DE102004016622B4

DE102004016622B4 - Positionssensoranordnung

Info

Publication number: DE102004016622B4
Application number: DE200410016622
Authority: DE
Inventors: Albert Dr.-Ing. Kiessling
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2004-04-03
Filing date: 2004-04-03
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2024-04-04
Also published as: DE102004016622A1

Abstract

Positionssensoranordnung mit einem weichmagnetischen, aus zwei parallelen, langgestreckten Kernlängsbereichen (11, 12) bestehenden langgestreckten Kern (10), auf dem eine durch eine Wechselspannung beaufschlagbare Primärspule (L2) sowie zwei voneinander beabstandete, in Reihe geschaltete, gegengepolte Sekundärspulen (L1, L3) angeordnet sind, wobei die langgestreckten Kernlängsbereiche (11, 12) jeweils an ihren Enden unter Bildung eines geschlossenen Kerns durch Querbereiche (13, 14) miteinander verbunden sind, und mit einem entlang des Kerns (10) in einer Relativbewegung bewegbaren Messobjekt (15), das einen den Kern (10) an der jeweiligen Position sättigenden Permanentmagneten (16) aufweist, wobei eine Auswerteeinrichtung (18) wenigstens zur Erfassung der in den Sekundärspulen (L1, L3) induzierten Differenzspannung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Kernlängsbereiche (11) die Spulen (L1–L3) trägt, dass die Bewegungsbahn des Messobjekts (15) entlang des keine Spulen aufweisenden Kernlängsbereichs (12) verlauft, wobei der die Spulen (L1–L3) tragende Kernlängsbereich (11) von der Bewegungsbahn abge wandt ist, und dass der Kern (10) an einem Gehäuse eines Linearantriebs...

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionssensoranordnung mit eifern weichmagnetischen, langgestreckten Kern, gemäß der Gattung des Anspruchs 1.
Eine aus der DE 4425904 A1 bzw. der korrespondierenden US 5781006 bekannte Positionsanordnung besitzt einen langgestreckten, stabförmigen Magnetkern, dessen Länge der Länge der Primärspule entspricht. Die beiden Sekundärspulen sind auf der Primärspule an deren entgegengesetzten Endbereichen angeordnet.
Nachteilig an dieser bekannten Anordnung ist zum einen die große Totlänge des Sensors, das heißt, die effektive Messlänge bezogen auf die Sensorlänge ist relativ gering. Als weiterer gravierender Nachteil hat sich die Empfindlichkeit auf Nebenmaxima herausgestellt, die sich außerhalb des aktiven Sensorbereichs befinden und deren Messsignale sich vom Nutzmesssignal im Sensorbereich nicht unterscheiden lassen. Die Nebenmaxima entstehen durch die Empfindlichkeit auf negative axiale Feldkomponenten und durch die Unempfindlichkeit auf radiale Feldkomponenten.
Bei einer beispielsweise aus der DE-A-2 325 752 oder der DE-A-2 006 996 bekannten gattungsgemäßen Positionssensoranordnung mit lang gestrecktem rechteckigen Kern sind die Sekundärspulen an den kürzeren Querbereichen des Kerns angeordnet. Dies hat neben messtechnischen Nachteilen vor allem den Nachteil, dass die gesamte Anordnung nicht sehr schmal bauend realisiert werden kann, so dass sie sich nur sehr bedingt als Sensoranordnung zur Positionsmessung am Gehäuse eines Linearantriebs eignet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Positionssensoranordnung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die bei großer effektiver Messlänge sehr schmal bauend realisiert werden kann zur Positionsmessung bei einem Linearantrieb.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Positionssensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der geschlossene Kern hilft in vorteilhafter Weise die bisher beim Stand der Technik vorhandenen Nebenmaxima zu unterdrücken, da er gleichermaßen empfindlich ist für die axiale wie die radiale Feldkomponente des Permanentmagneten. Die Spannung über der Primärspule bildet somit ein zuverlässiges Bereichs-Kriterium, mit dessen Hilfe Doppeldeutigkeiten im Messsignal der Spulen ausgeschlossen werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich durch die höhere ef fektive Permeabilität im geschlossenen Kern die Empfindlich keit des Sensors bei gleichem Kernquerschnitt erhöht. Schließlich wird noch erreicht, dass sich die effektive Messlänge bezogen auf die Sensorlänge vergrößert. Eine Vergrößerung der effektiven Messlänge bezogen auf die Sensorlänge wird ergänzend auch dadurch erreicht, dass die Bewegungsbahn des Messobjekts entlang des keine Spulen aufweisenden Kernlängsbereichs verläuft, wobei der die Spulen tragende andere Kernlängsbereich von der Bewegungsbahn abgewandt ist. Die Positionssensoranordnung hat sich als besonders zur Positionerfassung des angetriebenen Elements eines Linearantriebs geeignet erwiesen, wobei der Kern am Gehäuse des Linearantriebs und der Permanentmagnet am angetriebenen Element des Linearantriebs angeordnet ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Positionssensoranordnung möglich.
Der geschlossene Kern ist zweckmäßigerweise als langgestreckter Rechteckkern ausgebildet.
Als vorteilhaft hat es sich auch erwiesen, wenn die Primärspule in der Längsrichtung des Kerns zwischen den beiden Sekundärspulen angeordnet ist.
In einer bevorzugten Auslegung ist eine den Kern durch das magnetische Wechselfeld in die Nähe der Sättigungsinduktion des Kernmaterial treibende Windungszahl der Primärspule, Frequenz und Amplitude des Wechselstroms vorgesehen, wobei die Frequenz vorzugsweise zwischen 10 kHz und 200 kHz beträgt. Dabei sollen sich die Verluste in Grenzen halten und die Reaktionszeit der Sensoranordnung in der Größenordnung von ca. 1 ms verbleiben.
Zur Vorgabe des Messbereichs ist die Auswerteeinrichtung in vorteilhafter Weise auch zur Erfassung der Spannung über der Primärspule ausgebildet, wobei das Über- oder Unterschreiten einer vorgebbaren Schwellspannung durch die Messspannung den Messbereich begrenzt.
In einer vorteilhaften konstruktiven Ausgestaltung ist der als Rechteckkern ausgebildete Kern aus U-Kernen zusammengesetzt, wobei die langgestreckten U-Schenkel aneinanderliegen und die Querschenkel die beiden entgegengesetzten Querbereiche bilden. Dadurch wird eine Verkleinerung der Wirbelstromverluste bewirkt sowie eine Erhöhung der gemessenen Spannungen an der Primärspule und Sekundärspule.
Um die einzelnen Kerne gegeneinander zu isolieren, sind diese zweckmäßigerweise mit einer Isolierschicht, insbesondere einem Isolierlack, überzogen. Der Kernquerschnitt der einzelnen U-Kerne sollte kleiner als 1,5 mm sein.
Zur Fixierung der U-Kerne aneinander werden die die beiden Kernlängsbereiche bildenden U-Kerne zum einen durch einen Spulenkörper und zum anderen durch ein insbesondere als Schrumpfschlauch ausgebildetes Halteelement zusammengehalten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Positionssensoranordnung als Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 die Darstellung der konstruktiven Ausbildung eines Kerns, der aus U-Kernen zusammengesetzt ist,
3 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Spannungsverhältnisse an der Primärspule und
4 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Spannungsverhältnisse an den Sekundärspulen.
Die in 1 dargestellte Positionssensoranordnung besitzt einen langgestreckten, rechteckförmigen Kern 10 aus weichma gnetischem Material, beispielsweise kristallinem, amorphem oder ferritischem Material. Der rechteckförmige Kern 10 besteht aus zwei langgestreckten, parallelen Kernlängsbereichen 11, 12 und zwei diese an den Endbereichen verbindenden, wesentlich kürzeren Querbereichen 13, 14. Auf dem einen Kernlängsbereich 11 sind mittig eine Primärspule L2 und an den beiden Endbereichen zwei Sekundärspulen L1 und L3 angeordnet. Entlang dem nicht mit den Spulen L1 bis L3 versehenen Kernlängsbereich 12 ist ein Messobjekt 15 verfahrbar, dessen Position bestimmt werden soll. Das Messobjekt 15 ist beispielsweise der Kolben eines Arbeitszylinders oder ein sonstiges angetriebenes Teil eines Linearantriebs. Das Messobjekt 15 trägt einen Permanentmagneten 16.
Die Primärspule L2 wird von einer Wechselstromquelle 17 beaufschlagt, wobei die Windungszahl der Primärspule L2 sowie die Frequenz und Amplitude des Wechselstroms der Wechselstromquelle 17 so gewählt werden, dass das magnetische Wechselfeld den Kern 10 in die Nähe der Sättigungsinduktion des Kernmaterials treibt, dass sich jedoch andererseits die Verluste in Grenzen halten und die Reaktionszeit der Positionssensoranordnung in der Größenordnung von ca. 1 ms bleibt. Typische Frequenzen hierzu sind 10 bis 200 kHz.
In einer Auswerteeinrichtung 18, in der im Ausführungsbeispiel auch die Wechselstromquelle 17 enthalten ist, werden die Primärspannung U1 und die Sekundärspannung U2 gemessen.
Die Auswertung wird im Folgenden anhand der in den 3 und 4 dargestellten Diagramme erläutert.
Nähert sich das Messobjekt 15 mit dem Permanentmagneten 16 dem Kern 10, so wird dieser lokal gesättigt. Es bilden sich Streuluftfelder aus, die den magnetischen Wechselfluss im Kern verändern und verzerren. Gleichzeitig erhöhen sich die Gesamtverluste, sodass sich die Spannung U1 über der Primärspule L2 bei eingeprägtem Strom verringert. Dieser Spannungsabfall wird erfindungsgemäß dazu benutzt, die Anwesenheit des Messobjekts 15 zu detektieren. Dabei hilft der geschlossene Kern, die bisher beim Stand der Technik vorhandenen Nebenmaxima zu unterdrücken, da er gleichermaßen empfindlich ist auf die axiale wie auf die radiale Feldkomponente des Permanentmagneten 16. Die gestrichelten Linien zeigen die Nebenmaxima bei der eingangs genannten bekannten Anordnung, die erfindungsgemäß unterdrückt werden, wie aus 3 hervorgeht. Die Spannung U1 über der Primärspule L2 dient als zuverlässiges Kriterium, den Messbereich festzulegen. Hierzu wird eine Schwelle S festgelegt, wobei deren Unterschreiten durch die Spannung U1 den Messbereich M definiert. Bei den bekannten Anordnungen müsste diese Schwellspannung S wesentlich niedriger gelegt werden, um zu verhindern, dass die Nebenmaxima Fehlsignale erzeugen. Dies würde den Messbereich verringern.
Durch die Erregung der mittleren Primärspule L2 und die Wechselstromquelle 17 wird im geschlossenen Kern 10 ein magneti scher Fluss erzeugt, welcher durch die beiden äußeren Sekundärspulen L1 und L3 gemessen wird. Die beiden Sekundärspulen L1 und L3 sind gegensinnig gepolt, sodass die Sekundärspannung U2 in der Mittelstellung des Permanentmagneten 16 (Position 2) zu null wird. Außerhalb der Mitte entsteht eine von null verschiedene Spannung U2, die außerdem zur Primärspannung U1 phasenverschoben ist. Die Phasenverschiebung kommt dadurch zustande, dass, wenn sich der Permanentmagnet 16 zum Beispiel auf der rechten Seite des Kerns 10 befindet (Position 3), dieser an dieser Stelle durch die lokale Sättigung aufgetrennt wird. Dadurch fließt der Großteil des magnetischen Flusses durch die linke Sekundärspule L1. Bewegt sich der Magnet nun zur mittleren Position 2, so sind beide Magnetflüsse in den Spulen L1 und L3 gleichgroß und heben sich durch die Gegenpolung auf. Bei einer weiteren Verschiebung zur Position 1 hin kehren sich die Verhältnisse um, und es fließt mehr Strom durch die Sekundärspule L3. Dadurch entsteht gemäß 4 ein nahezu lineares Wegsignal innerhalb des Messbereichs M. Die Empfindlichkeit der Sensoranordnung lässt sich an die Stärke des Magnetfeldes des Permanentmagneten 16 durch die Wahl der Erregerstromamplitude anpassen, indem das innere Magnetfeld bei nicht vorhandenem äußerem Magnetfeld gerade unterhalb der Sättigungsgrenze gehalten wird. Je geringer der Abstand zur Sättigungsgrenze, desto höher ist die Empfindlichkeit auf äußere Felder. Die Spannung U2 ist gemäß obiger Beschreibung innerhalb des Messbereichs M linear abhängig von der Position des Permanentmagneten 16 und dient somit als Positionssignal für diesen.
In 2 ist der konstruktive Aufbau des Kerns 10 dargestellt. Er besteht aus zwei langen, schmalen U-Kernen 19, 20, die gegenseitig so angeordnet sind, dass ihre U-Schenkel jeweils aneinanderliegen und die beiden Kernlängsbereiche 11, 12 bilden, wobei die Querschenkel jeweils die beiden entgegengesetzten Querbereiche 13, 14 bilden. Die U-Schenkel der U-Kerne 19, 20 werden einerseits durch einen Spulenkörper 21 und andererseits durch einen Schrumpfschlauch 22 zusammengehalten. Prinzipiell kann auch ein Schrumpfschlauch als Spulenkörper dienen, oder es werden zwei spulenkörperartige Fixierelemente für die Fixierung der U-Schenkel aneinander verwendet. Der Kernquerschnitt der U-Kerne 19, 20 kann beispielsweise 1 mm betragen, wobei auch eine größere Zahl von U-Kernen 19, 20 verwendet werden kann, beispielsweise sechs oder acht, wobei sich dann der Kernquerschnitt der einzelnen U-Kerne verringert. Eine mögliche Realisierung eines solchen geschlossenen Kerns 10 benutzt beispielsweise sechs U-Kerne mit einem Kernquerschnitt von 0,4 mm. Der Kernquerschnitt hängt nicht zuletzt auch von der Gesamtdimensionierung der Positionssensoranordnung ab.
Die einzelnen U-Kerne 19, 20 werden bei der Montage mit einem Schutzlack oder einer anderen Isolierschicht überzogen, um sie gegeneinander zu isolieren. Hierdurch können die Wirbelstromverluste reduziert werden.
Die beschriebene Positionssensoranordnung kann beispielsweise zur Positionserkennung des Kolbens in einem Zylinder eingesetzt werden oder zur Positionserkennung eines anderen angetriebenen Elements eines Linearantriebs. Prinzipiell sind alle Anwendungen möglich, bei denen ein mit einem Permanentmagneten versehenes Element entlang einer Bahn bewegt wird.
Für den Anwendungsfall bei einem Zylinder wird der mit den Spulen aus L1 bis L3 versehene geschlossene Kern 10 beispielsweise in einer nach außen offenen Nut des Zylindergehäuses angeordnet, wobei der nicht mit den Spulen L1 bis L3 versehene Kernlängsbereich 12 radial nach innen weist und entsprechend der andere Kernlängsbereich 11 radial nach außen. Der Permanentmagnet 16 wird am Kolben angebracht. Die in den 3 und 4 dargestellten Kurvenverläufe stellen die Verhältnisse dar, bei denen der Abstand zwischen der Bewegungsbahn des Permanentmagneten 16 und dem Kernlängsbereich 12 3 mm beträgt. Dabei wurde eine Wechselstromquelle von 70 mA bei einer Frequenz von 40 kHz verwendet.

Claims

Positionssensoranordnung mit einem weichmagnetischen, aus zwei parallelen, langgestreckten Kernlängsbereichen (11, 12) bestehenden langgestreckten Kern (10), auf dem eine durch eine Wechselspannung beaufschlagbare Primärspule (L2) sowie zwei voneinander beabstandete, in Reihe geschaltete, gegengepolte Sekundärspulen (L1, L3) angeordnet sind, wobei die langgestreckten Kernlängsbereiche (11, 12) jeweils an ihren Enden unter Bildung eines geschlossenen Kerns durch Querbereiche (13, 14) miteinander verbunden sind, und mit einem entlang des Kerns (10) in einer Relativbewegung bewegbaren Messobjekt (15), das einen den Kern (10) an der jeweiligen Position sättigenden Permanentmagneten (16) aufweist, wobei eine Auswerteeinrichtung (18) wenigstens zur Erfassung der in den Sekundärspulen (L1, L3) induzierten Differenzspannung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Kernlängsbereiche (11) die Spulen (L1–L3) trägt, dass die Bewegungsbahn des Messobjekts (15) entlang des keine Spulen aufweisenden Kernlängsbereichs (12) verlauft, wobei der die Spulen (L1–L3) tragende Kernlängsbereich (11) von der Bewegungsbahn abge wandt ist, und dass der Kern (10) an einem Gehäuse eines Linearantriebs und der Permanentmagnet (16) am angetriebenen Element des Linearantriebs angeordnet ist.
Positionssensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (10) als Rechteckkern ausgebildet ist.
Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule (L2) in der Längsrichtung des Kerns (10) zwischen den beiden Sekundärspulen (L1, L2) angeordnet ist.
Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (10) eine den Kern durch das magnetische Wechselfeld in die Nähe der Sättigungsinduktion des Kernmaterial treibende Windungszahl der Primärspule (L2), Frequenz und Amplitude des Wechselstroms vorgesehen ist, wobei die Frequenz vorzugsweise zwischen 10 kHz und 200 kHz beträgt.
Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (18) auch zur Erfassung der Spannung (U1) über der Primärspule (L2) ausgebildet ist, wobei das Über- oder Unterschreiten einer vorgebbaren Schwellspannung (S) durch die Messspannung (U1) den Messbereich begrenzt oder definiert.
Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der als Rechteckkern ausgebildete Kern (10) aus U-Kernen (19, 20) zusammenge setzt ist, wobei die langgestreckten U-Schenkel aneinanderliegen und die Querschenkel die beiden entgegengesetz ten Querbereiche (13, 14) bilden.
Positionssensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernquerschnitt der einzelnen U-Kerne kleiner als 1,5 mm ist.
Positionssensoranordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die U-Kerne (19, 20) mit einer Isolierschicht, insbesondere einem Isolierlack, überzogen sind.
Positionssensoranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die beiden Kernlängsbereiche bildenden Schenkel der U-Kerne (19, 20) zum einen durch einen Spulenkörper (21) und zum anderen durch ein insbesondere als Schrumpfschlauch (22) ausgebildetes Halteelement zusammengehalten werden.
Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (10) in einer Längsnut des Gehäuses angeordnet ist.