untergebracht und lässt sich mit zwei Befestigungslaschen zum Beispiel direkt am Getriebe montieren. Der Sensor ist vibrationsbeständig und in einem Einsatzbereich zwischen -40 °C und +140 °C einsetzbar. Die Schutzart reicht bis IP67.

Bild 4: Diese kundenspezifische Entwicklung wird ab 2014 zum Standardprogramm gehören. Anlass für die Entwicklung war die Lagebestimmung der Schaltwalze in einem Zweiradgetriebe.
© Novotechnik

Bild 4: Diese kundenspezifische Entwicklung wird ab 2014 zum Standardprogramm gehören. Anlass für die Entwicklung war die Lagebestimmung der Schaltwalze in einem Zweiradgetriebe.

Ein wichtiges Augenmerk legt der Hersteller auf kundenspezifische Entwicklungen. Als Beispiel kann hier der berührungslose Winkelsensor der Serie »RSC3100« (

Bild 4

) gelten, der ebenfalls nach dem Hall-Prinzip arbeitet und ab 2014 zum Standardprogramm gehören wird. 


Anlass für seine Entwicklung war die Lagebestimmung der Schaltwalze in einem Zweiradgetriebe: Der Sensor deckt ebenfalls einen Winkelbereich von 360° ab und ist für die Aufnahme einer 8 mm starken D-Welle ausgelegt. Im Sensorgehäuse sind der Positionsgeber des Hall-Sensors und eine 3-polige Steckverbindung integriert. Inklusive der beiden seitlich angebrachten Anschraublaschen baut dieser Sensor mit Außenabmessungen von 47 mm Länge, 46 mm Breite und 24 mm Höhe recht kompakt. Der Temperaturbereich, der durch die Verwendung einer speziellen Materialkombination erreicht wurde, geht von -30 °C bis +150 °C. Vergussmasse umschließt die Elektronik und macht sie unempfindlich gegen Medieneinflüsse, die Schutzklasse des Sensors beträgt IP67. Am Ausgang stellt der Sensor den Messwert als digitales PWM-Signal (Puls-Weiten-Modulation) zur Verfügung.

Zwei Sensortypen in einer Gehäuseform

Bild 5: Dieser berührungslose Hall-Sensor lässt sich entweder als linearer oder rotativer Messaufnehmer einsetzen
© Novotechnik

Bild 5: Dieser berührungslose Hall-Sensor lässt sich entweder als linearer oder rotativer Messaufnehmer einsetzen

Ein weiteres Beispiel für eine kundenspezifische Entwicklung ist ein berührungsloser Hall-Sensor, der sich entweder als linearer oder rotativer Messaufnehmer (»TFC3001« bzw. »RFB3001«) einsetzen lässt (

Bild 5

). Der externe Positionsgeber wird dazu entweder auf der sich drehenden Welle oder auf einer linear bewegten Achse angebracht. Je nach notwendiger Signalstärke stehen verschiedene Positionsgeber in unterschiedlichen Bauformen und -größen bereit. Im linearen Einsatz kann der TFC3001 Weglängen von 5 mm bis 30 mm messen, bei rotativen Applikationen ist ein programmierbarer Winkelbereich bis 360° möglich. Der Sensor selbst ist 17 mm lang, 38 mm breit und 9 mm hoch und lässt sich auch bei engen Einbauverhältnissen montieren. Die zwei seitlich angebrachten Laschen für M3-Schrauben sollen für eine solide und zugleich einfache Montage sorgen.

Da die Weg- und Winkelsensoren auch transmissiv messen können, zum Beispiel durch eine nichtmagnetische Gehäusewand hindurch, ist das Einsatzspektrum der Sensoren breit gefächert. Die Anwendungen reichen von Weg- und Winkelmessungen im Antriebsstrang beispielsweise an Vergaser, Drosselklappe und Getriebe bis hin zur Winkelmessung in Kfz-Faltdächern.

Über die Autoren:

Michael Sammüller ist Produktmanager Automotive Sensoren bei Novotechnik und Ellen-Christine Reiff schreibt für das Redaktionsbüro Stutensee.

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