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    • 专利摘要:
    Bei einer Vorrichtung zur Erfassung der Lage eines Messobjekts, an welchem ein Permanentmagnet so angebracht ist, dass dieser durch Lageänderung des Messobjekts berührungslos entlang eines mit einer wechselstromgespeisten Erregerspule und zwei Sekundärspulen umwickelten Magnetkerns bewegt wird und abhängig von seiner Position den Streufluss des Systems so beeinflusst, dass die Differenz der in den Sekundärspulen induzierten Spannungen ein Maß für die Position des Permanentmagneten darstellt, besteht der Magnetkern ganz oder teilweise aus magnetoelastischem Material, ist der Magnetkern mechanisch so mit dem Messobjekt verbunden, dass durch Krafteinwirkung auf das Messobjekt eine mechanische Spannung in dem Magnetkern erzeugt und dessen magnetische Permeabilität verändert wird, und stellt die Summe der in den Sekundärspulen induzierten Spannungen ein Maß für die mechanische Spannung im Magnetkern dar.
    公开号:DE102004026415A1
    申请号:DE102004026415
    申请日:2004-05-29
    公开日:2005-12-15
    发明作者:Christoph Limbach
    申请人:Bayerische Motoren Werke AG；
    IPC主号:G01B7-02
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Lage einesMessobjekts, an welchem ein Permanentmagnet so angebracht ist, dassdieser durch Lageänderungdes Messobjekts berührungslosentlang eines mit einer wechselstromgespeisten Erregerspule undzwei Sekundärspulenumwickelten Magnetkerns bewegt wird und abhängig von seiner Position denStreufluss des Systems so beeinflusst, dass die Differenz der inden Sekundärspuleninduzierten Spannungen ein Maß für die Positiondes Permanentmagneten darstellt.
    [0002] Ausder DE-OS 23 25 752 istein Wegaufnehmer bekannt, bei dem die Position eines mit einem Messobjektverbundenen Permanentmagneten in Längsrichtung einer über einenferromagnetischen Kern gewickelten wechselstromgespeisten Erregerspulebestimmt wird. Der Permanentmagnet erzeugt in dem ferromagnetischenKern eine als virtueller Luftspalt wirkende lokale Sättigungund verursacht somit eine Aufteilung des magnetischen Flusses in zweiMagnetkreise, die jeweils nur von einem durch die Position des Magnetendefinierten Teil der Erregerspule erregt werden. In jedem der beidenMagnetkreise befindet sich eine Sekundärspule, deren induzierte Spannungsomit durch die Position des Permanentmagneten beeinflusst wird.Aus den Werten der in den beiden Sekundärspulen induzierten Spannungen,im Wesentlichen aus deren Differenz, kann die Position des Permanentmagnetenbestimmt werden. Durch auf diesem Prinzip beruhende Messanordnungen,häufigkurz als PLCD-Sensoren (permanent magnet linear contactless displacement)bezeichnet, könnenausschließlichWeg- oder Winkelsignalegemessen werden. Weitere nach ähnlichemPrinzip ausgeführteMessanordnungen werden in EP0 238 922 B1 und DE44 25 903 C1 beschrieben.
    [0003] ZahlreicheAnwendungen, etwa die Lageregelung eines aktuierten Objektes, welches äußeren Störkräften ausgesetztist, oder eine intelligente Bremsvorrichtung, die neben einer Bewegungeines Objekts auch deren Ursache detektieren soll (z. B. eine intelligenteTürbremsean einem Kraftfahrzeug), erfordern sowohl die Erfassung eines Lagesignals alsauch die Erfassung eines Kraft- oder Drehmomentensignals. Zu diesemZweck wurde etwa in der DE198 39 412 A1 ein magnetoelastischer Kraftmesser vorgestellt,in dessen Inneres ein Winkelmesser integriert ist. Die Funktionalität beiderSensorkomponenten ist dabei aber durch unterschiedliche Elementeder Gesamtanordnung realisiert, weshalb die Erfassung beider Signalartenmit einem höherenMaterial-, Entwicklungs- und Integrationsaufwand einhergeht alsdie Erfassung nur eines Signals der beiden genannten Signalarten.Ein kombiniertes Kraft- und Positionssensorsystem, welches aus zweigroßteils unabhängigen Teilsystemenzusammengesetzt ist und somit ebenfalls die beschriebenen Nachteileaufweist, ist auch aus der WO 02/23135 A1 bekannt.
    [0004] Aufgabeder Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erfassung sowohl einesLagesignals als auch eines Kraftsignals zu schaffen, die eine möglichstgeringe Erhöhungdes Material-, Entwicklungs- und Integrationsaufwands gegenüber einerVorrichtung zur Erfassung nur eines Lagesignals aufweist.
    [0005] Unterdem Begriff eines Lagesignals ist dabei im Folgenden wahlweise einRotationswinkel oder eine translatorische Verschiebung zu verstehen, durchwelche die Lage eines Messobjekts im Raum oder bezogen auf ein anderesObjekt gekennzeichnet ist. Unter dem Begriff eines Kraftsignalsist im Fogenden wahlweise eine auf ein Messobjekt wirkende physikalischeKraft oder ein auf ein Messobjekt wirkendes physikalisches Drehmomentzu verstehen.
    [0006] Gelöst wirddie Aufgabe durch die Ausstattung eines Lageaufnehmers nach bekanntemPrinzip mit einem Magnetkern aus magnetoelastischem Material, dergleichzeitig als kraftübertragendesElement fungiert, sowie eine veränderteAuswertung der in den Sekundärspuleninduzierten Spannungssignale.
    [0007] Ineiner erfindungsgemäßen Vorrichtung wirdein Lageaufnehmer gemäß dem Standder Technik um die Funktionalitäteines Kraftaufnehmers erweitert, indem der Magnetkern des Lageaufnehmers ganzoder teilweise in magnetoelastischem Material ausgeführt wird,indem die mechanische Gesamtanordnung so gewählt wird, dass die zu erfassendeauf das Messobjekt wirkende Kraft so auf den Magnetkern übertragenwird, dass in diesem eine annähernd inLängsrichtungwirkende mechanische Spannung erzeugt wird, und indem zur Bestimmungder Kraft die Summe der in den Sekundärspulen induzierten Spannungswerteausgewertet wird.
    [0008] DerVorteil einer erfindungsgemäßen Vorrichtungliegt somit darin, dass die kombinierte Messfunktion gemäß der Aufgabenstellungohne die Verwendung zusätzlichermechanischer Bauteile gegenübereinem Lageaufnehmer gemäß dem Standder Technik realisiert werden kann.
    [0009] Dieerfindungsgemäße Umgestaltungeines Lageaufnehmers gemäß dem Standder Technik beruht auf dem aus der EP0 070 442 bekannten Prinzip eines magnetoelastischen Kraftgebers.Dabei beeinflusst die durch mechanische Spannungen infolge einerKrafteinwirkung auf einen magnetoelastischen Magnetkern veränderte magnetischePermeabilität desMagnetkern-Materials die in einer Sekundärspulenanordnung induziertenSpannungswerte. Aus diesen Spannungswerten kann das auf das Elementeinwirkende Kraftsignal bestimmt werden. Ein Hinweis auf die Möglichkeiteiner Anwendung dieses Messprinzips zur Erweiterung der Funktionalität einesLageaufnehmers ist der Patentliteratur nicht zu entnehmen.
    [0010] Dasich die erfindungsgemäße Ausführung desMagnetkerns ganz oder teilweise in magnetoelastischem Material fertigungstechnischleicht berücksichtigenlässt,wird der Materialaufwand gegenüberder Erfassung nur eines Lagesignals nur minimal erhöht. Da dieprinzipielle Messanordnung des Lageaufnehmers unverändert erhaltenbleibt, ist gegenüberder Erfassung nur eines Lagesignals kein zusätzlicher mechanischer Integrationsaufwandzu leisten. Auch die Wahl der mechanischen Gesamtanordnung so, dassder Magnetkern des Lageaufnehmers als kraftübertragendes Element wirkt,ist in den meisten Anwendungen, in denen eine erfindungsgemäß kombinierteLage- und Kraftmessung wünschenswertist, ohne oder mit sehr geringem Entwicklungsaufwand gegenüber derErfassung nur eines Lagesignals möglich. Zur Bestimmung der aufdas Messobjekt wirkenden Kraft muss lediglich die Summe der in denSekundärspuleninduzierten und ohnehin abgegriffenen Spannungswerte ausgewertetwerden. Die auf der Auswertung einer relativen Differenz der inden Sekundärspuleninduzierten Spannungswerte beruhende Funktionalität des Lageaufnehmers wirdhiervon nicht beeinträchtigt.
    [0011] Besonderseinfach ist die zusätzlicheFunktionalitätder Kraftmessung in Systeme einzubringen, in denen der Magnetkerneines Lageaufnehmers bereits vor dem Einbringen als kraftübertragendesElement fungiert. Hierzu muss lediglich der Magnetkern ganz oderteilweise in magnetoelastischem Material ausgeführt werden und die Summe derin den Sekundärspuleninduzierten Spannungen entsprechend ausgewertet werden.
    [0012] Einweiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch eine erfindungsgemäße Vorrichtungkein zusätzlicherBauraum gegenübereiner Vorrichtung zur ausschließlichenMessung eines Lagesignals beansprucht wird, wodurch in beengtenräumlichenVerhältnissenunter Umständenerst die kombinierte Messung sowohl eines Lagesignals als auch eines Kraftsignalsermöglichtwird.
    [0013] Anhandder beigefügtenZeichnungen ist die Erfindung weiter erläutert. Dabei zeigt
    [0014] 1 einePrinzipskizze einer intelligenten Türbremse für ein Kraftfahrzeug, die einerfindungsgemäßes kombiniertesLage- und Kraftaufnehmersystem enthält, und
    [0015] 2 dieEin- und Ausgangsgrößen einer Auswerteschaltungfür einerfindungsgemäßes kombiniertesLage- und Kraftaufnehmersystem.
    [0016] 1 zeigteine Prinzipskizze einer intelligenten Türbremse für ein Kraftfahrzeug, die einerfindungsgemäßes kombiniertesLage- und Kraftaufnehmersystem enthält, durch welches ein für den Öffnungswinkelder Türstehendes Wegsignal und ein Kraftsignal, welches für durcheventuelle Benutzereingriffe oder äußere Störeinflüsse erzeugte Drehmomente aufdie Türsteht, gemessen werden.
    [0017] Inder mechanischen Anordnung der Türbremsebesitzen die Tür 1 undder Türhebel 2 unterschiedlicheDrehachsen an der Karosserie 3. Dadurch ergibt sich beim Öffnen undSchließender Tür eineRelativbewegung zwischen Tür 1 undTürhebel 2.Gleichzeitig kann durch einen hier nicht näher in seiner Funktionsweisebetrachteten türfestenBremsaktor 4 zwischen Tür 1 undTürhebel 2 eineKraft aufgebracht werden, die ein Halte- oder Bremsmoment auf dieTür 1 bedingt.Auf den Türhebel 2 wirktdiese Kraft stets annäherndin dessen Längsrichtung.
    [0018] DasWegaufnehmersystem beinhaltet eine Erregerspule 5 und zweiSekundärspulen 6, 7,die alle auf einem Magnetkern aufgebracht sind. Der Magnetkern fungierterfindungsgemäß gleichzeitigals kraftleitender Türhebel 2.Gemäß einerbevorzugten Ausführungsformder Erfindung ist der gesamte Türhebelaus magnetoelastischem Material gefertigt. Eine Ausführung desTürhebels 2 alsStahlkern mit einer magnetoelastischen Beschichtung (z.B. Fe81(B, Si, C)19) istebenfalls denkbar.
    [0019] DasWegaufnehmersystem basiert auf einem magnetisch-induktiven Wirkprinzip.Durch die Erregerspule 5 fließt ein Wechselstrom i(t) mitsinusartigem Verlauf, durch welchen der Magnetkern 2 zeitvariabelmagnetisiert wird. Ein fest an der Tür 1 angeordneter Permanentmagnet 8 bewegtsich in Abhängigkeitdes Türöffnungswinkelsberührungslos ander Erregerspule 5 entlang und besitzt eine Magnetisierung,die so groß ist,dass durch diese eine lokale Sättigungdes Feldes im Magnetkern 2 erreicht und der magnetischeFluss im Magnetkern nahe dem Permanentmagneten unterbrochen wird.Der Permanentmagnet erzeugt somit einen ortsvariablen virtuellenLuftspalt. Es bilden sich zwei separate magnetische Flusskreiseaus, die jeweils nur von einem Teil der Erregerspule 5 gespeistwerden. Der fürjeden der beiden Magnetkreise effektive Anteil der Erregerspuleist abhängigvon der Relativposition des Permanentmagneten zur Erregerspule.Jeder der beiden magnetischen Flusskreise durchsetzt eine der Sekundärspulen 6, 7.Die Sekundärspulenmessen den magnetischen Fluss in Form der induzierten SpannungenUind sek1 bzw. Uind sek2 undermöglichenso die exakte Bestimmung der Position des Permanentmagneten bezogenauf die Erregerspule und daraus die Bestimmung des Türöffnungswinkels.
    [0020] UnterVerwendung einer Quotientenformel für die auf die gesamte induzierteSpannung bezogene relative Spannungsdifferenz der beiden Sekundärspulen 6, 7 ergibtsich dabei eine annäherndlineare Kennlinie fürdie durch eine Spannungsänderung erfassteWegänderung.In die Bestimmung der Position des Permanentmagneten geht somitdie relative Spannungsdifferenz gemäß der folgenden Gleichung ein:
    [0021] 2 zeigtdie Ein- und Ausgangsgrößen einerAuswerteschaltung 9, in welcher auf Basis obiger Gleichungund kinematischer Daten der Gesamtanordnung ein für den Öffnungswinkelder Türstehendes Ausgangssignal y1 erzeugt wird.
    [0022] Erfindungsgemäß fungiertder Magnetkern 2 gleichzeitig als kraftleitender Türhebel.Auf der einen Seite ist er an der Karosserie angelenkt, auf deranderen erfolgt eine Krafteinleitung durch den Bremsaktor 4.Wird die Türbewegt, währenddie Türbremse gelöst ist,wirken keine oder nur sehr geringe Kräfte auf den durch die Aufnahmedes Bremsaktors 4 gleitenden Türhebel 2. Wird einDrehmoment auf die Tür ausgeübt, während derBremsaktor aktiviert ist, entsteht je nach Wirkrichtung eine Zug-oder Druckkraft auf den Türhebel 2.Diese Kraft bedingt mechanische Spannungen im Material des Türhebels 2.Durch die ausgeprägtenmagnetoelastischen Eigenschaften des Türhebelwerkstoffs verändert sichinfolge der Belastung die relative Permeabilität μr desTürhebelwerkstoffs.Diese Änderungkann ebenfalls überdie in den Sekundärspulen 6, 7 induziertenSpannungswerte gemessen werden. Veränderungen des Kraftsignalssind, je nach Richtung, übereinen gleichzeitigen ruckartigen Anstieg oder Abfall der SpannungenUind sek1 und Uind sek2 messbar.Daher wird zur Bestimmung des zeitlichen Kraftverlaufs die Summeder in den Sekundärspulen 6, 7 induziertenSpannungswerte ausgewertet. In die Bestimmung der auf den Türhebel 2 wirkendenKraft geht somit die absolute Spannungssumme gemäß der folgenden Gleichung ein: Uind = Uindsek1 + Uind sek2
    [0023] DieseSumme ist unabhängigvon der Position des Permanentmagneten 8. Die Kraftmessung kannsomit prinzipiell unabhängigvon der Wegmessung erfolgen. In der Auswerteschaltung 9 kannauf Basis obiger Gleichung, Kennwerten des magnetoelastischen Materialsund kinematischer Daten der Gesamtanordnung ein für das aufdie Türwirkende Drehmoment stehendes Ausgangssignal y2 erzeugt werden.
    [0024] Zubeachten ist dabei jedoch, dass die Permeabilität μr desmagnetoelastischen Türhebels 2 nichtnur von mechanischen, sondern auch von thermischen Einflussgrößen abhängt. DieKraftmessung unterliegt somit ebenfalls thermischen Einflüssen, weshalbgegebenenfalls eine Temperaturkompensation vorzusehen ist. In derAuswerteschaltung 9 kann hierzu leicht eine Temperaturkompensationskurve hinterlegtwerden. Die erforderliche Messung der Temperatur T kann unter Ausnutzungder Temperaturabhängigkeitdes elektrischen Widerstandes durch Gleichstromwiderstandsmessungder Sekundärspulenerfolgen. Eine andere Möglichkeitbesteht durch die Verwendung eines zusätzlichen Temperatursensors.In vielen Fällenkann auf eine Temperaturkompensation komplett verzichtet werden,da sich das Kraftsignal typischerweise wesentlich schneller ändert alsdie Umgebungstemperatur. Dies gilt insbesondere, wenn zur Bestimmungdes zeitlichen Kraftverlaufs die zeitliche Ableitung der induziertenSpannung ausgewertet wird.
    [0025] Gemäß der hierbeschriebenen bevorzugten Ausführungsformder Erfindung kann das Sensorsystem komplett in der Karosserie derTür einesKraftfahrzeugs untergebracht werden. Da die Karosserie in der Regelaus Stahl gefertigt ist, besteht keine Notwendigkeit, das Sensorsystemelektromagnetisch abzuschirmen. Im Falle der Verwendung von Kunststoffoder Leichtmetall kann gegebenenfalls eine separate Hülle ausferromagnetischem Material für elektromagnetischeAbschirmung sorgen.
    [0026] Gemäß dem Ausführungsbeispielwird die translatorische Bewegung des Permanentmagneten relativzum Magnetkern überwiegenddurch eine Rotation des Messobjekts verursacht, weshalb das ersteAusgangssignal der Auswerteschaltung für diese Rotation steht. Diemechanische Spannung in dem Magnetkern wird gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform überwiegenddurch ein auf das Messobjekt wirkendes Drehmoment verursacht, weshalbdas zweite Ausgangssignal der Auswerteschaltung für diesesDrehmoment steht. Die prinzipielle Funktionsweise des erfindungsgemäßen kombiniertenLage- und Kraftaufnehmersystems ist jedoch problemlos übertragbarauf Fälle,in denen die translatorische Bewegung des Permanentmagneten relativzum Magnetkern überwiegenddurch eine Translation des Messobjekts verursacht wird und ein erstes Ausgangssignalfür dieseTranslation steht und/oder die mechanische Spannung in dem Magnetkern überwiegenddurch eine auf das Messobjekt wirkende Kraft verursacht wird undein zweites Ausgangssignal fürdiese Kraft steht.
    [0027] Außerdem bleibtdas erfindungsgemäße Prinzipder Erfassung mechanischer Spannungen im Magnetkern 2 auchdann erhalten, wenn dieser nicht ganz, sondern nur teilweise ausmagnetoelastischem Material besteht oder mit magnetoelastischemMaterial beschichtet ist.
    权利要求:
    Claims (2)
    [1] Vorrichtung zur Erfassung der Lage eines Messobjekts,an welchem ein Permanentmagnet so angebracht ist, dass dieser durchLageänderungdes Messobjekts berührungslosentlang eines mit einer wechselstromgespeisten Erregerspule undzwei Sekundärspulenumwickelten Magnetkerns bewegt wird und abhängig von seiner Position denStreufluss des Systems so beeinflusst, dass die Differenz der inden Sekundärspuleninduzierten Spannungen ein Maß für die Positiondes Permanentmagneten darstellt, dadurch gekennzeichnet, dassder Magnetkern ganz oder teilweise aus magnetoelastischem Materialbesteht, dass der Magnetkern mechanisch so mit dem Messobjektverbunden ist, dass durch Krafteinwirkung auf das Messobjekteine mechanische Spannung in dem Magnetkern erzeugt und dessen magnetischePermeabilitätverändert wird,und dass die Summe der in den Sekundärspulen induzierten Spannungenein Maß für die mechanische Spannungim Magnetkern darstellt.
    [2] Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass in einer Auswerteschaltung eine Temperaturkompensation derin den Sekundärspulen induziertenSpannungen vorgenommen wird.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004026415B4|2015-10-01|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-12-15| OM8| Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law|
    2011-06-01| R012| Request for examination validly filed|Effective date: 20110316 |
    2011-06-01| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2014-04-15| R016| Response to examination communication|
    2014-04-16| R016| Response to examination communication|
    2015-08-11| R018| Grant decision by examination section/examining division|
    2016-07-02| R020| Patent grant now final|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE102004026415.5A|DE102004026415B4|2004-05-29|2004-05-29|Vorrichtung zur Erfassung der Lage eines Messobjekts|DE102004026415.5A| DE102004026415B4|2004-05-29|2004-05-29|Vorrichtung zur Erfassung der Lage eines Messobjekts|
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