• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Es wird eine Positionssensoranordnung mit einem weichmagnetischen, lang gestreckten Kern (10) vorgeschlagen, auf dem eine durch eine Wechselspannung beaufschlagbare Primärspule (L2) sowie zwei voneinander beabstandete, in Reihe geschaltete, gegengepolte Sekundärspulen (L1, L3) angeordnet sind. Ein Messobjekt (15) weist einen den Kern (10) an der jeweiligen Position sättigenden Permanentmagneten (16) auf und bewegt sich in einer Relativbewegung entlang des Kerns (10). Eine Auswerteeinrichtung (18) ist wenigstens zur Erfassung der in den Sekundärspulen (L1, L3) induzierten Differenzspannung vorgesehen. Der lang gestreckte Kern (10) besteht aus zwei parallelen, lang gestreckten Kernlängsbereichen (11, 12), von denen einer (11) die Spulen (L1-L3) trägt, wobei die lang gestreckten Kernlängsbereiche (11, 12) an ihren Enden unter Bildung eines geschlossenen Kerns durch Querbereiche (13, 14) miteinander verbunden sind. Durch den geschlossenen Kern können Nebenmaxima außerhalb des aktiven Sensorbereichs verhindert oder deutlich reduziert werden, und die Empfindlichkeit des Sensors erhöht sich bei gleichem Kernquerschnitt.
    公开号:DE102004016622A1
    申请号:DE200410016622
    申请日:2004-04-03
    公开日:2005-10-27
    发明作者:Albert Dr.-Ing. Kiessling
    申请人:Festo AG and Co KG；
    IPC主号:G01B7-02
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft eine Positionssensoranordnung mit einem weichmagnetischen,langgestreckten Kern, auf dem eine durch eine Wechselspannung beaufschlagbarePrimärspulesowie zwei voneinander beabstandete, in Reihe geschaltete, gegengepolteSekundärspulenangeordnet sind, mit einem entlang des Kerns in einer Relativbewegungbewegbaren Messobjekt, das einen den Kern an der jeweiligen PositionsättigendenPermanentmagneten aufweist, wobei eine Auswerteeinrichtung wenigstenszur Erfassung der in den Sekundärspuleninduzierten Differenzspannung vorgesehen ist.
    [0002] Einederartige, aus der DE44 259 04 A1 bzw. der korrespondierenden US 5781006 bekannte Positionsanordnungbesitzt einen langgestreckten, stabförmigen Magnetkern, dessen Länge derLänge derPrimärspuleentspricht. Die beiden Sekundärspulensind auf der Primärspulean deren entgegengesetzten Endbereichen angeordnet.
    [0003] Nachteiligan der bekannten Anordnung ist zum einen die große Totlänge des Sensors, das heißt, dieeffektive Messlängebezogen auf die Sensorlängeist relativ gering. Als weiterer gravierender Nachteil hat sichdie Empfindlichkeit auf Nebenmaxima herausgestellt, die sich außerhalbdes aktiven Sensorbereichs befinden und deren Messsignale sich vomNutzmesssignal im Sensorbereich nicht unterscheiden lassen. DieNebenmaxima entstehen durch die Empfindlichkeit auf negative axialeFeldkomponenten und durch die Unempfindlichkeit auf radiale Feldkomponenten.
    [0004] EineAufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einer Positionssensoranordnung dereingangs genannten Gattung die effektive Messlänge bezogen auf die Sensorlänge zu vergrößern undNebenmaxima außerhalbdes aktiven Sensorbereichs zu verhindern oder möglichst weitgehend zu reduzieren.
    [0005] DieseAufgabe wird erfindungsgemäß dadurchgelöst,dass der langgestreckte Kern aus zwei parallelen, langgestrecktenKernlängsbereichenbesteht, von denen einer die Spulen trägt, und dass die langgestrecktenKernlängsbereichejeweils an ihren Enden unter Bildung eines geschlossenen Kerns durchQuerbereiche miteinander verbunden sind.
    [0006] Dergeschlossene Kern hilft in vorteilhafter Weise die bisher beim Standder Technik vorhandenen Nebenmaxima zu unterdrücken, da er gleichermaßen empfindlichist fürdie axiale wie die radiale Feldkomponente des Permanentmagneten.Die Spannung überder Primärspulebildet somit ein zuverlässigesBereichs-Kriterium, mit dessen Hilfe Doppeldeutigkeiten im Messsignalder Spulen ausgeschlossen werden können. Ein weiterer Vorteilbesteht darin, dass sich durch die höhere effektive Permeabilität im geschlossenenKern die Empfindlichkeit des Sensors bei gleichem Kernquerschnitterhöht.
    [0007] Schließlich wirdnoch erreicht, dass sich die effektive Messlänge bezogen auf die Sensorlänge vergrößert.
    [0008] Durchdie in den UnteransprüchenaufgeführtenMaßnahmensind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch1 angegebenen Positionssensoranordnung möglich.
    [0009] Dergeschlossene Kern ist zweckmäßigerweiseals langgestreckter Rechteckkern ausgebildet.
    [0010] Eineweitere Vergrößerung dereffektiven Messlängebezogen auf die Sensorlängewird dadurch erreicht, dass die Bewegungsbahn des Messobjekts entlangdes keine Spulen aufweisenden Kernlängsbereichs verläuft, wobeider die Spulen tragende andere Kernlängsbereich von der Bewegungsbahnabgewandt ist.
    [0011] Alsvorteilhaft hat es sich auch erwiesen, wenn die Primärspule inder Längsrichtungdes Kerns zwischen den beiden Sekundärspulen angeordnet ist.
    [0012] Ineiner bevorzugten Auslegung ist eine den Kern durch das magnetischeWechselfeld in die Näheder Sättigungsinduktiondes Kernmaterial treibende Windungszahl der Primärspule, Fre quenz und Amplitudedes Wechselstroms vorgesehen, wobei die Frequenz vorzugsweise zwischen10 kHz und 200 kHz beträgt.Dabei sollen sich die Verluste in Grenzen halten und die Reaktionszeitder Sensoranordnung in der Größenordnungvon ca. 1 ms verbleiben.
    [0013] ZurVorgabe des Messbereichs ist die Auswerteeinrichtung in vorteilhafterWeise auch zur Erfassung der Spannung über der Primärspule ausgebildet,wobei das Über-oder Unterschreiten einer vorgebbaren Schwellspannung durch dieMessspannung den Messbereich begrenzt.
    [0014] Ineiner vorteilhaften konstruktiven Ausgestaltung ist der als Rechteckkernausgebildete Kern aus U-Kernen zusammengesetzt, wobei die langgestrecktenU-Schenkel aneinanderliegen und die Querschenkel die beiden entgegengesetztenQuerbereiche bilden. Dadurch wird eine Verkleinerung der Wirbelstromverlustebewirkt sowie eine Erhöhung dergemessenen Spannungen an der Primärspule und Sekundärspule.
    [0015] Umdie einzelnen Kerne gegeneinander zu isolieren, sind diese zweckmäßigerweisemit einer Isolierschicht, insbesondere einem Isolierlack, überzogen.Der Kernquerschnitt der einzelnen U-Kerne sollte kleiner als 1,5mm sein.
    [0016] ZurFixierung der U-Kerne aneinander werden die die beiden Kernlängsbereichebildenden U-Kerne zum einen durch einen Spulenkörper und zum anderen durchein insbesondere als Schrumpfschlauch ausgebildetes Halteelementzusammengehalten.
    [0017] DiePositionssensoranordnung hat sich als besonders zur Positionserfassungdes angetriebenen Elements eines Linearantriebs geeignet erwiesen,wobei der Kern in einer Längsnutam Gehäuse desLinearantriebs und der Permanentmagnet am angetriebenen Elementdes Linearantriebs angeordnet ist.
    [0018] EinAusführungsbeispielder Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibungnäher erläutert. Eszeigen:
    [0019] 1 eineschematische Darstellung der Positionssensoranordnung als Ausführungsbeispiel derErfindung,
    [0020] 2 dieDarstellung der konstruktiven Ausbildung eines Kerns, der aus U-Kernenzusammengesetzt ist,
    [0021] 3 einSignaldiagramm zur Erläuterung derSpannungsverhältnissean der Primärspuleund
    [0022] 4 einSignaldiagramm zur Erläuterung derSpannungsverhältnissean den Sekundärspulen.
    [0023] Diein 1 dargestellte Positionssensoranordnung besitzteinen langgestreckten, rechteckförmigenKern 10 aus weichma gnetischem Material, beispielsweisekristallinem, amorphem oder ferritischem Material. Der rechteckförmige Kern 10 bestehtaus zwei langgestreckten, parallelen Kernlängsbereichen 11, 12 undzwei diese an den Endbereichen verbindenden, wesentlich kürzeren Querbereichen 13, 14.Auf dem einen Kernlängsbereich 11 sindmittig eine PrimärspuleL2 und an den beiden Endbereichen zwei Sekundärspulen L1 und L3 angeordnet.Entlang dem nicht mit den Spulen L1 bis L3 versehenen Kernlängsbereich 12 istein Messobjekt 15 verfahrbar, dessen Position bestimmtwerden soll. Das Messobjekt 15 ist beispielsweise der Kolbeneines Arbeitszylinders oder ein sonstiges angetriebenes Teil einesLinearantriebs. Das Messobjekt 15 trägt einen Permanentmagneten 16.
    [0024] DiePrimärspuleL2 wird von einer Wechselstromquelle 17 beaufschlagt, wobeidie Windungszahl der PrimärspuleL2 sowie die Frequenz und Amplitude des Wechselstroms der Wechselstromquelle 17 sogewähltwerden, dass das magnetische Wechselfeld den Kern 10 indie Näheder Sättigungsinduktiondes Kernmaterials treibt, dass sich jedoch andererseits die Verlustein Grenzen halten und die Reaktionszeit der Positionssensoranordnungin der Größenordnungvon ca. 1 ms bleibt. Typische Frequenzen hierzu sind 10 bis 200kHz.
    [0025] Ineiner Auswerteeinrichtung 18, in der im Ausführungsbeispielauch die Wechselstromquelle 17 enthalten ist, werden diePrimärspannungU1 und die SekundärspannungU2 gemessen.
    [0026] DieAuswertung wird im Folgenden anhand der in den 3 und 4 dargestelltenDiagramme erläutert.
    [0027] Nähert sichdas Messobjekt 15 mit dem Permanentmagneten 16 demKern 10, so wird dieser lokal gesättigt. Es bilden sich Streuluftfelderaus, die den magnetischen Wechselfluss im Kern verändern undverzerren. Gleichzeitig erhöhensich die Gesamtverluste, sodass sich die Spannung U1 über derPrimärspuleL2 bei eingeprägtemStrom verringert. Dieser Spannungsabfall wird erfindungsgemäß dazu benutzt,die Anwesenheit des Messobjekts 15 zu detektieren. Dabeihilft der geschlossene Kern, die bisher beim Stand der Technik vorhandenenNebenmaxima zu unterdrücken,da er gleichermaßenempfindlich ist auf die axiale wie auf die radiale Feldkomponente desPermanentmagneten 16. Die gestrichelten Linien zeigen dieNebenmaxima bei der eingangs genannten bekannten Anordnung, dieerfindungsgemäß unterdrückt werden,wie aus 3 hervorgeht. Die Spannung U1 über derPrimärspuleL2 dient als zuverlässigesKriterium, den Messbereich festzulegen. Hierzu wird eine SchwelleS festgelegt, wobei deren Unterschreiten durch die Spannung U1 denMessbereich M definiert. Bei den bekannten Anordnungen müsste dieseSchwellspannung S wesentlich niedriger gelegt werden, um zu verhindern,dass die Nebenmaxima Fehlsignale erzeugen. Dies würde den Messbereichverringern.
    [0028] Durchdie Erregung der mittleren PrimärspuleL2 und die Wechselstromquelle 17 wird im geschlossenenKern 10 ein magneti scher Fluss erzeugt, welcher durch diebeiden äußeren SekundärspulenL1 und L3 gemessen wird. Die beiden Sekundärspulen L1 und L3 sind gegensinniggepolt, sodass die SekundärspannungU2 in der Mittelstellung des Permanentmagneten 16 (Position2) zu null wird. Außerhalbder Mitte entsteht eine von null verschiedene Spannung U2, die außerdem zurPrimärspannung U1phasenverschoben ist. Die Phasenverschiebung kommt dadurch zustande,dass, wenn sich der Permanentmagnet 16 zum Beispiel auf der rechtenSeite des Kerns 10 befindet (Position 3), dieser an dieser Stelledurch die lokale Sättigungaufgetrennt wird. Dadurch fließtder Großteildes magnetischen Flusses durch die linke Sekundärspule L1. Bewegt sich derMagnet nun zur mittleren Position 2, so sind beide Magnetflüsse in denSpulen L1 und L3 gleichgroß undheben sich durch die Gegenpolung auf. Bei einer weiteren Verschiebungzur Position 1 hin kehren sich die Verhältnisse um, und es fließt mehrStrom durch die SekundärspuleL3. Dadurch entsteht gemäß 4 einnahezu lineares Wegsignal innerhalb des Messbereichs M. Die Empfindlichkeitder Sensoranordnung lässtsich an die Stärkedes Magnetfeldes des Permanentmagneten 16 durch die Wahlder Erregerstromamplitude anpassen, indem das innere Magnetfeldbei nicht vorhandenem äußerem Magnetfeldgerade unterhalb der Sättigungsgrenzegehalten wird. Je geringer der Abstand zur Sättigungsgrenze, desto höher istdie Empfindlichkeit auf äußere Felder. DieSpannung U2 ist gemäß obigerBeschreibung innerhalb des Messbereichs M linear abhängig vonder Position des Permanentmagneten 16 und dient somit alsPositionssignal fürdiesen.
    [0029] In 2 istder konstruktive Aufbau des Kerns 10 dargestellt. Er bestehtaus zwei langen, schmalen U-Kernen 19, 20, diegegenseitig so angeordnet sind, dass ihre U-Schenkel jeweils aneinanderliegenund die beiden Kernlängsbereiche 11, 12 bilden,wobei die Querschenkel jeweils die beiden entgegengesetzten Querbereiche 13, 14 bilden.Die U-Schenkel der U-Kerne 19, 20 werden einerseits durcheinen Spulenkörper 21 undandererseits durch einen Schrumpfschlauch 22 zusammengehalten. Prinzipiellkann auch ein Schrumpfschlauch als Spulenkörper dienen, oder es werdenzwei spulenkörperartigeFixierelemente fürdie Fixierung der U-Schenkel aneinander verwendet. Der Kernquerschnittder U-Kerne 19, 20 kann beispielsweise 1 mm betragen, wobeiauch eine größere Zahlvon U-Kernen 19, 20 verwendet werden kann, beispielsweisesechs oder acht, wobei sich dann der Kernquerschnitt der einzelnenU-Kerne verringert. Eine möglicheRealisierung eines solchen geschlossenen Kerns 10 benutztbeispielsweise sechs U-Kerne mit einem Kernquerschnitt von 0,4 mm.Der Kernquerschnitt hängtnicht zuletzt auch von der Gesamtdimensionierung der Positionssensoranordnungab.
    [0030] Dieeinzelnen U-Kerne 19, 20 werden bei der Montagemit einem Schutzlack oder einer anderen Isolierschicht überzogen,um sie gegeneinander zu isolieren. Hierdurch können die Wirbelstromverluste reduziertwerden.
    [0031] Diebeschriebene Positionssensoranordnung kann beispielsweise zur Positionserkennung desKolbens in einem Zylinder eingesetzt werden oder zur Positionserkennungeines anderen angetriebenen Elements eines Linearantriebs. Prinzipiellsind alle Anwendungen möglich,bei denen ein mit einem Permanentmagneten versehenes Element entlang einerBahn bewegt wird.
    [0032] Für den Anwendungsfallbei einem Zylinder wird der mit den Spulen aus L1 bis L3 versehenegeschlossene Kern 10 beispielsweise in einer nach außen offenenNut des Zylindergehäusesangeordnet, wobei der nicht mit den Spulen L1 bis L3 versehene Kernlängsbereich 12 radialnach innen weist und entsprechend der andere Kernlängsbereich 11 radial nachaußen.Der Permanentmagnet 16 wird am Kolben angebracht. Die inden 3 und 4 dargestellten Kurvenverläufe stellendie Verhältnissedar, bei denen der Abstand zwischen der Bewegungsbahn des Permanentmagneten 16 unddem Kernlängsbereich 12 3mm beträgt.Dabei wurde eine Wechselstromquelle von 70 mA bei einer Frequenz von40 kHz verwendet.
    权利要求:
    Claims (11)
    [1] Positionssensoranordnung mit einem weichmagnetischen,langgestreckten Kern (10), auf dem eine durch eine Wechselspannungbeaufschlagbare Primärspule(L2) sowie zwei voneinander beabstandete, in Reihe geschaltete,gegengepolte Sekundärspulen(L1, L3) angeordnet sind, und mit einem entlang des Kerns (10)in einer Relativbewegung bewegbaren Messobjekt (15), daseinen den Kern (10) an der jeweiligen Position sättigendenPermanentmagneten (16) aufweist, wobei eine Auswerteeinrichtung(18) wenigstens zur Erfassung der in den Sekundärspulen(L1, L3) induzierten Differenzspannung vorgesehen ist, dadurchgekennzeichnet, dass der langgestreckte Kern (10) auszwei parallelen, langgestreckten Kernlängsbereichen (11, 12)besteht, von denen einer (11) die Spulen (L1-L3) trägt, unddass die langgestreckten Kernlängsbereiche(11, 12) jeweils an ihren Enden unter Bildungeines geschlossenen Kerns durch Querbereiche (13, 14)miteinander verbunden sind.
    [2] Positionssensoranordnung nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass der Kern (10) als Rechteckkern ausgebildetist.
    [3] Positionssensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsbahn des Messobjekts (15)entlang des keine Spulen aufweisenden Kernlängsbereichs (12) verläuft, unddass der die Spulen (L1-L3) tragende Kernlängsbereich (11) vonder Bewegungsbahn abgewandt ist.
    [4] Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule (L2) in der Längsrichtung desKerns (10) zwischen den beiden Sekundärspulen (L1, L2) angeordnetist.
    [5] Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass (10)eine den Kern durch dasmagnetische Wechselfeld in die Näheder Sättigungsinduktiondes Kernmaterial treibende Windungszahl der Primärspule (L2), Frequenz und Amplitudedes Wechselstroms vorgesehen ist, wobei die Frequenz vorzugsweisezwischen 10 kHz und 200 kHz beträgt.
    [6] Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (18)auch zur Erfassung der Spannung (U1) über der Primärspule (L2)ausgebildet ist, wobei das Über-oder Unter schreiten einer vorgebbaren Schwellspannung (S) durchdie Messspannung (U1) den Messbereich begrenzt oder definiert.
    [7] Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass der als Rechteckkern ausgebildete Kern (10)aus U-Kernen (19, 20) zusammengesetzt ist, wobeidie langgestreckten U-Schenkel aneinanderliegen und die Querschenkeldie beiden entgegengesetzten Querbereiche (13, 14)bilden.
    [8] Positionssensoranordnung nach Anspruch 7, dadurchgekennzeichnet, dass der Kernquerschnitt der einzelnen U-Kerne kleinerals 1,5 mm ist.
    [9] Positionssensoranordnung nach Anspruch 7 oder 8,dadurch gekennzeichnet, dass die U-Kerne (19, 20)mit einer Isolierschicht, insbesondere einem Isolierlack, überzogensind.
    [10] Positionssensoranordnung nach einem der Ansprüche 7 bis9, dadurch gekennzeichnet, dass die die beiden Kernlängsbereichebildenden Schenkel der U-Kerne (19, 20) zum einendurch einen Spulenkörper(21) und zum anderen durch ein insbesondere als Schrumpfschlauch(22) ausgebildetes Halteelement zusammengehalten werden.
    [11] Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehendenAnsprüche,gekennzeichnet durch die Anordnung des Kerns (10) in einerLängsnutam Gehäusedes Linearantriebs, wobei der Permanentmagnet (16) am angetriebenenElement des Linearantriebs angeordnet ist.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004016622B4|2008-11-27|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-10-27| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2008-09-25| 8127| New person/name/address of the applicant|Owner name: FESTO AG & CO. KG, 73734 ESSLINGEN, DE |
    2009-05-28| 8364| No opposition during term of opposition|
    2011-02-17| 8339| Ceased/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE200410016622|DE102004016622B4|2004-04-03|2004-04-03|Positionssensoranordnung|DE200410016622| DE102004016622B4|2004-04-03|2004-04-03|Positionssensoranordnung|
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