CN101999079B - 具有铁磁元件的线性分段或转数计数器 - Google Patents

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Abstract

一种用于线性段数或转数的绝对计数器，具有韦根元件(WE)和附加传感器元件(SE)，所述韦根元件(WE)位于两个相对的励磁磁体(EM1，EM2)之间的主磁场中，这两个励磁磁体(EM1，EM2)通过共同的铁磁轭状体(14)连接；所述附加传感器元件(SE)用于确定关于励磁磁体的极性和位置的信息，其中来自韦根元件(WE)的输出信号同时提供电能给多圈中的所需计数器和存储器电路以及用于细分辨率的辅助传感器(ZS)，该辅助传感器(ZS)也被设置在励磁磁体(EM1，EM2)之间的主磁场中。

Description

具有铁磁元件的线性分段或转数计数器
技术领域
本发明涉及根据权利要求1前序部分的具有铁磁元件的线性分段(segment)或转数(revolution)计数器，其可以在两个方向计数。
背景技术
绝对线性分段或转数计数器在不需要外部电能的情况下获取其永久存储的计数信息。该计数器从处于任何条件(即，也是在接近零的速度)下的驱动器的动能中产生计数和存储所需的电能。这里，被检测并存储的转数在物理学上讲是无限制的。
用于检测平移和/或旋转运动的铁磁元件称为脉冲金属丝运动检测器(如US 4,364,013公开的)或韦根(Wiegand)传感器(如DE 4 107 847 C1或DE 2 817 169 C2公开的)，其中铁磁材料的预处理金属丝被传感器线圈所缠绕。起初在铁磁材料中方向随意的磁区(称为磁畴或Weiβ区)在外部机械力和/或磁力的影响下将其自身定向在一个单域。在施加了某个方向和大小的外磁场后，该域“突然翻转(flap over)”，其产生可以作为输出信号的电压脉冲。
在铁磁材料中，具有不同磁化方向的相邻原子的磁矩的相互作用是非常强的，其导致磁矩在小的空间区域对准。上述磁域、铁磁元件、Weiβ区或区域被称为布洛赫壁的过渡层彼此分开。由于外力的影响，如上所述，有可能实现上述单域、铁磁元件的自我形成。如果该域被引入了某大小和方向的外磁场，则起始位置的基础磁体(最大磁场位置，通常为金属丝端点)像多米诺骨牌一样翻到外磁场的方向，这会导致在铁磁元件中出现具有有限速度的翻转事件的波浪，而且该速度比励磁磁体的速度大，由此可以说是该域的“瞬时翻转”。最大磁场的位置还可以在线形域的长度的中部。在这种情况中，波从中部走向端部，这可产生可被采集的双电压。
根据DE 102 59 233，可使用作用于铁磁元件之间的上述布洛赫壁效应来估计励磁磁体的极性和位置，其在于通过附加传感器元件，可以确定从两个前端开始的铁磁元件的反磁化部署方向，即铁磁元件的反磁化方向。
在具有励磁磁体和半转分辨率的特性的一般情况中，转数计数器系统完全由与在所有条件下存储的信息相关的四个已知励磁磁体的状态来描述，即：
1.铁磁元件右侧的北极
2.铁磁元件左侧的北极
3.铁磁元件右侧的南极
4.铁磁元件左侧的南极
这四个励磁状态可以在旋转系统中被完成，以免可能不能清楚确定哪个磁极位于四个四分之一圆的哪一个。为了这个，需要四个位置相关的独立信息的值，其中两个值还从线圈SP得出以作为所产生电压的极性，剩下的两个分别从作为磁极或磁体的霍尔传感器SE被识别或不被识别。
从数学角度的，理论情况是韦根或脉冲金属丝通常分别正确地运行，因此当估计两个方向的计数器的值时，在这里所示的具有韦根元件和附加传感器元件的线性分段或转数计数器的情况中不需要回过来参考存储的信息。在具有两个脉冲或韦根金属丝的方案中隐式假定了这种理论情况，即例如在欧洲专利EP 0 724 712中所述的。不幸的是，物理上不允许这种理论情况，因为总是存在移动顺序，其中各自的韦根或脉冲线由于产生所谓的“矮化波(runt)”而会出现故障。在具有韦根元件(例如，霍尔传感器)的上述方案中，计数器必须仅回过来参考存储的信息。但是，也参考存储的信息的以上引用的专利所述的具有韦根或脉冲金属丝的方案产生错误的计数器结果，这是因为存储的信息已经用于理想化计数器状态。
通过测量，可以实现具有可想到的简单机械结构的位置检测器，该位置检测器可在甚至速度接近零且出现常规能量供应故障的任何情况下，在励磁磁体的两个工作方向上工作，且仅具有一个铁磁元件。该位置检测器的最优简单布置使得该位置检测器还可能从传感器线圈的输出信号同时获得用于包括计数器设备的估计电子设备的能量。
不管基本可能且可想到的该检测器的简单机械结构，经验表明，日益增长的应用需要其结构元件小型化，且同时具有抗外部影响的磁性屏蔽，而不能放弃寿命长以及独立于外部能量的布置的优点。
但是，由于将附加传感器用于多圈，因此同时需要线性化和均匀化磁场。
发明内容
因此，本发明的目的是进一步有利地发展作为线性分段或旋转计数器的这种传感器。
该目的通过权利要求1的特征来实现。
从属权利要求体现本发明的进一步的特征。
由于韦根元件直接位于一个励磁磁体或两个励磁磁体之间的主磁场中的创造性布置，磁体的磁性背部连接由公共铁磁背部连接体形成，优选地形成为封闭环，转数计数器被提供，其被形成为几何形状以及磁特性是对称的，旋转计数器达到最小尺寸，因为其显示了许多必需的优点，因此是划算的且还允许最高转速检测。
这些优点具体为：
1.韦根元件不受以下各项的影响：
a)外部磁场；
b)外部电场；
c)使主磁场变形的外部铁磁元件的影响；
2.在韦根元件周围，磁场被线性化和均匀化。
这里，主磁场连接两个励磁磁体的输出面或将一个电磁体的输出面与铁磁补偿体的输入面连接，其中竖直方向指向韦根元件的方向。在磁化法线方向上的磁通激励被称为主磁场，其中法线分别与旋转轴或运动轴垂直。在附图中，磁化法线与铁磁元件FE的轴一致。
这里封闭环可以同时被形成为覆盖转数计数器的顶盖(cover)。在两个励磁磁体之间的主磁场中布置附加传感器元件是特别有好处的，使得该附加传感器元件在每转中至少一次占据主磁场中的位置，或在线性分段计数器的设置的情况下，在每次跨过一个分段占据主磁场中的位置一次。励磁磁体的极性和位置的估计也可以总是得到保证。根据本发明，励磁磁体包括由塑料联结的硬磁性材料。这里作为基础材料，钡铁(Ba-ferrite)和钴/钐(Co/Sm)是有优势的。另外，橡胶材料处于常用的塑料材料之列。在有利的方式中，附加传感器元件还可以被布置，由此其在每转或者每次跨过一个分段时至少一次位于两个励磁磁体中的仅一者的励磁磁场中。附加传感器元件被有利地形成为霍尔传感器或场板，但是它还可以是清楚检测励磁磁体各位置的任意类型的传感器，例如电容性传感器。
对本发明所有实施方式的线性分段或转数计数器而言共同的是，用于计数操作所需的能量是从驱动器的动能中产生的，即他们不依赖于外部能量供应。
在附加传感器元件的反应时间周期大于来自铁磁元件的电压脉冲的持续时间的情况下，需要能量存储装置。这是例如当使用根据现有技术的霍尔传感器时的情况。基于电容性的附加传感器元件或场板不需要能量存储装置；出于可靠性原因，可以回过来考虑能量存储装置。
另外，对本发明的所有实施方式的转数计数器而言共同的是中心布置，其中一个或一些励磁磁体关于中心区域旋转，在该中心区域设置有至少韦根元件。
当然，还可以实现其他冗余实施方式，其具有两个韦根元件和两个霍尔传感器以及一对磁体，该对磁体在直径方向上彼此相对。在这种情况中，出于空间的原因，有利的是将各自的一个线圈分成两个半线圈，由此生成关于转轴交叉布置的线圈。这里，两个铁磁元件还在一个平面中交叉布置。
附图说明
以下参考在附图中大致示意性示出的六个实施方式来描述本发明。
图1示出了根据本发明的转数计数器的第一实施方式的示意性布置的俯视图，其具有韦根元件、一个霍尔传感器以及环形平衡铁磁背部连接体，所述韦根元件具有铁磁元件和与该铁磁元件轴向关联的感应线圈；所述霍尔传感器位于主磁场中，用作附加传感器元件；所述环形平衡铁磁背部连接体的内侧设置有均匀厚度的扇形励磁磁体。
图2示出了根据图1的转数计数器的剖视图。
图3示出了转数计数器的第二实施方式的示意性布置的俯视图，其具有霍尔传感器和封闭环形铁磁背部连接体，所述霍尔传感器位于杂散磁场中，用作附加传感器元件；所述封闭环形铁磁背部连接体具有位于该环内侧的两个相同的励磁磁体。
图4示出了图3中的转数计数器的剖视图。
图5示出了根据本发明的转数计数器的第三实施方式的示意性布置的俯视图，其具有韦根元件、附加传感器元件、附加传感器以及环形背部连接体，所述韦根元件位于两个励磁磁体之间的主磁场中；所述附加传感器元件位于杂散磁场中；所述附加传感器位于主磁场中，且用于多圈框架中一转的细分辨率；所述环形背部连接体内侧布置有两个相同励磁磁体，但是在转轴方向具有不同厚度大小。
图6示出了图5的转数计数器的剖视图。
图7示出了根据本发明的转数计数器的第四实施方式的示意性布置的俯视图，其具有韦根元件和附加传感器元件，所述韦根元件布置在两个励磁磁体之间；所述附加传感器元件为位于主磁场中的霍尔传感器形式；其中铁磁背部连接体被形成为转数计数器的顶盖，以及其中两个相同的励磁磁体被布置在磁性载体的内侧。
图8示出了图7的转数计数器的剖视图。
图9示出了根据本发明的转数计数器的第五实施方式的示意性布置的俯视图，其具有相对彼此相对且成对放置的四个不同的励磁磁体，其中韦根元件被布置在主磁场中，而附加传感器元件被布置在杂散磁场中。
图10示出了图9的转数计数器的剖视图。
图11示出了被布置为线性分段计数器的本发明的实施方式的示意性布置的俯视图，其具有韦根元件、附加传感器元件以及封闭的对称铁磁背部连接体，所述韦根元件位于两个励磁磁体之间的主磁场中；所述附加传感器元件可形成为位于主磁场中的霍尔传感器。
图12示出了图11的线性分段计数器的剖视图。
具体实施方式
在图1和图2示出的转数计数器的第一实施方式中，活动体是轴10，其适用于沿箭头R1和R2的方向(即顺时针或逆时针方向)旋转。为了能够对轴10的转数进行计数，轴10固定连接到磁体载体12，该磁体载体12与具有圆弧形截面(circular section)的励磁磁体EM1相关联，该励磁磁体EM1包括北极N和南极S。指向韦根元件WE的磁极是任意选择的。励磁磁体被形成为铁磁背部连接体14的一个环围绕并通过铁磁补偿体40平衡。该环的半径对应于以圆弧形截面形状形成的励磁磁体EM1的半径。在励磁磁体EM1的主磁场中，存在韦根元件WE，其包括被传感器线圈SP沿轴向围绕的铁磁元件FE，以及在励磁磁体EM1的主磁场中的霍尔传感器形式的附加传感器元件(SE)。具有附加传感器元件(SE)的韦根元件WE由励磁磁体EM1和补偿体40之间主磁场中的电路板15支撑，由此韦根元件WE的铁磁元件FE面向这些输出面，从而可以被励磁磁体的磁场轴向穿过。
由此，韦根元件位于励磁磁体EM1的主磁场中的位置，由此输出面的法线指向铁磁元件FE的方向。作为铁磁元件FE的磁化反向的结果而产生的电压脉冲可以从传感器线圈SP的输出连接点21和22获得。
另外的扇形部件16和17是影响旋转对称性的磁性载体12的非磁性部分，且它们支撑环形背部连接体14。环形背部连接体14通过补偿体14平衡，该补偿体是具有更大厚度的扇形且同时用于均匀化励磁磁体的磁场。
这种转数计数器包括例如10-15mm的直径且可以在高达100000rpm的转速下工作。
在图3和图4的实施方式中，对应的结构元件具有与图1和图2中的实施方式中相同的附图标记。但是，不同的是，韦根元件WE被布置在两个励磁磁体(EM1，EM2)之间的主磁场中。为了确定在经过铁磁元件FE时励磁磁体的极性，在此提供霍尔传感器作为附加传感器元件SE，在该附加传感器元件SE的输出25处，可以依据励磁磁体的极性N或S及其位置获得负或零信号。在与均匀化主磁场相关的具有附加传感器ZS的方案的情况中(该主磁场激活其长度中间的铁磁元件)，在环形背部连接体14的内侧沿直径彼此设置的两个相同的励磁磁体EM1和EM2，以形成优化的方案。
另外，图5和图6的转数计数器的实施方式包括对应于之前所述的图3和图4的实施方式的设备元件；但是提供附加传感器ZS，该附加传感器ZS提供一转的细分辨率。由于该附加传感器ZS也位于两个励磁磁体EM1，EM2之间的主磁场中，其也被电磁屏蔽。为了这个目的，其“寻求”几乎均匀的磁场，该均匀磁场可很大程度上减少了电磁造成的干扰。因此，测量信号允许最高精确度和分辨率。这里韦根元件和附加传感器面对共同的背部连接体14；以这种方式，韦根元件回过来对附加传感器的影响明显被减少。这里附加传感器元件SE位于杂散磁场(stray field)中。因为用于韦根元件WE和附加传感器ZS的磁场强度的工作值彼此很不相同，环形背部连接体14中布置的两个相同的磁体EM1，EM2从优化操作的角度在轴向被偏移。
相应评论对于图7和图8的转数计数器的实施方式而言是真实的。但是用于盖住转数计数器的顶盖30这里用作磁性背部连接体，且转数计数器包括韦根元件WE和作为附加传感器元件SE的霍尔传感器，位于两个相同励磁磁体之间的主磁场中，其中励磁磁体被设置在磁体载体12的内侧。这是考虑总体屏蔽的划算的方案。
图9和图10中所示的转数计数器也包括韦根元件WE和附加传感器元件SE，所述韦根元件WE包括铁磁元件(如果感应线圈SP围绕该铁磁元件)，所述附加传感器元件SE位于杂散磁场中的，其也在图3和图4中示出。但是这里由于考虑空心轴布置，该布置必须被定成相应极性相反的EM1和EM2的励磁磁体对，每个存在使得可以执行韦根元件WE的磁化反向。附加传感器元件SE被形成为霍尔传感器。
同心形成且通过两个横向部件(cross member)13连接的双铁环用作铁磁背部连接体。
另外在该实施方式中，对应于上述实施方式的结构元件具有相同的参考标记，其中整个布置被封装在外壳31中。
在图11和图12中所示的线性分段计数器形式的实施方式中，活动体例如被形成为具有两个铁磁背部连接体114(软铁的)的框架，两个铁磁背部连接体114被形成为相隔90度延伸的两个条，该连接体可以沿着穿过磁体载体112的箭头R1和R2移动。成直线形成的励磁磁体EM1和EM2相对地成对位于磁体载体112上，该磁体载体112被形成为U形截面的框架，在这种布置中，励磁磁体的输出面的主磁场均直接在铁磁元件FE的方向(还与图3相比)上。将磁体载体112上的交替极性施加在励磁磁体EM1，EM2上。
另外，在这种情况中，韦根元件WE包括铁磁元件FE，该铁磁元件FE上围绕有感应线圈SP；作为附加传感器元件的霍尔传感器被设置在杂散磁场中，也如图3中所示。公共铁磁背部连接体包括内侧具有矩形条的框架。当然，这里通过场板和/或霍尔传感器、光学或电容性传感器，段数的细分辨率也是可能的。
之前所述的线性分段计数器的操作近似对应于在此所述的一转数计数器。
由于权利要求1的概括性定义，其实际上并不必要针对这样的事实：具有一些韦根元件但只有一个附加传感器元件的实施方式也是可能的，其中大于一个的韦根元件不是必须的但出于范围的原因是可预见的，且落入受保护权利的范围中。
铁磁元件可以具有任意形状和长度。在轴线方向弯曲一角度的金属丝也是可预见的。
附图标记列表
10轴
12，112磁体载体
13横向部件
14，114背部连接体
15电路板
16磁体载体12的部分
17磁体载体12的部分
21韦根线圈SP的输出连接点
22韦根线圈SP的输出连接点
23作为附加传感器元件的线圈的输出连接点
24作为附加传感器元件的线圈的输出连接点
25霍尔传感器的输出连接点
30顶盖
31外壳
40铁磁补偿体
101转轴
102移动轴
WE韦根元件
EM1励磁磁体
EM2励磁磁体
FE铁磁元件
HS霍尔传感器
N北极
S南极
R1箭头
R2箭头
SP韦根线圈
ZS附加传感器
SE附加传感器元件(霍尔传感器，场板)

Claims (12)

1.一种绝对线性分段或转数计数器，包括：
至少一个活动励磁磁体（EM1）；
韦根元件（WE），该韦根元件（WE）包括铁磁元件（FE），该铁磁元件（FE）被感应线圈（SP）沿轴向环绕并且位于所述励磁磁体的场中；
至少一个附加传感器元件（SE）；
具有非易失性数据存储器的至少一个计数器单元，用于确定针对计数器值和针对用于控制逻辑、所述计数器单元和所述附加传感器元件（SE）的内部供应的完整信息，
通过设备元件（EM，SE，WE）的如此实施和布置使得所述韦根元件（WE）的感应线圈（SP）的轴在每次跨过一个分段时或每次旋转时至少一次处于所述至少一个励磁磁体（EM1）的主磁场的方向上，所述轴与所述励磁磁体的移动方向或旋转轴垂直，以及通过如此实施和布置使得具有由铁磁背部连接体（14，114）所形成的磁体背部连接以用于相对于所述韦根元件来均匀化和线性化所述励磁磁体的磁场。
2.根据权利要求1所述的绝对线性分段或转数计数器，其特征在于，在形成为转数计数器时，所述铁磁背部连接体（14，114）位于用于承载所述励磁磁体（EM1，EM2）和相应的非磁性平衡体（40）的载体（12，112）上。
3.根据权利要求1所述的计数器，其特征在于，在形成为转数计数器时，分别围绕所述励磁磁体（EM1，EM2）的所述铁磁背部连接体（14）为由具有高μr的软铁制成的封闭环。
4.根据权利要求1所述的计数器，其特征在于，在形成为分段计数器时，所述铁磁背部连接体（14）是由软铁制成的具有U形截面的框架。
5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的计数器，其特征在于，在形成为转数计数器时，具有所述励磁磁体（EM1，EM2）、所述铁磁背部连接体（14）、磁体载体（12，112）以及使用平衡体（40）情况下的所述平衡体（40）的布置被布置以便该布置的重心位于所述计数器的旋转轴（101）中。
6.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的计数器，其特征在于，所述韦根元件（WE）位于两个励磁磁体（EM1，EM2）之间的主磁场中，以使得所述两个励磁磁体（EM1，EM2）的磁化轴延伸作为穿过所述两个励磁磁体（EM1，EM2）的重心的法线。
7.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的计数器，其特征在于，所述线圈（SP）的长度的中部位于所述至少一个励磁磁体（EM1）的主磁场内的旋转轴或运动轴中。
8.根据权利要求1或2所述的计数器，其特征在于，所述附加传感器元件（SE）位于其中一个所述励磁磁体（EM1，EM2）的杂散磁场中。
9.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的计数器，其特征在于，所述励磁磁体（EM1，EM2）由为钡铁或钴/钐的塑料联结的硬磁性材料构成。
10.根据权利要求9所述的计数器，其特征在于，所述励磁磁体（EM1，EM2）具有相同的磁性数据和相同的几何尺寸。
11.根据权利要求10所述的计数器，其特征在于，所述励磁磁体（EM1，EM2）在轴向上具有不同的厚度。
12.根据权利要求1所述的计数器，其特征在于，在多圈框架中，用作精细传感器的附加传感器（ZS）位于两个励磁磁体（EM1，EM2）之间的主磁场中，用于对影响所述韦根元件（WE）的线性分段运动进行解析，并且在多圈框架中用作精细转角传感器的附加传感器（ZS）位于两个励磁磁体（EM1，EM2）之间的主磁场中，对影响所述韦根元件（WE）的旋转运动进行解析。
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