DE10149794A1

DE10149794A1 - Vorrichtung zum Erfassen einer Bewegung

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Publication number: DE10149794A1
Application number: DE10149794A
Authority: DE
Inventors: Gabriel Daalmans; Roland Finkler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2021-10-10
Also published as: US20030071612A1; US6650106B2; DE10149794B4

Abstract

Eine Bewegung eines Bewegungsträgers (2) wird mittels wenigstens einer Tangentialspule (32, 33) zum Erfassen eines induzierten Messmagnetfeldes (B¶F¶) erfasst, die weiter vom Bewegungskörper (2) entfernt ist als Erregermagneten (7, 8, 7', 8') zum Induzieren von elektrischen Strömen im Bewegungskörper, die wieder das von der Bewegung abhängige Messmagnetfeld induzieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen einer Bewegung eines Bewegungskörpers.

Aus DE 37 30 841 A1 ist ein Bewegungssensor bekannt, mit dem Geschwindigkeit und Beschleunigung eines bewegten Körpers induktiv bestimmt werden können. Am Rand einer sich drehenden elektrisch leitenden Scheibe als bewegtem Körper wird in einem lokal begrenzten Teilgebiet der Scheibe ein die Scheibe orthogonal zur Bewegungsrichtung durchdringendes und zeitlich konstantes Magnetfeld als Hauptfeld erzeugt. Zur Erzeugung des Hauptfeldes sind zwei an einem Luftspalt, durch den die Scheibe verläuft, einander gegenüberliegenden Permanentmagnete vorgesehen. Diese Permanentmagnete sind außerdem an den von der Scheibe abgewandten Seiten über ein Joch aus magnetischem Material, beispielsweise Eisen, magnetisch kurzgeschlossen zur Bildung eines geschlossenen Magnetkreises. Das magnetische Hauptfeld der Permanentmagnete induziert in der bewegten Scheibe lokal elektrische Wirbelströme, die wiederum ein magnetisches Wirbelstromfeld gegeninduzieren. Zur Messung der von den Wirbelströmen erzeugten magnetischen Flussdichte ist an beiden Seiten des Spaltes jeweils ein Hall-Effekt- Sensor oder ein anderer Magnetfeldsensor, beispielsweise ein magnetoresistiver Sensor, vorgesehen. Mit dem Magnetfeldsensor kann die Tangentialgeschwindigkeit oder die Winkelgeschwindigkeit der Scheibe bestimmt werden. Jeder der beiden Magnetfeldsensoren ist in einem Spalt eines zugehörigen Flusskollektorringes aus magnetischem Material, beispielsweise Eisen, und zugleich im Luftspalt zwischen den beiden Permanentmagneten angeordnet. Die Flusskollektorringe definieren jeweils einen Magnetflusspfad in Form einer Schleife, die parallel zur Scheibe oder deren Drehebene und senkrecht zum Hauptfeld verläuft. Dabei weist jeder Flusskollektorring einen geradlinig und bündig abschließend zwischen dem zugehörigem Permanentmagnete und der Scheibe verlaufenden Teil auf, in dessen Mitte der Spalt mit dem Magnetfeldsensor gebildet ist und einen weiteren mit dem geradlinigen ersten Teil verbundenen und sich mit diesem zu einem geschlossenen Flusspfad ergänzenden U-förmigen zweiten Teil, der aus dem Spalt nach außen ragt. Außerhalb des Spaltes wird der zweite Teil jedes der beiden Flusskollektorringe von jeweils einer Detektorspule umgeben. Diese beiden Detektorspulen messen eine zeitliche Änderung der von den Wirbelströmen erzeugten Flussdichte und liefern somit ein Messsignal für die zeitliche Änderung der Tangentialgeschwindigkeit oder der Drehzahl, also für die Beschleunigung oder für die Drehbeschleunigung der Scheibe. Sowohl die Magnetfeldsensoren als auch die Detektorspulen sind so ausgerichtet, dass sie den Fluss des Wirbelstromfeldes messen, der in einer zur Bewegungsrichtung tangentialen Richtung verläuft. Sowohl der Magnetfeldsensor als auch die Induktionsspulen sind gemäß der DE 37 30 841 A1 einerseits näher am Bewegungskörper angeordnet als die beiden Permanentmagnete und anderseits in Bewegungsrichtung gesehen auf gleicher Höhe wie das vom Hauptmagnetfeld durchdrungene Teilgebiet im Bewegungskörper angeordnet.

Bei der aus DE 37 30 841 A1 bekannten Vorrichtung wird die Tangential-Komponente des Messmagnetfeldes im Luftspalt zwischen den Permanentmagneten gemessen. Da nun jedoch die tangentiale Feldkomponente erst richtig messbar ist in einem relativ großen Abstand von dem Bewegungskörper, müssen in dieser bekannten Anordnung die Permanentmagnete zwangsläufig relativ weit auseinander angeordnet sein. Dadurch ist das angelegte Magnetfeld durch die Entmagnetisierung vergleichsweise gering. Das erhaltene Nutzsignal ist entsprechend klein.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erfassen einer Bewegung eines Bewegungskörpers anzugeben, bei der die genannten Nachteile beim Stand der Technik wenigstens teilweise vermieden oder zumindest gelindert werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zum Erfassen einer Bewegung eines Bewegungskörpers (oder: bewegten Objekts), der wenigstens in einem Bereich elektrisch leitfähig ist, umfasst

a) Magnetfelderzeugungsmittel (oder: Magnetfeldquellen) zum Erzeugen eines Magnetfeldes (oder: Erregerfeldes), das abhängig von der Bewegung des Bewegungskörpers im elektrisch leitfähigen Bereich des Bewegungskörpers elektrische Ströme induziert,
b) wenigstens eine Messeinrichtung (oder: Detektionseinrichtung) zum Messen (oder: Erfassen) eines von den elektrischen Strömen im elektrisch leitfähigen Bereich des Bewegungskörpers induzierten Messmagnetfeldes (oder: Messinduktionsfeld) als Maß für wenigstens eine Bewegungsgröße des Bewegungskörpers, wobei
c) die Messeinrichtung(en) das Messmagnetfeld an einer Stelle misst bzw. messen, an der es wenigstens annähernd parallel zur Bewegungsrichtung verläuft und wobei
d) die Magnetfelderzeugungsmittel näher am Bewegungskörper angeordnet sind als jede Messeinrichtung.

Unter dem Begriff Magnetfeld oder Messmagnetfeld wird dabei sowohl ein Magnetfeld im engeren physikalischen Sprachgebrauch als auch ein magnetisches Induktionsfeld (oder: die magnetische Flussdichte) als auch ein magnetischer Fluss zusammengefasst oder verstanden. Die Messung oder Auswertung des Messmagnetfeldes umfasst begrifflich auch die Messung oder Auswertung von dessen zeitlicher Änderung oder einer anderen Funktion des Messmagnetfeldes. Bei der Bewegung des Bewegungskörpers im Magnetfeld kommt es nur auf die Relativbewegung zwischen dem Bewegungskörper und dem Magnetfeld an. Es kann also grundsätzlich der Bewegungskörper ortsfest zu einem vorgegebenen Bezugssystem, insbesondere zur Erdoberfläche oder zu einem Teil einer Maschine, sein und das Magnetfeld relativ zu diesem Bezugssystem bewegt werden oder auch umgekehrt das Magnetfeld relativ zum Bezugssystem ortsfest sein und der Bewegungskörper relativ zum Bezugssystem bewegt werden. Die Bewegung des Bewegungskörpers ist grundsätzlich beliebig und kann insbesondere eine translatorische, beispielsweise lineare, oder auch eine rotatorische oder auch eine aus translatorischen und rotatorischen Bewegungen zusammengesetzte Bewegung sein.

Die Erfindung basiert auf der Überlegung, mittels einer oder mehrerer Messeinrichtung(en) das Tangentialmagnetfeld der im Bewegungskörper bei dessen Bewegung im angelegten Magnetfeld der Magnetfelderzeugungsmittel induzierten elektrischen Ströme zu messen und diese Messeinrichtung(en) in einem größeren Abstand zum Bewegungskörper als die Magnetfelderzeugungsmittel anzuordnen. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass das tangentielle Messmagnetfeld vergleichsweise homogen oder gleichmäßig ist, so dass der Abstand der Messeinrichtung vom Bewegungskörper in weiteren Grenzen variiert werden kann als bei der Messung des vertikalen Messmagnetfeldes und nur vergleichsweise geringe Messsignalveränderungen hingenommen werden müssen. Somit ist bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung eine größere Einbautoleranz der Messeinrichtung(en) und/oder eine größere Toleranz gegenüber Maßabweichungen oder Schwankungen der Oberfläche des Bewegungskörpers möglich. Die Erfindung beruht auf der weiteren Erkenntnis, dass die Messung des tangentialen Messmagnetfeldes in größerer Entfernung als dem Abstand der Magnetfelderzeugungsmittel vom Bewegungskörper zu einem verbesserten Nutzsignal führt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.

In einer ersten, vorteilhaften Ausbildung umfasst wenigstens eine Messeinrichtung wenigstens eine Induktionsspule zum Messen des Messmagnetfeldes, die im Allgemeinen mit ihrer Spulenachse wenigstens annähernd senkrecht zum Magnetfeld der Magnetfelderzeugungsmittel und/oder wenigstens annähernd parallel zu einer Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers angeordnet ist.

Zur Führung des Messmagnetfeldes durch die Induktionsspule(n) und auch als Träger für die Spulenwicklung ist für jede Induktionsspule im Allgemeinen ein eigener Magnetflussleitkörper oder Spulenkern vorgesehen. Außerdem kann, insbesondere zur Montage oder auch zusätzlich zur Flussführung auch an den Stirnseiten jeder Induktionsspule wenigstens ein Abschlusskörper angeordnet sein.

In einer vorteilhaften Ausführungsform durchdringt das Magnetfeld der Magnetfelderzeugungsmittel den elektrisch leitfähigen Bereich des Bewegungskörpers in wenigstens einem räumlich begrenzten Teilgebiet oder in wenigstens zwei räumlich begrenzten und vorzugsweise in Bewegungsrichtung voneinander beabstandeten Teilgebieten.

Die Anordnung der Messeinrichtung relativ zu diesem Teilgebiet kann nun unterschiedlich gewählt werden.

In einer ersten Ausführungsform wird wenigstens eine Messeinrichtung so angeordnet, dass ihre Projektion auf den Bewegungskörper in einer parallel zum Magnetfeld der Magnetfelderzeugungsmittel oder senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers gerichteten Projektionsrichtung wenigstens teilweise innerhalb des Teilgebietes liegt. Diese erste Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn die Messeinrichtung im Flusspfad eines um nur ein magnetisch aktiviertes Teilgebiet im Bewegungskörper verlaufenden Messmagnetfeldes angeordnet ist.

In einer zweiten, alternativen Ausführungsform ist wenigstens eine Messeinrichtung so angeordnet, dass ihre entsprechende Projektion im Wesentlichen vollständig außerhalb jedes vom Magnetfeld der Magnetfelderzeugungsmittel durchdrungenen Teilgebietes des Bewegungskörpers liegt. Diese zweite Ausführungsform ist dann zu bevorzugen, wenn wenigstens zwei räumlich voneinander getrennte magnetisch aktivierte Teilgebiete im Bewegungskörper vorgesehen sind und die Messeinrichtung somit versetzt zu den Teilgebieten und insbesondere zwischen den Teilgebieten angeordnet ist. Die Projektion jeder Messeinrichtung auf den Bewegungskörper in einer parallel zum Magnetfelderzeugungsmittel oder senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers gerichteten Projektionsrichtung liegt dann insbesondere zwischen den beiden vom Magnetfeld der Magnetfelderzeugungsmittel durchdrungenen Teilgebieten im Bewegungskörper.

Die Projektion wenigstens einer und vorzugsweise jeder Messeinrichtung auf dem Bewegungskörper ist nun insbesondere zumindest in der Bewegungsrichtung von einem Rand des vom Magnetfeld der Magnetfelderzeugungsmittel durchdrungenen Teilgebietes im Wesentlichen gleich beabstandet, die Messeinrichtung also mittig zum Teilgebiet oder zwischen zwei Teilgebieten angeordnet.

Ferner ist vorzugsweise jede Messeinrichtung in Bewegungsrichtung im Wesentlichen symmetrisch zu den Magnetfelderzeugungsmitteln oder einer gemeinsamen Symmetrieebene senkrecht zur Bewegungsrichtung ausgebildet und/oder angeordnet.

Die mittige oder symmetrische Anordnung der Messeinrichtung(en) hat den Vorteil, dass das Messmagnetfeld in Tangentialrichtung zur Bewegungsrichtung in der Mitte oberhalb und unterhalb des Teilgebietes am größten ist und somit eine hohe Sensorempfindlichkeit oder Messempfindlichkeit bzw. ein hohes Nutzsignal erreicht wird. Die Symmetrie kann noch erhöht werden, indem jede Messeinrichtung in Bewegungsrichtung im Wesentlichen symmetrisch zu den Magnetfeldfelderzeugungsmitteln oder einer gemeinsamen senkrecht zur Bewegungsrichtung gerichteten Symmetrieebene ausgebildet wird, also bei Verwendung einer Induktionsspule insbesondere hinsichtlich deren wirksamen Querschnittes und deren Windungszahl sowie Materials.

Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld der Magnetfelderzeugungsmittel in beiden Teilgebieten des Bewegungskörpers im Wesentlichen gleich, vorzugsweise senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers, gerichtet ist und insbesondere auch homogen und/oder zeitlich konstant ist.

Im Allgemeinen ist das Magnetfeld der Magnetfelderzeugungsmittel auch im Teilgebiet des Bewegungskörpers im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung gerichtet. Das Magnetfeld der Magnetfelderzeugungsmittel ist dann, insbesondere bei entsprechender Auslegung der Magnetflussleitmittel, wenigstens annähernd orthogonal zum tangentialen Messmagnetfeld im Bereich der Messeinrichtung(en) gerichtet, und wird deshalb von der Messeinrichtung entweder nicht erfasst oder kann herausgefiltert werden. Dadurch werden sich auch durch eine eventuelle Temperaturdrift erzeugte Schwankungen im angelegten Magnetfeld im Messsignal der Messeinrichtung nicht negativ auswirken können und Temperaturdrift und Rauschen insgesamt gering gehalten.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind den Magnetfelderzeugungsmitteln Magnetflussleitmittel (oder: Flusskollektoren, Magnetflussführungsmittel, Joch) zum Leiten des Magnetfeldes der Magnetfelderzeugungsmittel zugeordnet, wobei die Magnetflussleitmittel vorzugsweise einen geschlossenen Magnetkreis (oder: Magnetflusspfad) bilden.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform sind zusätzlich oder alternativ wenigstens einer Messeinrichtung Magnetflussleitmittel zum Leiten des Messmagnetfeldes zugeordnet, die vorzugsweise einen geschlossenen Magnetkreis bilden.

Die genannten Magnetflussleitmittel führen den Magnetfluss der Magnetfelderzeugungsmittel bzw. des Messmagnetfeldes in einer definierten Weise. Bei den Magnetfelderzeugungsmitteln können mit den Magnetflussleitmitteln das Magnetfeld konzentriert, Streufelder reduziert und die Feldstärke im aktivierten Teilgebiet des Bewegungskörpers erhöht werden. Bei der Messeinrichtung kann dagegen durch zusätzliche Magnetflussleitmittel die effektive Permeabilität und damit das Nutz- oder Messsignal der Messeinrichtung erhöht werden.

Die Magnetflussleitmittel für die Magnetfelderzeugungsmittel und die Magnetflussleitmittel für die Messeinrichtung(en) bilden vorzugsweise voneinander getrennte Magnetfeldstrecken. Die getrennte Ausbildung und Anordnung der Magnetflussleitmittel für die Magnetfelderzeugungsmittel einerseits und die Messeinrichtung andererseits erlaubt eine Optimierung von deren Funktionen und das Vorsehen unterschiedlicher Geometrien und Materialien.

Es können aber auch für die Magnetfelderzeugungsmittel und die Messeinrichtung wenigstens teilweise gemeinsame Magnetflussleitmittel vorgesehen sein.

Bei der Materialwahl und auch der Ausbildung der Magnetflussleitmittel wird vorzugsweise darauf geachtet, dass diese möglichst niedrige Wirbelstromverluste und/oder ein möglich geringes thermisches Rauschen aufweisen. Dazu können Magnetflussleitmittel aus einem Material mit einem niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand bestehen und/oder Maßnahmen zur Reduzierung von Wirbelströmen, beispielsweise Lamellierungen oder Schlitze, aufweisen. Das Material für die Magnetflussleitmittel ist im Allgemeinen zumindest überwiegend magnetisch leitfähig und/oder weichmagnetisch. Bei einer gesonderten Auslegung der Magnetflussleitmittel für die Magnetfelderzeugungsmittel einerseits und für die Messeinrichtung andererseits weisen die Magnetflussleitmittel für die Magnetfelderzeugungsmittel vorzugsweise eine höhere magnetische Permeabilität auf als die Magnetflussleitmittel für die Messeinrichtung, da der Zwischenraum der Magnetfelderzeugungsmittel, durch den sich der Bewegungskörper bewegt, mit dem Erregermagnetfeld überbrückt werden muss. Überdies können die Magnetflussleitmittel für die Messeinrichtung auch mit einem Material mit niedrigeren Wirbelstromverlusten als das Material für die Magnetflussleitmittel der Magnetfelderzeugungsmittel gebildet werden. Beispielsweise kann für die Magnetflussleitmittel der Messeinrichtung ein aus Eisenpulver gebildetes oder ein ferritisches magnetisches Material gewählt werden. Für die Magnetflussleitmittel der Magnetfelderzeugungsmittel kann dagegen Weicheisen als hochpermeables Material verwendet werden.

Die Magnetflussleitmittel für die Magnetfelderzeugungsmittel führen nun in einer vorteilhaften Ausführungsform das Magnetfeld der Magnetfelderzeugungsmittel wenigstens annähernd senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers und/oder in wenigstens einer Ebene, die senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers gerichtet ist. Dadurch wird eine die tangentielle Messung der Messeinrichtung eventuell störende Tangentialkomponente des Erregerfeldes praktisch vermieden.

Die Magnetflussleitmittel für die Messeinrichtung(en) führen das Messmagnetfeld dagegen vorzugsweise in wenigstens einer, die Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers enthaltenden Ebene.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Magnetflussleitmittel für die Magnetfelderzeugungsmittel das Magnetfeld der Magnetfelderzeugungsmittel in einer Ebene leiten, die im Wesentlichen senkrecht zur Ebene gerichtet ist, in der die Magnetflussleitmittel für die Messeinrichtung das Messmagnetfeld leiten. Dadurch sind die Magnetfeldstrecken der Magnetflussleitmittel für Erregerfeld und Messfeld orthogonal und damit (linear) unabhängig voneinander und beeinflussen sich praktisch nicht mehr.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist wenigstens ein Paar von zwei Messeinrichtungen vorgesehen, die auf verschiedenen Seiten des Bewegungskörpers angeordnet sind. Dadurch ist es bei geeigneter Anordnung und elektrischer Verschaltung der beiden Messeinrichtungen möglich, die Nutzmesssignale der beiden Messeinrichtung zu addieren und Störsignale durch eine Gleichtaktunterdrückung (oder: Gegentaktunterdrückung) wenigstens teilweise zu kompensieren oder zu eliminieren. Solche Störsignale entstehen insbesondere durch Änderungen in den Abständen zwischen den Messeinrichtungen und der Bewegungskörper, die ein im Allgemeinen mit zunehmender Drehzahl größer werdendes Störsignal zur Folge haben. Solche Abstandsänderungen können insbesondere durch Abweichung des Bewegungskörpers von der vorgesehenen Bewegung, beispielsweise durch eine Taumel- oder Kippbewegung, verursacht werden. Da an entgegengesetzten Seiten des Bewegungskörpers das Messmagnetfeld in der Regel entgegengesetzt gerichtet ist, werden die beiden Messeinrichtungen in dieser Ausführungsform im Allgemeinen mit einer entgegengesetzten elektrischen Polarität verschaltet.

Vorzugsweise liegen sich die beiden Messeinrichtungen direkt gegenüber, stimmen also ihre Projektionen auf den Bewegungskörper überein, und/oder sind die beiden Messeinrichtungen im Wesentlichen identisch zueinander gestaltet. Jede dieser Maßnahmen verbessert die Störunterdrückung.

Die Magnetfelderzeugungsmittel umfassen im Allgemeinen wenigstens ein Paar oder wenigstens zwei in Bewegungsrichtung zueinander versetzte Paare von Permanentmagneten mit einander zugewandten entgegengesetzten (oder: ungleichnamigen) Magnetpolen, zwischen denen der Bewegungskörper sich bewegt oder bewegbar ist.

Die Magnetfelderzeugungsmittel und/oder die Magnetflussleitmittel und/oder die Messeinrichtung und/oder die Magnetflussleitkörper und/oder Abschlusskörper können in einer Weiterbildung an jeweils einem oder einem gemeinsamen Träger befestigt sein und/oder mit dem Träger thermisch gekoppelt sein. Der Träger ist dann vorzugsweise thermisch gut leitfähig, insbesondere aus Metall bestehend. Die thermische Kopplung an den vorzugsweise gut wärmeleitfähigen Träger hat den Vorteil, dass Wirbelstromverlustwärme aus den magnetisch leitenden Körpern abgeführt und diese effektiv gekühlt werden können. Dadurch wird thermisches Rauschen reduziert.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in deren
Fig. 1 einen durch ein Magnetfeld translatorisch bewegten Bewegungskörper in einer perspektivischen Ansicht
Fig. 2 eine Vorrichtung zum Erfassen einer Bewegung eines durch ein Magnetfeld bewegten Bewegungskörpers mit einer tangential angeordneten Induktionsspule in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 3 eine Vorrichtung zum Erfassen einer Bewegung eines Bewegungskörpers mit einem U-förmigen Joch und zwei Permanentmagneten sowie zwei Induktionsspulen in einem senkrecht zur Bewegungsrichtung gerichteten Querschnitt,
Fig. 4 eine Vorrichtung zum Erfassen einer Bewegung eines Bewegungskörpers mit zwei zwischen zwei Permanentmagneten und dem Bewegungskörper angeordneten Induktionsspulen in einem die Bewegungsrichtung enthaltenden Längsschnitt,
Fig. 5 eine Vorrichtung zum Erfassen einer Bewegung eines Bewegungskörpers mit zwei tangential angeordneten Induktionsspulen und zwei Permanentmagneten zwischen den Induktionsspulen und dem Bewegungskörper in einem die Bewegungsrichtung enthaltenden Längsschnitt,
Fig. 6 eine Vorrichtung zum Erfassen einer Bewegung eines Bewegungskörpers mit zwei tangential angeordneten Induktionsspulen und vier Permanentmagneten zwischen den Induktionsspulen und dem Bewegungskörper in einem die Bewegungsrichtung enthaltenden Längsschnitt,
Fig. 7 eine Vorrichtung zum Erfassen einer Bewegung eines Bewegungskörpers mit zwei Paaren von Permanentmagneten und zwei tangential angeordneten Induktionsspulen mit jeweils zugeordneten Magnetflussleitmitteln in einem die Bewegungsrichtung enthaltenden Längsschnitt,
Fig. 8 die Vorrichtung gemäß Fig. 7 in einem Querschnitt senkrecht zur Bewegungsrichtung und
Fig. 9 eine Weiterbildung der Vorrichtung gemäß Fig. 7 mit zusätzlichen Magnetflussleitkörpern zum Leiten des Magnetfeldes in einem die Bewegungsrichtung enthaltenden Längsschnitt
jeweils schematisch veranschaulicht sind. Einander entsprechende Teile und Größen sind in den Fig. 1 bis 9 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In den Fig. 1 bis 9 ist ein Bewegungskörper, dessen Bewegung erfasst werden soll, mit 2 bezeichnet. Die dargestellten Bewegungskörper 2 bestehen in allen Ausführungsbeispielen aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere ohne Beschränkung der Allgemeinheit einem Metall wie Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al) oder einer Metalllegierung, beispielsweise einem Stahl.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 bewegt sich der Bewegungskörper 2 in einem kartesischen x-y-z-Koordinatensystem mit einer vektoriellen Geschwindigkeit v geradlinig in Richtung des dargestellten Pfeils in x-Richtung. Der Bewegungskörper 2 wird in einem räumlich begrenzten, beispielsweise kubus- oder quaderförmigen, Teilgebiet 5 von einem senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor v und senkrecht zu einer im Wesentlichen ebenen Oberfläche 4 des Bewegungskörpers 2 in z-Richtung gerichteten, zeitlich konstanten Magnetfeld (oder: magnetischen Gleichfeld) B₀ durchdrungen. In einem das Teilgebiet 5 umgebenden äußeren Teilgebiet 6 ist der Bewegungskörper 2 dagegen frei von dem äußeren Magnetfeld B₀. Es sind die Querausdehnungen oder transversalen Ausdehnungen in y-Richtung des Bewegungskörpers mit w und des vom Magnetfeld B₀ durchsetzten Teilgebiets 5 mit e sowie die entsprechenden Endflächen des Teilgebiets 5 in y-Richtung mit -e/2 und +e/2 bezeichnet und die Längsausdehnungen oder longitudinalen Ausdehnungen in x-Richtung des Bewegungskörpers 2 mit 1 und des Teilgebiets 5 mit f bezeichnet. Die Dicke oder Abmessung des Bewegungskörpers 2 in z-Richtung ist mit d bezeichnet.
Das von dem magnetischen Gleichfeld B₀ durchdrungene Teilgebiet 5 wandert mit der Geschwindigkeit -v durch den Bewegungskörper 2. Diese Bewegung hat eine zeitliche Änderung der Magnetflusses zur Folge, so dass im vom Magnetfeld B₀ beaufschlagten Teilgebiet 5 eine elektrische Spannung U_E in y- Richtung und ein entsprechender elektrischer Strom I_F von Ladungsträgern im elektrisch leitfähigen Bewegungskörper 2 induziert werden. Die Stromflusslinien dieses induzierten elektrischen Stromes I_F, der bisweilen auch als Ferraris-Strom bezeichnet wird, verlaufen innerhalb des vom Magnetfeld B₀ durchsetzten Teilgebietes 5 wenigstens annähernd geradlinig zwischen den beiden Endlinien y = -w/2 und y = +w/2 in y- Richtung und schließen sich über das nicht vom Magnetfeld B₀ durchdrungenen äußeren Teilgebiet 6. Dadurch bilden sich Stromschleifen oder Stromwirbel 50 und 60, also Wirbelströme oder geschlossene Ströme, mit in x-Richtung gesehen entgegengesetzter Orientierung des Stromflusses vor und hinter dem Teilgebiet 5.
Nun erzeugt jeder Stromwirbel 50 und 60 oder das gesamte Wirbelstromfeld I_F wiederum eine magnetische Flussdichte oder magnetische Induktion als Messmagnetfeld B_F, das mitunter auch Ferraris-Messfeld oder Ferraris-Induktionsfeld genannt wird. Ein Feldwirbel dieses Messmagnetfeldes B_F ist beispielhaft dargestellt und umfasst zwei durch die Stromwirbel 50 und 60 in entgegengesetzten Richtungen in z-Richtung verlaufende vertikale Flusspfade 10B und 10D und zwei im Wesentlichen parallel zur x-y-Ebene verlaufende tangentiale Flusspfade 10A und 10C mit ebenfalls entgegengesetzter Orientierung. Es gilt zumindest in guter Näherung

|B_F| ~ |I_F| ~ |v × B₀|/ρ (1),

wobei "~" "ist proportional zu", | | "Betrag oder Norm von" "x" Vektor- oder Kreuzprodukt bedeuten sowie ρ der spezifische elektrische Widerstand des Bewegungskörpers 2 ist.
Gemäß der Erfindung wird nun das Messmagnetfeld B_F in dem tangential zum Bewegungskörper 2 verlaufenden Flusspfad 10A und/oder 10C gemessen. Dazu wird in tangentialer Richtung wenigstens an einer Seite des Bewegungskörpers 2 eine in Fig. 1 nicht gezeigte Induktionsspule oder Detektorspule oder eine andere Messeinrichtung angeordnet.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer solchen tangential angeordneten und detektierenden Induktionsspule 36 bei einer abgewandelten Geometrie des Teilgebietes 5. Das magnetisch aktivierte Teilgebiet 5 im Bewegungskörper 2 ist in der Bewegungsrichtung, also entlang der Bewegungstrajektorie, des Bewegungskörpers 2 bevorzugt ausgedehnt. Die Länge f des Teilgebietes 5, also dessen in Bewegungsrichtung oder x- Richtung gemessene Ausdehnung, ist größer als die quer dazu gemessenen lateralen Ausdehnungen, insbesondere die Breite e in y-Richtung. Im Allgemeinen ist das Verhältnis f/e > 3, insbesondere ist f/e > 5 und vorzugsweise ist f/e > 10.
Das vom Magnetfeld B₀ durchdrungene Teilgebiet 5 liegt in Fig. 2 vollständig innerhalb des elektrisch leitfähigen Bewegungskörpers 2 und ist von dem nicht vom Magnetfeld B₀ durchdrungenen äußeren Teilgebiet 6 umgeben. Es sind der in x-Richtung gesehen vordere Bereich des Teilgebiets 6 mit 6B, der rechte Bereich mit 6A, der linke Bereich mit 6C und der hintere Bereich mit 6D bezeichnet. Bei Bewegung des Bewegungskörpers 2 werden nun elektrische Ströme I_F induziert, die durch das Teilgebiet 5 im Wesentlichen in y-Richtung fließen und sich erst über die im Mittel vergleichsweise weit entfernt liegenden vorderen oder hinteren Bereiche 6B und 6D schließen. Dadurch ist in einem mittleren Bereich des Teilgebietes 5 über einen großen Bereich von dessen Länge f ein im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 4 des Bewegungskörpers 2 verlaufendes tangentiales Messmagnetfeld B_F detektierbar, von dem wieder zwei tangentiale Flusspfade mit 10A und 10C bezeichnet sind. Die Bildung von Wirbelströmen wird dagegen verringert.
Die Induktionsspule 36 ist in dem tangentialen Flusspfad 10A des Messmagnetfeldes B_F angeordnet. Die Spulenachse A der zylindrischen Induktionsspule 36 ist parallel zur Oberfläche 4 des Bewegungskörpers 2 und zur durch die x-Richtung bestimmten Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers 2 gerichtet. Der tangentiale Flusspfad 10A verläuft also im Wesentlichen axial zur Spulenachse A durch die Induktionsspule 36.
Das Messmagnetfeld B_F induziert in der Induktionsspule 36 eine elektrische Messspannung U_m, die proportional zur zeitlichen Ableitung oder Änderung d|B_F|/dt des Messmagnetfeldes B_F ist und an zwei Anschlüssen 3A und 3B der Induktionsspule 36 abgreifbar ist. Man erhält somit für den Betrag der Messspannung der Induktionsspule

U_m ~ dv_x/dt (2).
Die Induktionsspule 36 ist nun unmittelbar über dem Teilgebiet 5 angeordnet, so dass die geometrische orthogonale Projektion der Induktionsspule 36 in z-Richtung innerhalb des Teilgebietes 5 zu liegen kommt. Bei einer solchen Anordnung wird das tangential gerichtete Messmagnetfeld B_F im Bereich des Flusspfades 10A mit einer vergleichsweise hohen Feldstärke gemessen, woraus auch eine vergleichsweise hohe Messempfindlichkeit resultiert. Da die Feldstärke des tangential gerichteten Messmagnetfeldes B_F (Tangentialfeldes) in den Flusspfaden 10A und 10C oberhalb und unterhalb des Teilgebietes 5, in x-Richtung oder Bewegungsrichtung gesehen, in der Mitte am größten ist, wird die Induktionsspule 36 zweckmäßig in x-Richtung mittig zum Teilgebiet 5 angeordnet, so dass die Projektion nach beiden Seiten in x-Richtung den gleichen Abstand zum Rand des Teilgebietes 5 aufweist oder eine gemeinsame Symmetrieebene oder Symmetrieachse mit dem Teilgebiet 5 aufweist.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Bewegungs- Detektionsvorrichtung. Es ist ein U-förmiges, magnetisch leitendes Joch 12 vorgesehen, das einen Spalt (Luftspalt) 11 um oder einschließt. An den beiden U-Schenkeln des Jochs 12 sind an beiden Seiten des Spaltes 11 zwei platten- oder scheibenförmig ausgebildete Permanentmagnete 7 und 8 angeordnet, die sich mit entgegengesetzten Magnetpolen gegenüberliegen. Der Bewegungskörper 2 durchläuft den Spalt 11 zwischen den beiden Permanentmagneten 7 und 8. Das im Spalt 11 liegende Teilgebiet 5 des Bewegungskörpers 2 wird von dem im Wesentlichen homogenen, gleichgerichteten Magnetfeld B₀ der beiden Permanentmagneten 7 und 8 durchdrungen. Dieses Magnetfeld B₀ erzeugt in dem mit der senkrecht zur Zeichenebene gerichteten Geschwindigkeit v bewegten Bewegungskörper 2 Wirbelströme, die zu einem gegeninduzierten Messmagnetfeld B_F führen. Die Richtungen und Orientierungen der Magnetfelder B₀ und B_F sind mit entsprechenden Pfeilen veranschaulicht. Die beiden Permanentmagnete 7 und 8 sind über das Joch 12 an ihren vom Spalt 11 abgewandten Magnetpolen miteinander magnetisch kurzgeschlossen. Das Magnetfeld B₀ schließt sich somit außerhalb des Spaltes 11 über das Joch 12, so dass Streufelder und damit verbundene Empfindlichkeitsverluste praktisch vermieden werden. Das Joch 12 ist an beiden Seiten an einem Trägerkörper 13 montiert, der insbesondere ein winkel- oder U-förmiges Montageblech sein kann.
Es sind nun im Spalt 11 ferner zwei Induktionsspulen 32 und 33 jeweils an entgegengesetzten Seiten des Bewegungskörpers 2 und zwischen den Permanentmagneten 7 und 8 angeordnet. Die Mittelachse oder Spulenachse der um einen Spulenkern 42 gewickelten Induktionsspule 32 ist mit A1 bezeichnet, die Spulenachse der um einen Spulenkern 43 gewickelten Induktionsspule 33 mit A2 und eine senkrecht zur Oberfläche 4 oder zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers 2 gerichtete Mittelachse der Permanentmagneten 7 und 8 mit A3. Die Spulenachsen A1 und A2 der Induktionsspulen 32 und 33 sind im Wesentlichen parallel zueinander und parallel zur Bewegungsrichtung (oder: tangential zur Bewegungstrajektorie) des Bewegungskörpers 2 sowie senkrecht zur Mittelachse A3 und dem Magnetfeld B₀ gerichtet.
Die beiden Induktionsspulen 32 und 33 erfassen jeweils das durch die Wirbelströme (entsprechend den entgegengesetzt orientierten Stromwirbeln 50 und 60 in Fig. 1) erzeugte Messmagnetfeld B_F, das an den Positionen der Induktionsspulen 32 und 33 tangential zur Bewegungsrichtung und zur Oberfläche 4 des Bewegungskörpers 2 verläuft. Da die Orientierungen des Messmagnetfeldes B_F in dem oberhalb des Teilgebietes 5 liegenden Bereich und im darunter liegenden Bereich gerade entgegengesetzt sind, sind entsprechend auch die Wicklungssinne oder Orientierungssinne der beiden Induktionsspulen 32 und 33 gerade vertauscht. Ferner sind die beiden Induktionsspulen 32 und 33 in eine elektrische Serienschaltung geschaltet, so dass sich ihre beiden Messspannungen gerade aufaddieren. Zugleich werden Störspannungen in den beiden Messspulen 32 und 33 gegenseitig kompensiert oder wegsubtrahiert. Alternativ können die beiden Induktionsspulen 32 und 33 auch den gleichen Windungssinn aufweisen und in Differenz geschaltet und über einen Differenzverstärker ausgelesen werden.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zum Erfassen einer Bewegung eines Bewegungskörpers 2 mit zwei an gegenüberliegenden Seiten des Bewegungskörpers 2 angeordneten Induktionsspulen 32 und 33. Die vertikale, senkrecht zur Mittelachse A1 gerichtete innere Ausdehnung (oder: Innenabmessung, Durchmesser) der Induktionsspule 32 in z-Richtung ist mit a1 und die entsprechende Innenausdehnung der Induktionsspule 33 um deren Mittelachse A2 in z-Richtung mit a2 bezeichnet. Die Abstände der Induktionsspulen 32 und 33 in z- Richtung von dem Bewegungskörper 2 sind mit d1 bzw. d2 bezeichnet und vorzugsweise gleich zueinander, also d1 = d2. Ferner sind der Abstand in z-Richtung der Induktionsspule 32 von dem Permanentmagneten 7 mit d3 und der Induktionsspule 33 von dem Permanentmagneten 8 mit d4 bezeichnet. Vorzugsweise sind auch diese Abstände gleich, also d3 = d4. Die Innenabmessungen a1 und a2 der Induktionsspulen 32 und 33 sind insbesondere größer als die Summe der Abstände d1 + d3 bzw. d2 + d4. Die Abmessung in z-Richtung des Spaltes 11 vom Bewegungskörper 2 zum Permanentmagneten 7 oder 8 entspricht der Summe d1 + a1 + d3 bzw. d2 + a2 + d4.
Das Joch 12 ist in Bewegungsrichtung (x-Richtung) genau so breit ausgebildet wie die beiden Permanentmagnete 7 und 8 und schließt bündig mit diesen ab. Die demnach gemeinsame Ausdehnung in x-Richtung der Permanentmagnete 7 und 8 sowie des Jochs 12 ist mit f bezeichnet. Auch die Induktionsspulen 32 und 33 sind bündig in das Joch 12 eingefügt, so dass die in x-Richtung oder axial zur Spulenachse A1 oder A2 gemessene Länge jeder der Induktionsspulen 32 und 33 gleich der Abmessung f ist.
Durch diese Maßnahmen wird zwar jede der Induktionsspulen 32 und 33 vom Magnetfeld B₀ der Permanentmagnete 7 und 8 durchdrungen, jedoch ist dieses angelegte Magnetfeld B₀ überall senkrecht (oder: orthogonal) zur Spulenachse A1 bzw. A2 gerichtet und wird deshalb von den Induktionsspulen 32 und 33 im Wesentlichen nicht erfasst. Damit werden sich auch die durch eine eventuelle Temperaturdrift erzeugte Schwankungen im angelegten Magnetfeld B₀ im Messsignal nicht negativ auswirken können. Dadurch verringert sich die Drift und das Rauschen der Detektionsvorrichtung insgesamt. Die Feldstärke des Magnetfeldes B₀ wird nun im Allgemeinen an die Aussteuer- oder Sättigungsgrenze der weichmagnetischen Spulenkerne 42 und 43 angepasst.
Die Höhen des Jochs 12, gemessen in z-Richtung vom Bewegungskörper 2 aus, an den verschiedenen Seiten sind mit D5 und D6 bezeichnet und vorzugsweise gleich, also D5 = D6. Vorzugsweise ist die Höhe D5 und D6 des Joches 12 und damit des eigentlichen Sensorkopfes größer als die Breite f. Diese hohe, aber schmale Ausführung des Jochs 12 hat den Vorteil einer vergleichsweise hohen effektiven Permeabilität und eines vergleichsweise hohen Nutzsignals.
Gemäß Fig. 4 sind die Spulenkerne 42 und 43 der beiden Induktionsspulen 32 und 33 an den Enden jeweils mit zwei Abschlusskörpern 52 und 62 bzw. 53 und 63 versehen. Spulenkerne 42 und 43 sowie auch die Abschlusskörper 52, 53 und 62 und 63 sind vorzugsweise rotationssymmetrisch um die Mittelachsen A1 bzw. A2 ausgebildet, beispielsweise zylindrisch, oder zumindestens drehsymmetrisch mit einer bestimmten Zähligkeit oder spiegelsymmetrisch zu einer durch die Mittelachse A1 oder A2 verlaufenden Symmetrieebene, beispielsweise bei einer rechteckigen oder polygonalen Gestalt. Die Spulenkerne 42 und 43 können mit den zugehörigen Abschlusskörpern 52 und 62 bzw. 53 und 63 auch einstückig ausgebildet sein. Jede Einheit mit Induktionsspule 32 oder 33, Spulenkern 42 bzw. 43 und Abschlusskörpern 52 und 62 bzw. 53 und 63 ist an dem Joch 12 befestigt, beispielsweise verschraubt, oder von diesem getragen.
Die Ausführungsformen gemäß Fig. 3 und Fig. 4 sind zwar aus dem Stand der Technik nicht bekannt und könnten deshalb an sich ebenfalls Gegenstände von Ansprüchen sein. Jedoch haben diese Ausführungsformen den gewissen Nachteil, dass der Spalt 11 zwangsläufig relativ groß gewählt sein muss, da die tangentielle Komponente des Messmagnetfeldes B_F erst relativ weit weg von dem Bewegungskörper 2 richtig messbar ist. Das zwischen den Permanentmagneten 7 und 8 angelegte Magnetfeld B₀ wird durch diesen vergleichsweise großen Abstand der Permanentmagnete 7 und 8 relativ gering infolge der Entmagnetisierung.
Deshalb wird gemäß der Erfindung nun vorgeschlagen, die Induktionsspulen 32 und 33 bzw. allgemein die Messeinrichtung zum Messen des Messmagnetfeldes B_F außerhalb oder weiter entfernt vom Bewegungskörper 2 als die Permanentmagnete 7 und 8 anzuordnen.
Die Fig. 5 zeigt eine durch diese Maßnahme gemäß der Erfindung aus der Ausführungsform gemäß Fig. 4 hervorgegangene Bewegungserfassungsvorrichtung. Im Unterschied zu Fig. 4 ist in Fig. 5 die Anordnung der Induktionsspulen (oder: Detektorspulen) 32 und 33 mit den zugehörigen Spulenkernen 42 und 43 und Abschlusskörpern 52 und 62 bzw. 53 und 63 einerseits sowie der zugehörigen Permanentmagnete 7 und 8 andererseits gerade vertauscht. Die Permanentmagnete 7 und 8 liegen also näher beim Bewegungskörper 2 als die Induktionsspulen 32 und 33.
Dadurch ist zum einen das Erregerfeld (oder: Magnetfeld) B₀ mit einer ausreichend großen Feldstärke im Teilgebiet 5 versehen und zum anderen wird das Messmagnetfeld B_F an einer Stelle erfasst, an der es ein optimales Nutzsignal liefert. Diese Maßnahme geht auch aus von der Überlegung, dass die tangentiale Komponente des Messmagnetfeldes B_F sich mit dem Abstand in z-Richtung vom Bewegungskörper 2 relativ wenig ändert, also vergleichsweise homogen ist, insbesondere ab einem bestimmten Mindestabstand vom Bewegungskörper 2, und somit eine relativ hohe Einbautoleranz dieser Messanordnung erreicht wird. In Fig. 5 ist wieder ein besonders kompakter Aufbau durch die bündige Anordnung der Induktionsspulen 32 und 33 und der Permanentmagnete 7 und 8 sowie des Jochs 12 in x- Richtung gewählt.
Gemäß Fig. 3, 5 und 6 ist das Joch 12 an der vom Bewegungskörper 2 abgewandten Seite an einem Träger (oder: Montagekörper) 13 befestigt, insbesondere verschraubt. Der Träger 13 besteht vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise einem Metall, und/oder kann U- oder L-förmig ausgebildet sein. Bei einer U-förmigen Ausbildung des Jochs 12 wie in Fig. 3 kann das Joch 12 an wenigstens zwei Seiten oder ringsherum am Träger 13 befestigt sein. Der Träger 13 aus dem gut wärmeleitenden Material ermöglicht eine effektive Kühlung sowohl der Induktionsspulen 32 und 33 als auch des Jochs 12 und damit der mit dem Joch 12 verbundenen Permanentmagnete 7 und 8. Durch diese Wärmeabfuhr werden Temperaturdrift und Rauschen weiter verringert.
In Fig. 6 umgibt der Träger 13 das Joch 12 nach Art eines Gehäuses. Die Abschlusskörper 52, 53 und 62, 63 der Induktionsspulen 32, 33 sind zwischen dem Joch 12 und dem Träger 13 angeordnet, die Spulenkerne 42 und 43 und die Induktionsspulen 32 und 33 selbst wieder in dem Joch 12. An der dem Bewegungskörper 2 zugewandten Innenseite des Trägers 13 sind in der durch die Geschwindigkeit v definierten Bewegungsrichtung zueinander versetzt zwei Paare von Permanentmagneten 7 und 8 sowie 7' und 8' angeordnet, zwischen denen jeweils ein Spalt 11 bzw. 11' für den Bewegungskörper 2 gebildet ist.
Die Spaltabmessungen der Spalte 11 und 11' in z-Richtung zwischen Bewegungskörper 2 und Permanentmagneten 7 bzw. 7' und 8 bzw. 8' sind gleich und mit D1 bzw. D2 bezeichnet. Die Abstände d1 und d2 der Induktionsspulen 32 und 33 vom Bewegungskörper 2 in z-Richtung sind nun größer als die Abstände D1 und D2 der Permanentmagneten 7 und 8 bzw. 7' und 8' vom Bewegungskörper 2, d. h. die Induktionsspulen 32 und 33 liegen weiter außen als die Permanentmagnete 7 und 8 bzw. 7' und 8'. Die Spulenachsen A1 und A2 der beiden Induktionsspulen 32 und 33 verlaufen tangential, also parallel zur Bewegungsrichtung, das Magnetfeld B₀ der Permanentmagnete 7 und 8 bzw. 7' und 8' dagegen jeweils senkrecht zur Bewegungsrichtung. Die x- Abmessungen der Permanentmagnete 7 und 8 und damit des vom Magnetfeld B₀ durchdrungenen Teilgebietes 5 im Bewegungskörper 2 sind gleich und mit f1 bezeichnet, die Abmessung in x- Richtung der Permanentmagnete 7' und 8' sowie des entsprechenden Teilgebietes 5' im Bewegungskörper 2 sind ebenfalls gleich und mit f2 bezeichnet. Vorzugsweise sind die Abmessungen f1 und f2 gleich und die Permanentmagnete sowie die Induktionsspulen 32 und 33 spiegelsymmetrisch zu der y-z-Ebene, also einer durch die Mittelachse A3 des Jochs 12 und senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufende Symmetrieebene ausgebildet und angeordnet. Die Induktionsspulen 32 und 33 liegen komplett innerhalb der beiden Permanentmagnetpaare 7 und 8 und 7' und 8', so dass die orthogonale Projektion der Induktionsspulen 32 und 33 auf dem Bewegungskörper 2 zwischen den beiden Teilgebieten 5 und 5' liegt. Die entsprechende Abmessung in x-Richtung der Induktionsspulen 32 und 33 und des Jochs 12 ist mit f bezeichnet. Die Abmessungen f1 und f2 entsprechen der Summe der Abmessungen in x-Richtung des Trägers 13 und des Abschlusskörpers 52 und 53 bzw. 62 und 63 in x- Richtung.
Das Joch 12 sowie die magnetisch leitenden Abschlusskörper 52, 53, und 62 und 63 leiten den Magnetfluss des Magnetfeldes B₀ in einer im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung gerichteten Richtung in einem im Wesentlichen geschlossenen Magnetkreis. Die Induktionsspulen 32 und 33 liegen im Wesentlichen außerhalb dieses Magnetkreises, werden vom Magnetfeld B₀ also im Wesentlichen nicht durchdrungen. Zur Leitung des Magnetflusses kann zusätzlich auch der Träger 13 magnetisch leitfähig ausgebildet sein.
Die symmetrische Anordnung der Induktionsspulen 32 und 33 bezogen auf die Mittelachse A3 der Permanentmagnete 7 und 8 gemäß Fig. 3, 4, 5 oder 6 hat den Vorteil, dass das Messmagnetfeld B_F in Tangentialrichtung zur Bewegungsrichtung (tangentiales Feld) in x-Richtung gesehen in der Mitte oberhalb und unterhalb des Teilgebietes 5 am größten ist und somit eine hohe Sensorempfindlichkeit oder Messempfindlichkeit erreicht wird. Da die Feldstärke des Messmagnetfeldes B_F in z-Richtung nach außen relativ langsam abklingt, ist überdies eine relativ große Einbautoleranz möglich.
Fig. 7 und 8 zeigen in zwei verschiedenen Schnitten eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung zum Erfassen einer Bewegung eines Bewegungskörpers 2. Fig. 8 entspricht dabei dem Schnitt entlang den mit VIII bezeichneten Pfeilen in Fig. 7. Die Induktionsspulen 32 und 33 sind wieder auf Spulenkernen 42 und 43 mit im Wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers 2 verlaufenden Spulenachsen A1 und A2 angeordnet. Die Abstände der wirksamen Innenflächen der sensorisch wirksamen Querschnittsflächen der Spulen 32 und 33 von dem Bewegungskörper 2 sind wieder mit d1 und d2 bezeichnet und im Wesentlichen konstant sowie vorzugsweise auch identisch zueinander. An den Stirnseiten der Spulenkerne 42 und 43 der beiden Induktionsspulen 32 und 33 sind wieder in Bewegungsrichtung sich anschließende Abschlusskörper 52 und 62 bzw. 53 und 63 angeordnet. Die beiden einander gegenüberliegenden Abschlusskörper 52 und 53 schließen bündig und an ihren Innenseiten unmittelbar an die Permanentmagnete 7 bzw. 8 an und die Abschlusskörper 62 und 63 unmittelbar an die Permanentmagnete 7' bzw. 8'. An einer Seite sind die beiden Abschlusskörper 52 und 53 durch ein U-förmiges Joch 12 und die beiden Abschlusskörper 62 und 63 über ein U-förmiges Joch 12' miteinander magnetisch verbunden. Die Abschlusskörper 52 und 53 bilden mit dem zugehörigen Joch 12 einen Magnetkreis zum Leiten des Magnetfeldes B₀ der beiden Permanentmagnete 7 und 8 und die Abschlusskörper 62 und 63 mit dem zugehörigen Joch 12' einen geschlossenen Magnetkreis zum Leiten des Magnetfeldes B₀ der Permanentmagnete 7' und 8'. Beide Magnetkreise (oder: Magnetflussleitmittel) für das Magnetfeld B₀ verlaufen im Wesentlichen in einer die in z-Richtung verlaufenden Achsen A3 bzw. A3' der Abschlusskörper 52 und 53 bzw. 62 und 63 enthaltenen und senkrecht zur Bewegungsrichtung (x-Richtung) gerichteten Ebene, so dass das Magnetfeld B₀ praktisch überall senkrecht zur Bewegungsrichtung gerichtet ist.
Das Messmagnetfeld B_F wird dagegen in einer senkrecht zu diesen beiden Ebenen der Magnetflussleitmittel durch das Magnetfeld B₀ gerichteten Ebene geführt durch den Magnetkreis, der durch die Abschlusskörper 52, 62, 62 und 63 sowie die dazwischenliegenden Spulenkerne 42 und 43 gebildet ist. Durch diese orthogonale Orientierung der Magnetflussleitmittel für das Magnetfeld B₀ der Magnetfelderzeugungsmittel 7, 7', 8, und 8' einerseits und des Messmagnetfeldes B_F andererseits wird eine optimale Unabhängigkeit des Erregersystems zum Erzeugen der Induktionsströme im Bewegungskörper 2 einerseits und des Detektionssystems zum Messen der induzierten Magnetfelder andererseits erreicht. Die dargestellten Magnetkreise haben jeweils eine im Wesentlichen ringförmige Gestalt mit rechteckigem Schnitt, können aber auch eine gekrümmte Gestalt aufweisen. Die Abstände der Induktionsspulen 32 und 33 von dem Bewegungskörper 2 sind größer als die Abstände D1 und D2 der Permanentmagnete 7 und 8 bzw. 7' und 8'. Das Verhältnis d1/D1 oder d2/D2 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 10 und 20. Die absoluten Werte werden typischerweise für D1 und D2 zwischen 0,5 mm und 2 mm, für d1 und d2 zwischen 5 mm und 20 mm liegen.
Fig. 9 zeigt nun eine Weiterbildung, bei der in Ergänzung zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 zusätzliche Magnetflussleitkörper 14, 15, 16 und 17 an den, in Bewegungsrichtung gesehen, Außenseiten der Abschlusskörper 52, 62, 63 bzw. 53 angeordnet sind. Es sind der Magnetflussleitkörper 14 an der von dem Spulenkern 42 abgewandten Seite des Abschlusskörpers 52, der Magnetflussleitkörper 15 an der vom Spulenkern abgewandten Seite des Abschlusskörpers 62, der Magnetflussleitkörper 16 an der vom Spulenkern 43 abgewandten Seite des Abschlusskörpers 63 und der vierte Magnetflussleitkörper 17 an der von dem Spulenkern 43 abgewandten Seite des Abschlusskörpers 53 angeordnet. Jeder der Magnetflussleitkörper 14 bis 17 besteht aus einem magnetisch leitfähigen Material. Die Magnetflussleitkörper 14 und 17 sind einander gegenüberliegend unmittelbar in dem vom Magnetfeld B₀ durchdrungenen Teilgebiet 5 im Bewegungskörper 2 angeordnet und führen somit das dort erzeugte Messmagnetfeld B_F oder nehmen dieses auf (oder: "saugen es auf). Diese zusätzlichen Magnetflussleitkörper ("Saugfüße") dienen zur besseren Einkopplung des Messmagnetflusses und sind so angeordnet, dass ein ungestörter geschlossener Magnetflusswirbel 10 geführt wird über die mit den Magnetflussleitkörpern 14 bis 17, den Abschlusskörpern 52, 53, 62, und 63 und den Spulenkernen 42 und 43 gebildeten magnetisch leitenden Komponenten. Die einander gegenüberliegenden Magnetflussleitkörper 14 und 17 sowie 15 und 16 sind jeweils an den Außenseiten der vom Magnetfeld durchdrungenen Teilgebiete 5 und 5' im Bewegungskörper 2 angeordnet, so dass das Messmagnetfeld B_F in den antiparallel zueinander verlaufenden Zweigen 10B und 10D des Wirbels 10 erfasst wird.
Als Materialien für die Permanentmagnete 7 und 8 sowie 7' und 8' können in allen Ausführungsformen handelsübliche Materialien verwendet werden, insbesondere Materialien mit einem hohen Energieprodukt, beispielsweise Samarium-Kobalt- oder Neodym-Eisen-Bor-Legierungen. Als Materialien für die magnetisch leitenden Komponenten bieten sich Materialien mit geringen Wirbelstromverlusten an, wobei zusätzlich auch weitere Maßnahmen, beispielsweise Lamellierung oder Schlitze, zur Wirbelstromunterdrückung oder -verringerung vorgesehen sein können. Wegen der unabhängigen Führung des Magnetflusses des Messmagnetfeldes B_F und des Erregermagnetfeldes B₀ können auch unterschiedliche Materialien für die Magnetflussleitmittel für das Magnetfeld B₀, insbesondere die Abschlusskörper 52 und 53 und das Joch 12 sowie die Abschlusskörper 62 und 63 und das Joch 12' einerseits und die Magnetflussleitmittel für das Messmagnetfeld B_F, insbesondere die Spulenkerne 42 und 42 sowie die Magnetflussleitkörper 14 bis 17, verwendet werden. Beispielsweise können für die Magnetflussleitmittel für das Magnetfeld B₀ Materialien mit einer hohen Permeabilität verwendet werden, beispielsweise Weicheisen, das für die Überbrückung von großen Luftspalten wie dem Spalt 11 besonders geeignet ist wegen seiner großen magnetischen Permeabilität. Allerdings weist Weicheisen wegen seiner vergleichsweise guten elektrischen Leitfähigkeit relativ hohe Wirbelstromverluste auf und verursacht thermisches Rauschen. Für die Magnetflussleitmittel für das Messmagnetfeld B_F können dagegen auch weniger rauschende Materialien, insbesondere pulvermetallurgische Materialien, beispielsweise auf Basis von Eisenpulver, oder ferritische Materialien verwendet werden.
Sowohl in der Ausführungsform gemäß Fig. 7 und 8 als auch in der Ausführungsform gemäß Fig. 9 dienen die Abschlusskörper 52, 53 und 62 und 63 in einer Doppelfunktion sowohl zum Führen des Magnetfeldes B₀ als auch zum Führen des Messmagnetfeldes B_F. Die Magnetflussleitkörper 14 bis 17 können mit den zugeordneten Abschlusskörpern 52, 62, 63 und 53 auch einstückig oder mit einem gemeinsamen zusammenhängenden Körper gebildet sein.
Die Ausführungsformen gemäß Fig. 7 und Fig. 9 sind praktisch spiegelsymmetrisch zu einer senkrecht zur Bewegungsrichtung oder x-Richtung gerichteten Symmetrieebene S ausgebildet. Die beiden Induktionsspulen 32 und 33 sind vorzugsweise praktisch identisch ausgebildet und weisen den gleichen Abstand d1 = d2 vom Bewegungskörper 2 auf. Die mittige Anordnung der Induktionsspulen 32 und 33 bezüglich der nach außen verlaufenden Innenseiten der Abschlusskörper 52, 53, 62 und 63 ist nicht unbedingt erforderlich. Die Abstände d1 und d2 der Induktionsspulen 32 und 33 können bei gleicher Position der Abschlusskörper 52, 53 und 62 und 63 auch variiert werden. Vorteilhaft ist die Führung des Messmagnetfeldes B_F in einer im Wesentlichen tangentialen Richtung gemäß dem Flusspfad 10A oberhalb des Bewegungskörpers 2 und 10C unterhalb des Bewegungskörpers 2 sowie eine weitgehend vertikale Führung des Messmagnetfeldes B_F in den Flusspfaden 10B und 10D. Die Innenabmessung a1 und a2 der Induktionsspulen 32 und 33, die im Wesentlichen den Außenabmessungen der entsprechenden Spulenkernen 42 und 43 entsprechen, sind vorzugsweise jedoch kleiner oder höchstens gleich den Abmessungen in z-Richtung der Abschlusskörper 52, 53 und 62 und 63 gewählt.
Die Vorrichtungen gemäß einer der Fig. 2 bis 9 können außer für eine lineare Bewegung auch in zur Erfassung einer Drehbewegung eines um eine Drehachse rotierenden Bewegungskörpers 2 verwendet werden, wobei der Bewegungskörper 2 dann beispielsweise rotationssymmetrisch um die Drehachse, insbesondere in Gestalt eines Ringes oder einer flachen Scheibe, ausgebildet sein kann. In diesem Fall gilt für die Messspannung U_m der Induktionsspule(n)

U_m ~ dω/dt (3)

mit der Drehgeschwindigkeit ω = dφ/dt e_z, wobei e_z der Einheitsvektor in z-Richtung ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Erfassen einer Bewegung eines Bewegungskörpers (2), der wenigstens in einem Bereich elektrisch leitfähig ist, mit

a) Magnetfelderzeugungsmitteln (7, 8, 7', 8') zum Erzeugen eines Magnetfeldes (B₀), das abhängig von der Bewegung des Bewegungskörpers im elektrisch leitfähigen Bereich des Bewegungskörpers elektrische Ströme (I_F) induziert, und mit

b) wenigstens einer Messeinrichtung (3) zum Messen eines von den elektrischen Strömen im elektrisch leitfähigen Bereich des Bewegungskörpers induzierten Messmagnetfeldes (B_F) als Maß für wenigstens eine Bewegungsgröße des Bewegungskörpers,

wobei

a) die Messeinrichtung das Messmagnetfeld an einer Stelle misst, an der es wenigstens annähernd parallel zur Bewegungsrichtung verläuft, und wobei

b) die Magnetfelderzeugungsmittel näher am Bewegungskörper angeordnet sind als die Messeinrichtung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Magnetfeld (B₀) der Magnetfelderzeugungsmittel (7, 8) den elektrisch leitfähigen Bereich des Bewegungskörpers in wenigstens einem räumlich begrenzten Teilgebiet (5) durchdringt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der das Magnetfeld (B₀) der Magnetfelderzeugungsmittel (7, 8,. 7', 8') den elektrisch leitfähigen Bereich des Bewegungskörpers in wenigstens zwei räumlich begrenzten und vorzugsweise in Bewegungsrichtung voneinander beabstandeten Teilgebieten (5, 5') durchdringt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der eine Projektion der Messeinrichtung (32, 33) auf den Bewegungskörper in einer parallel zum Magnetfeld (B₀) der Magnetfelderzeugungsmittel (7, 8, 7', 8') oder senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers gerichteten Projektionsrichtung zwischen den beiden vom Magnetfeld (B₀) der Magnetfelderzeugungsmittel (7, 8, 7', 8') durchdrungenen Teilgebieten (5, 5') im Bewegungskörper (2) liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei der das Magnetfeld (B₀) der Magnetfelderzeugungsmittel in beiden Teilgebieten (5, 5') des Bewegungskörpers im Wesentlichen gleich, vorzugsweise senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers, gerichtet ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, bei der eine Projektion wenigstens einer Messeinrichtung (36) auf den Bewegungskörper in einer parallel zum Magnetfeld der Magnetfelderzeugungsmittel oder senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers gerichteten Projektionsrichtung wenigstens teilweise innerhalb des oder der vom Magnetfeld (B₀) durchdrungenen Teilgebiete(s) liegt.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, bei der eine Projektion wenigstens einer und vorzugsweise jeder Messeinrichtung (32, 33) auf den Bewegungskörper in einer parallel zum Magnetfeld (B₀) der Magnetfelderzeugungsmittel oder senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers gerichteten Projektionsrichtung im Wesentlichen vollständig außerhalb des oder der vom Magnetfeld (B₀) der Magnetfelderzeugungsmittel durchdrungenen Teilgebiete(s) (5) des Bewegungskörpers liegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei der die Projektion jeder Messeinrichtung zumindest in der Bewegungsrichtung von einem Rand des oder der vom Magnetfeld (B₀) der Magnetfelderzeugungsmittel durchdrungenen Teilgebiete(s) (5) im Wesentlichen gleich beabstandet ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der den Magnetfelderzeugungsmitteln (7, 8, 7', 8') Magnetflussleitmittel (12, 12') zum Leiten des Magnetfeldes (B₀) der Magnetfelderzeugungsmittel zugeordnet sind, wobei die Magnetflussleitmittel (12, 12') vorzugsweise einen geschlossenen Magnetkreis bilden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Magnetflussleitmittel (12, 12') für die Magnetfelderzeugungsmittel das Magnetfeld (B₀) der Magnetfelderzeugungsmittel wenigstens annähernd senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers und/oder in wenigstens einer Ebene, die senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers gerichtet ist, leiten.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der wenigstens einer Messeinrichtung (32, 33) Magnetflussleitmittel (42, 52, 62, 43, 53, 63) zum Leiten des Messmagnetfeldes (B_F) zugeordnet sind, die vorzugsweise einen geschlossenen Magnetkreis bilden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Magnetflussleitmittel (42, 52, 62, 43, 53, 63) für die Messeinrichtung(en) (32, 33) das Messmagnetfeld (B_F) in wenigstens einer die Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers enthaltenden Ebene leiten.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10 und nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, bei der die Magnetflussleitmittel (12, 12') für die Magnetfelderzeugungsmittel (7, 8, 7', 8') das Magnetfeld (B₀) der Magnetfelderzeugungsmittel in wenigstens einer Ebene leiten, die im Wesentlichen senkrecht zu wenigstens einer Ebene gerichtet ist, in der die Magnetflussleitmittel (42, 52, 62, 43, 53, 63) für die Messeinrichtung das Messmagnetfeld (B_F) leiten.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9 und Anspruch 11 oder einem der von Anspruch 9 und 11 abhängigen Ansprüche, bei die Magnetflussleitmittel (12, 12') für die Magnetfelderzeugungsmittel und die Magnetflussleitmittel (42, 52, 62, 43, 53, 63) für die Messeinrichtung(en) voneinander getrennt sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9 und Anspruch 11 oder einem der von Anspruch 9 und 11 abhängigen Ansprüche, bei der für die Magnetfelderzeugungsmittel und die Messeinrichtung wenigstens teilweise gemeinsame Magnetflussleitmittel (52, 53, 62, 63) vorgesehen sind.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 15, bei die Magnetflussleitmittel zumindest überwiegend aus magnetisch leitfähigen und/oder weichmagnetischen Materialien bestehen.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 16, bei der die Magnetflussleitmittel eine hohe elektrische Leitfähigkeit und/oder niedrige Wirbelstromverluste und/oder ein geringes Rauschen aufweisen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 9 und Anspruch 11 oder einem der von Anspruch 9 und Anspruch 11 abhängigen Ansprüche, bei der die Magnetflussleitmittel (12, 12') für die Magnetfelderzeugungsmittel eine höhere magnetische Permeabilität und/oder höhere Wirbelstromverluste als die Magnetflussleitmittel (42, 52, 62, 43, 53, 63) für die Messeinrichtung aufweisen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder einem der von Anspruch 11 abhängigen Ansprüche, bei die Magnetflussleitmittel für die Messeinrichtung wenigstens aus einem aus Eisenpulver gebildeten oder einem ferritischen magnetischen Material bestehen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder einem der von Anspruch 9 abhängigen Ansprüche, bei der die Magnetflussleitmittel für die Magnetfelderzeugungsmittel wenigstens überwiegend aus Weicheisen bestehen.

21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der wenigstens eine Messeinrichtung wenigstens eine Induktionsspule (32, 33, 36) zum Messen des Messmagnetfeldes (B_F) umfasst.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der eine Spulenachse (A1, A2) jeder Induktionsspule wenigstens annähernd senkrecht zum Magnetfeld (B₀) der Magnetfelderzeugungsmittel und/oder wenigstens annähernd parallel zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers angeordnet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, bei der jede Induktionsspule einen Magnetflussleitkörper umgibt.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, bei der an den Stirnseiten jeder Induktionsspule wenigstens ein Abschlusskörper angeordnet ist.

25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens zwei Messeinrichtungen (32, 33), die auf verschiedenen Seiten des Bewegungskörpers (2) angeordnet sind.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der die Projektionen in einer parallel zum Magnetfeld (B₀) der Magnetfelderzeugungsmittel (7, 8, 7', 8') oder senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers gerichteten Projektionsrichtung der beiden Messeinrichtungen (32, 33) auf den Bewegungskörper (2) im Wesentlichen übereinstimmen.

27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder Anspruch 26, bei der die beiden Messeinrichtungen (32, 33) im Wesentlichen identisch zueinander gestaltet sind.

28. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der jede Messeinrichtung im Wesentlichen symmetrisch zu einer gemeinsamen senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Symmetrieebene ausgebildet und/oder angeordnet ist.

29. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Magnetfelderzeugungsmittel wenigstens ein Paar von Permanentmagneten (7, 8) umfassen mit einander zugewandten entgegengesetzten Magnetpolen, zwischen denen der Bewegungskörper (2) sich bewegt oder bewegbar ist.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, bei der wenigstens zwei Paare von Permanentmagneten (7, 8, 7', 8') in Bewegungsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind.

31. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Magnetfelderzeugungsmittel (7, 8, 7' 8') und/oder die Magnetflussleitmittel (12, 12', 42, 52, 62, 43, 53, 63) und/oder die Messeinrichtung und/oder die Magnetflussleitkörper (42, 43) und/oder Abschlusskörper (52, 62, 53, 63) an jeweils einem oder einem gemeinsamen Träger (13) befestigt sind bzw. ist und/oder mit dem Träger thermisch gekoppelt sind bzw. ist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, bei der der Träger (13) thermisch gut leitfähig ist, insbesondere aus Metall besteht.

33. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Magnetfeld (B₀) der Magnetfelderzeugungsmittel im Teilgebiet des Bewegungskörpers oder zwischen den Permanentmagneten im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers gerichtet ist.