DE10123605B4

DE10123605B4 - Rundmagnet

Info

Publication number: DE10123605B4
Application number: DE10123605A
Authority: DE
Inventors: Frank Bürger; Norbert Ludwig
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2000-12-06
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2013-01-31
Anticipated expiration: 2021-05-17
Also published as: DE10123605A1

Abstract

Rundmagnet, dadurch gekennzeichnet, daß – dieser als dünnwandiger, diametraler Teilringmagnet (20) ausgeführt ist, wobei – das Verhältnis seines gedachten Außendurchmessers (d2) zu seinem gedachten Innendurchmesser (d1) gegen 1 tendiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rundmagneten.
Magnete, insbesondere diametrale Rundmagnete werden beispielsweise zur berührungslosen Drehwinkelerfassung der Verstellung von Stellorgan verwendet. Bekannte Rundmagnete weisen eine sinusförmige Feldabwicklung auf, d. h., der sich ändernde Verlauf der Feldstärken am Umfang ist sinusförmig. Über die sich ändernde Feldstärke wird bei Verstellung des Magnetmagneten gegenüber einem Sensor ein diese Änderung entsprechendes Signal erzeugt und ausgewertet. Der auswertbare Bereich liegt bekanntlich bei ca. ±45 Winkelgraden. Zusätzlich wird häufig ein Eisenrückschluss vorgesehen, durch den eine Linearität der Funktion geschaffen wird, um den auswertbaren Bereich geringfügig zu erweitern bzw. zu stabilisieren.
Den nächstliegenden Stand der Technik beschreibt die DE 31 44 283 A1 , bei der eine Messeinrichtung zwei gegenüberliegende Permanentmagnete mit einer dazwischen angeordneten Sonde aufweist. Die gegenüberliegenden Seiten des Permanentmagneten sind unterschiedlich polarisiert. Durch eine derartige Messeinrichtung ist zwar eine Drehwinkelmessung möglich, jedoch ist der konstruktive Aufwand erheblich.
Die DE 199 36 681 A1 und die DE 197 58 037 A1 beschreiben Messvorrichtungen mit einem ringförmigen Grundkörper, auf dessen Außenseite eine Anzahl unterschiedlich polarisierten Magnetflächen abwechselnd angeordnet sind. Auch hier ist ein hoher Montageaufwand gegeben.
Des Weiteren sind aufwendige Magnetkonstruktionen für Messvorrichtungen der EP 0 961 100 A2 und der FR 2 764 372 A1 zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magneten aufzuzeigen, der einen breiteren, vorzugsweise linearen auswertbaren Bereich anbietet.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Der Erfindung liegt die in mehreren durchgeführten Experimenten gewonnene Erkenntnis zugrunde, dass sich bei einem als Teilringmagneten ausgeführten Rundmagneten eine fast lineare Feldabwicklung ergibt, je kleiner die Differenz des Außendurchmessers zum Innendurchmesser eines Magneten ist. Der so verwendete Teilringmagnet ist ein ringartiger dünnwandiger Magnet. Diese Erkenntnis ist umso wichtiger, als es nun nicht mehr nötig ist, massive Rundmagnete einzusetzen. Die lineare Feldabwicklung ist dabei unabhängig vom Material des Magneten. So können Hartferitte als auch kunststoffgebundene Magnete verwendet werden. Vorzugsweise ist der Teilringmagnet als ein Halbringmagnet ausgeführt, der diese lineare Feldabwicklung aufweisen kann.
In der Praxis hat sich gezeigt, daß in einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Lösung auch ein Teil-, vorzugsweise sogar ein Halbringmagnet diese lineare Feldabwicklung aufweisen kann.
Durch des lineare Feldverhalten der dünnwandigen Ringmagnete wird der auswertbare Bereich auf über 100 Winkelgrade erhöht. Die Linearität des auswertbaren Bereiches stellt zudem eine genauere Auswertung für die Sensoren dar. Insbesondere bei der Verwendung für Drehwinkelerfassungen, Winkeländerungsmessung oder dergleichen in einer entsprechenden Meßeinrichtung für eine Stellorgan wird die Montage des Magneten vereinfacht. Es entfällt eine exakte Feinjustage zwischen dem Magneten, einer Welle des Stellorgans und einem Sensor. Auch ein für die Linearisierung vorgesehener Eisenrückschluß entfällt hierbei.
Anhand eines Ausführungsbeispieles mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigt:
1 einen erfindungsgemäßen Ringmagneten,
2 eine Darstellung der magnetischen Feldabwicklung des Ringmagneten aus 1.
3 eine Darstellung der magnetischen Feldabwicklung bei einem Teilringmagneten,
4a, b eine Darstellung der Verwendungsmöglichkeit des Ringmagneten bzw. des Teilringmagneten in einer Meßeinrichtung.
1 zeigt einen dünnwandigen, diametralen Ringmagneten 1, der einen Innendurchmesser d₁ und einen Außendurchmesser d₂ aufweist. Der Innendurchmesser d₁ des Ringmagneten 1 ist hierbei vorzugsweise ein Hohlteil 2, welches auf eine Welle 3 eines hier nicht näher dargestellten Organs aufbringbar ist. Im Querschnitt ist der Ringmagnet 1 rechteckig, wie in 1 aufgezeigt. Der Außendurchmesser d₂ ist auf den Innendurchmesser d₁ abgestimmt, wobei beide vorzugsweise ein Verhältnis d₂/d₁ ≈ 1 d. h., gegen 1 erfüllen. Praktische Versuche haben ergeben, daß bereits bei einem Verhältnis d₂/d₁ von 1,3 die Linearität weiter abnimmt, der brauchbare Winkel wird kleiner. In der Praxis ist ein Faktor von vorzugsweise 1,1 anzustreben. Bei einem Innendurchmesser d₁ von beispielsweise 32 mm beträgt der Außendurchmesser d₂ somit in idealer Weise 37 mm. Je dünnwandiger der Ringmagnet 1 ist, desto größer ist der Winkel bei dem die Feldabwicklung linear ist.
Eine derartige Feldabwicklung ist versuchsweise in 2 dargestellt.
Bei einer Feldabwicklung werden sich am Umfang des Ringmagneten ändernde Feldlinien bzw. die sich ändernde Flußdichte gemessen und einem Winkel, bezogen auf den Umfang, zugeordnet (siehe 4a, 4b). Wie der Darstellung aus 2 gut entnehmbar ist, weist die Feldabwicklung zwischen 90° und 270° eine lineare Steigung über einen langen Weg bzw. Bereich auf. In diesem Bereich, der in idealer Weise von ±80° linear ist, sind wegen der Linearität des Bereiches der meßbaren Flußdichte exakte Winkel zugeordnet. Das bedeutet, daß in diesem Ausführungsbeispiel der gemessenen Flußdichte von 50 mT ein Winkel von 200° zugehörig ist.
Bei einer Winkellageänderung des Ringmagneten 1 durch Verstellung desselben gegenüber einem in 4a oder 4b dargestellten Sensor 11 ändert sich die vom Sensor 11 zu messende Feldstärke von 125 mT auf 50 mT, wodurch, bedingt durch das lineare Feldstärkeverhalten des Ringmagnetes 1, sich eindeutig dessen Winkellageänderung von 240° auf 200° bestimmen läßt.
In 3 ist eine Feldabwicklung eines Teilringmagneten 20 versuchsweise dargestellt, die bei gleicher Bedingung (d2/d1 ≈ 1) gleichfalls ein lineares Verhalten aufweist. Diese Erkenntnis ermöglicht eine kompakte Meßeinrichtung 1 mit einem noch kleineren notwendigen Bauraum für den derartigen Teilringmagnet 20.
In 4a ist in einer einfachen Darstellung der Ringmagnet 1 in solch einer Meßeinrichtung 10 integriert. Dem Ringmagneten 1 ist wenigstens ein Sensor 11, beispielsweise ein Hall-Sensor, zugeordnet. Dieser Sensor 11 reagiert in bekannter Art und Weise auf die Veränderung der Feldstärke bei Verstellung des Ringmagneten 1. Dabei steht dem Sensor 11 in dieser Meßeinrichtung 10 vorzugsweise ein auswertbarer Bereich von 120 bis 240 (±60°) Winkelgrade zur Verfügung. Die jeweils erzeugten Signale werden einer Auswerteeinheit 13 zur Weiterverarbeitung zugeführt. Der breite auswertbare Bereich bewirkt neben einer guten Auswertbarkeit des Ergebnisses auch eine einfache Montage des Ringmagneten 1 auf einer Welle 12 als auch der Ausrichtung des Sensors 11 zum Ringmagneten 1.
Wie in 4a aufgezeigt, ist der Innendurchmesser d₁ häufig abhängig vom Außendurchmesser der Welle 3.
Je nach Wunsch ergibt sich die Möglichkeit, diesen Außendurchmesser und damit den Innendurchmesser d₁ durch geeignete Maßnahmen relativ klein zu halten, beispielsweise durch einen zusätzlichen, den Durchmesser verjüngenden, nicht näher dargestellten Adapter, um dadurch einen Ringmagneten 1 mit geringem Außendurchmesser d₂ verwenden zu können. Besteht jedoch der Wunsch nach einem größeren, dünnwandigen Ringmagneten 1, kann dieser einen große Innendurchmesser d₁ (als Hohlteil 2) aufweisen, welcher der Welle 12 durch einen gleichfalls nicht näher dargestellten verdickenden Adapter angepaßt werden kann. Wichtig ist, daß das Verhältnis d₂/d₁ vorzugsweise 1,1 eingehalten wird, damit die gewünschte Linearität für den Meßbereich gegeben ist.
In 4b ist anstelle des Ringmagneten 1 der Teilringmagnet 20 auf der Welle 12 befestigt. Der hierbei zur Verfügung stehende Meßbereich beträgt gleichfalls ±60° Winkelgrade.
Bekanntlich läßt sich die Feldstärke, d. h. die Flußdichte eines Magneten, durch das Magnetmaterial als auch die Höhe h (Dicke) des Magneten beeinflussen. Die Linearität wird hierdurch jedoch nicht beeinflußt.
Als Magnetmaterial bietet sich neben Hartferitten auch Selten-Erden-Elemente, wie beispielsweise Neodym-Eisen-Bor-Verbindungen (NdFeB), Samarium-Cobald (SmCo) usw.. Durch derartige Magnetwerkstoffe wird die Ausbeute der Feldstärke, d. h. der Feldlinien, bestimmt. Hartferitte haben ein schwaches magnetisches Feld, wohingegen Selten-Erde-Elemente ein größeres Feld aufbauen. Beide Magnetwerkstoffe können auch kunststoffgebunden benutzt werden.
Vorzugsweise ist die Höhe h des dünnwandigen Ringmagneten 1 bzw. Halbringmagneten 20 auf den Sensor 11 abgestimmt, wobei die Höhe h (bzw. Breite) des Magneten von vorzugsweise 5 mm nicht unterschritten und von 20 mm vorzugsweise nicht überschritten werden sollte. Dieser Bereich der Höhe h ist für eine Auswertung ausreichend. Beachtet werden sollte dabei jedoch, daß sich aus der Höhe h des Ringmagneten 1 bzw. Teilringmagneten 20 der bevorzugte Abstand des Sensors 11 zum Ringmagneten 1 bestimmen läßt. Feldmagnetische Änderungen machen sich bei schmaler bzw. geringer Höhe h des Ringmagneten 1 bzw. Teilringmagneten 20 mehr bemerkbar, als bei höheren. Bei höheren Ringmagneten 1 bzw. Teilringmagneten 20 ist der Anstieg des auswertbaren Bereiches flacher und linearer.
Ein solcher Ringmagnet 1 oder Teilringmagnet 20 kann überall dort eingesetzt werden, wo ein auf magnetische Änderungen reagierender Sensor mit vorzugsweise linearer Auswertcharakteristik benötigt wird. Der Ringmagnet 1 oder Teilringmagnet 20 kann dabei u. a. zur Bestimmung der Klappenstellung beispielsweise einer Drosselklappe oder eines Drosselklappensystems, welches in der nicht vorveröffentlichten DE 199 28 473.3 offenbart ist, verwendet werden.

Claims

Rundmagnet, dadurch gekennzeichnet, daß – dieser als dünnwandiger, diametraler Teilringmagnet (20) ausgeführt ist, wobei – das Verhältnis seines gedachten Außendurchmessers (d₂) zu seinem gedachten Innendurchmesser (d₁) gegen 1 tendiert.
Rundmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß – der Teilringmagnet (20) ein Halbringmagnet ist.
Rundmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß – der Teilringmagnet (20) bei einer Feldabwicklung ein linearer Verlauf der Feldstärke über seinen Umfang bzw. seinen Teilumfang erhalten wird.
Rundmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß – das Verhältnis des Außendurchmessers (d₂) zum Innendurchmesser (d₁) zwischen 1,01 und 1,3 liegt.
Rundmagnet nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß – das Verhältnis des Außendurchmessers (d₂) zum Innendurchmesser (d₁) 1,1 beträgt.
Rundmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß – die Linearität der Feldabwicklung einen Bereich von ±80 Winkelgraden umfassen kann.
Rundmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß – die Höhe (h) des Magneten (1, 20) in einem Bereich von 5 bis 20 mm liegt.
Rundmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß – das Material ein Hartferitt ist.
Rundmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß – das Material ein kunststoffgebundener Magnet ist.
Rundmagnet nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – dieser in einer Meßeinrichtung (10) integriert ist, wobei dem Teilringmagneten (20) umfangsseitig wenigstens ein Sensor (11) zugeordnet ist.
Verwendung des Rundmagneten nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 10 zur Bestimmung der Verstellung einer Drosselklappe im Luftansaugbereich einer Brennkraftmaschine.
Verwendung des Rundmagneten nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 10 zur Bestimmung der Verstellung der Klappen in einem Saugrohr im Luftansaugbereich einer Brennkraftmaschine.
Verwendung des Rundmagneten nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 10 zur Bestimmung der Verstellung eines Abgasrückführventils im Abgasbereich einer Brennkraftmaschine.
Verwendung des Rundmagneten nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 10 für magnetsensitive Sensoren mit linearer Auswertcharakteristik.