DE102005035799A1

DE102005035799A1 - Kontaktloser Magnetpositionssensor

Info

Publication number: DE102005035799A1
Application number: DE200510035799
Authority: DE
Inventors: Rainer MÖLLER; Laurent Dufour; Olivier Andrieu
Original assignee: Electricfil Automotive SAS
Current assignee: EFI Automotive SA
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2025-07-28
Also published as: DE102005035799B4; FR2873807B1; FR2873807A1

Abstract

Bei einem Magnetpositionssensor zum Detektieren der Position eines beweglichen Elements (2), das sich kontaktlos entlang eines Magnetkerns (3) bewegt, der durch wenigstens eine Erregerspule (4) magnetisiert ist, welche mit Wechselstrom versorgt wird, wobei das bewegliche Element aus einem Magneten ausgeführt ist, der einen virtuellen Luftspalt (7) in dem Magnetkern erzeugt und in Abhängigkeit seiner Position den Magnetstreufluß und folglich die Spannung beeinträchtigt, die durch wenigstens eine Detektionsspule (6) geliefert wird, welche mit dem Magnetkern gekoppelt ist, ist der Magnetkern (3) aus einem massiven Körper ausgeführt und weist ein kreisförmiges Querschnittsprofil auf.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der kontaktlosen Magnetsensoren, die es ermöglichen, die Linearposition eines beweglichen Elements im allgemeinen Sinne zu bestimmen. Solche Sensoren werden z.B. im Automobilbereich angewendet, um z.B. die Linearposition von Kupplung oder Schaltgabel eines Automatikgetriebes oder robotisierten Getriebes zu detektieren.

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Ausführungsformen von kontaktlosen Magnet-Positionssensoren bekannt. So wird z.B. in der EP 0 238 922 ein Magnetsensor beschrieben, der ausgelegt ist, um die Position eines beweglichen Elements zu bestimmen, das kontaktlos entlang eines Magnetkerns bewegt wird, der in der Form eines langen Bandes ausgeführt ist, das durch Erregerspulen magnetisiert wird, die mit Wechselstrom versorgt werden.

Das bewegliche Element, das durch einen Permanent-Magneten ausgeführt wird, erzeugt in Abhängigkeit seiner Position und im rechten Winkel zu dieser Position einen virtuellen Luftspalt in dem Magnetkern. Dieses bewegliche Element beeinflußt so den Magnetstreufluß und folglich die elektrische Spannung, die durch eine Detektionsspule geliefert wird, die mit dem Magnetkern gekoppelt ist.

Bei dem in der EP 0238 922 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Erregerspulen an dem Enden des Magnetkerns angeordnet, während die Meßspule um den Kern zwischen den Erregerspulen gewickelt ist.

In dem Patent EP 0 693 673 , das auch einen kontaktlosen Magnet-Positionssensor beschreibt, ist die Erregerspule um einen Magnetkern gewickelt, der ein längliches Band bildet, bei dem an jedem Ende davon eine Meßspule gekoppelt ist.

Andere Sensoren, die entweder über unterschiedliche Erregerspulen oder unterschiedliche Meßspulen verfügen, arbeiten in gleicher Weise in dem Maße, wie die Spannung, die in jede Sekundärspule induziert wird, von der Position des beweglichen Elements abhängt und linear mit seiner Bewegung variiert.

Bei diesen bekannten Sensoren ist der Magnetkern jeweils ein längliches Band, das eine Sättigung durch ein Magnetfeld entsprechend seiner Dicke zuläßt. Die Wicklungsvorgänge um einen solchen Kern sind nicht leicht durchzuführen. Im übrigen besitzen diese bekannten Sensoren wegen der abgeflachten Form des Kerns und wegen des beweglichen Magneten, der sich in der Nähe des Kerns bewegen muß, einen nicht unerheblichen Raumbedarf. Zudem benötigen sie bekannten Sensoren relativ präzise Führungsmittel zur Führung des beweglichen Elements unter Berücksichtigung der asymmetrischen Konfiguration, die den Sensor empfindlich gegenüber Bewegungen, wie zum Beispiel Wippen des beweglichen Elements gemäß seiner Achse oder des Sensors um seine Achse, macht.

Aus der EP 1 048 932 ist ein Magnet-Positionssensor zur Detektion der Position eines beweglichen Elements bekannt, das sich entlang eines Magnetkerns bewegt, der durch zwei Erregerspulen magnetisiert ist, die mit Wechselstrom versorgt werden. Der Magnetkern wird dabei durch eine Reihe von amorphen Folien gebildet, die derart gewickelt sind, daß ein im Verhältnis zu seiner Achse spiegel- oder rotationssymmetrischer Sensor erhalten wird. Durch seine Konzeption weist der durch dieses Dokument beschriebene Magnetkern eine hohe Ausführungskomplexität und einen hohen Raumbedarf auf.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben dargelegten Nachteile zu beheben und einen kontaktlosen Magnetsensor vorzuschlagen, der es bei geringem Raumbedarf und einfacher Herstellung erlaubt, die Position eines beweglichen Elementes zu detektieren.

Dazu schlägt die Erfindung einen Magnetpositionssensor zum Detektieren der Position eines beweglichen Elements vor, das sich kontaktlos entlang eines Magnetkerns bewegt, der durch wenigstens eine Erregerspule magnetisiert ist, welche mit Wechselstrom versorgt wird, wobei das bewegliche Element aus einem Magneten ausgeführt ist, der einen virtuellen Luftspalt in dem Magnetkern erzeugt und in Abhängigkeit seiner Position den Magnetstreufluß und folglich die Spannung beeinträchtigt, die durch wenigstens eine Detektionsspule geliefert wird, welche mit dem Magnetkern gekoppelt ist. Gemäß der Erfindung ist der Magnetkern aus einem massiven Körper ausgeführt und weist ein kreisförmiges Querschnittsprofil auf.

Der Einsatz eines Magnetkerns in Zylinderform erleichtert die Wicklungsvorgänge für die Erreger- und Detektionsspulen. Ein solcher Sensor weist ebenfalls einen begrenzten Raumbedarf unter Berücksichtigung der Rotationsform auf, welche im übrigen eine Symmetrie aufweist, die den Sensor kaum empfindlich gegenüber ungewollten Bewegungen des beweglichen Elements im Verhältnis zum Magnetkern macht.

Vorzugsweise umfaßt der Sensor zwei Detektionsspulen, welche jede an einem Ende des Magnetkerns gewickelt sind. Bei dieser Ausführungsform kann die Erregerspule um den Magnetkern zwischen die beiden Detektionsspulen gewickelt werden, welche an den Enden des Magnetkerns angeordnet sind.

Die Erregerspule kann einen kreisförmigen oder elliptischen Wicklungsquerschnitt aufweisen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Sensor ein polares Stück, das in einem Abstand und in Bezug zur Erregerspule angebracht ist, um das Schließen der Linien des Magnetflusses zu erlauben, der durch die Erregerspule erzeugt wird.

Das polare Stück kann ein kreisförmiges oder parallelelliptisches Querschnittsprofil aufweisen.

Des weiteren ist Aufgabe der Erfindung, eine Detektionsanordnung vorzuschlagen, die zwei der genannten Magnetdetektionssensoren umfaßt, welche nebeneinander derart angebracht sind, daß die Magnetkerne parallel stehen und die beweglichen Elemente sich parallel zueinander bewegen.

Bei einer Ausführungsform dieser Anordnung sind die beweglichen Elemente, die Magnetkerne und gegebenenfalls die polaren Stücke spiegelsymmetrisch im Verhältnis zur Symmetrieebene angeordnet, welche zwischen den beiden Sensoren verläuft.

Bei einer anderen Ausführungsform sind die beweglichen Elemente, die Magnetkerne und gegebenenfalls die polaren Stücke umgekehrt spiegelsymmetrisch im Verhältnis zur Symmetrieebene angeordnet, die zwischen den beiden Sensoren verläuft.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden rein beispielhaften und nicht-beschränkenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Aufriß-Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Sensors gemäß der Erfindung.
2 zeigt eine Querschnittsansicht im wesentlichen entlang der Linie II-II von 1.
3 zeigt eine Aufriß-Schnittansicht eines anderen Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der Erfindung.
4 zeigt eine Querschnittsansicht im wesentlichen entlang der Linie IV-IV von 3.
5 und 6 zeigen im Querschnitt zwei Ausführungsformen einer Detektionsanordnung, die zwei Sensoren gemäß der Erfindung umfaßt.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Der Gegenstand der Erfindung betrifft, wie in den 1 und 2 veranschaulicht, einen Magnetsensor 1, der es ermöglicht, die Position eines beweglichen Elements 2 zu detektieren, das sich kontaktlos gemäß einer Linearrichtung, schematisiert mit L bewegt. Dieser Sensor 1 umfaßt einen Kern mit hoher magnetischer Permeabilität 3, der in Form eines massiven Körpers vorliegt, der aus einem weichen magnetischen Material und mit geringer Feldsättigung ausgeführt ist. Der Magnetkern 3 umfaßt so ein einziges Stück mit einstückigem Charakter. In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist der Magnetkern 3 aus einem gezogenen Draht ausgeführt. Der Magnetkern 3 wird so aus einem homogenen Magnetmaterial ausgeführt.
Ein solcher Magnetkern 3 wird durch wenigstens eine (im veranschaulichten Beispiel genau eine) Erregerspule 4 magnetisiert, die mit Wechselstrom durch eine nicht dargestellte, aber an sich bekannte Quelle gespeist wird.
Der Sensor 1 gemäß der Erfindung umfaßt ferner wenigstens eine Detektionsspule, im gezeigten Beispiel zwei Detektionsspulen 6, die mit dem Magnetkern 3 gekoppelt sind und in dem veranschaulichten Beispiel auf jedes der Enden des Magnetkerns 3 gewickelt sind.
In klassischer Weise ist das bewegliche Element 2 ein Magnet, der einen virtuellen Luftspalt 7 in dem Magnetkern an dem Ort erzeugt, wo ein solches bewegliches Element angeordnet wird.
Die Wirkungsweise eines solchen kontaktlosen Magnetpositionssensors ist dem Fachmann bekannt. Die Erregerspule 4, die durch einen Wechselstrom gespeist wird, erzeugt ein Wechselmagnetfeld im Magnetkern 3. Ein Teil der Magnetflußlinien setzt sich in dem Magnetkern 3 fort, um die Detektionsspulen 6 zu durchqueren, von denen jede eine elektrische Wechselspannung liefert.
Ein anderer Teil der Flußlinien, die sogenannte Streulinien, verläßt den Magnetkern 3, ohne die Detektionsspulen 6 zu durchqueren. Bei Abwesenheit des beweglichen Elements ist die Verteilung der Flußlinien symmetrisch im Verhältnis zum Zentrum des Magnetkerns 3, weshalb die induzierten Spannungen in den Detektionsspulen 6 identisch sind.
In Gegenwart des beweglichen Elements 2, das in der Nähe des Magnetkerns 3 angeordnet ist, erzeugt das Magnetfeld des beweglichen Elements 2, welches in dem Magnetkern 3 verläuft, einen Sättigungsbereich mit einer Wirkung, die mit einem virtuellen Luftspalt vergleichbar ist. Es erscheinen daher zahlreiche Streulinien auf der Ebene der Position des beweglichen Elements 2 derart, daß der Magnetkreis als in zwei Teile geteilt angesehen werden kann. So erfaßt eine der Detektionsspulen 6 das Magnetfeld, das durch Windungen der Erregerspule 4 erzeugt wird, die zwischen dieser Detektionsspule und dem beweglichen Element 2 angeordnet sind, während die andere Detektionsspule 6 den Feldlinien unterliegt, die durch die Windungen der Erregerspule 4 erzeugt werden, welche zwischen dieser anderen Detektionsspule und dem beweglichen Element 2 angeordnet sind. Die Spannung, die in jeder Detektionsspule 6 induziert wird, hängt daher von der Position des beweglichen Elements 2 ab und variiert linear mit dessen Bewegung.
Das Differenzsignal zwischen den beiden Detektionsspulen 6 kann dann in an sich bekannter Weise dazu verwendet werden, die Empfindlichkeit gegenüber äußeren Magnetfeldern zu vermindern und die Linearität der Antwort des Sensors zu verbessern.
Gemäß der Erfindung verfügt der Magnetkern 3, wie 2 gut zu erkennen, über ein kreisförmiges Querschnittsprofil. Der Magnetkern 3 weist eine Zylinderform auf, die es erlaubt, die Wicklungsvorgänge der Erregerspule 4 und Detektionsspule 6 zu erleichtern. Diese Zylinderform des Magnetkerns 3 erlaubt es auch, den Raumbedarf des Sensors sowohl auf der Ebene des Magnetkerns 3 wie des beweglichen Elements 2 zu vermindern. Es folgt daraus eine Kostenverminderung, insbesondere auf der Ebene des beweglichen Elements 2, welches in Form eines Magneten mit im Verhältnis zu den bekannten beweglichen Elementen verminderten Abmessungen ausgeführt ist.
Bevorzugterweise besitzen die Erreger- 4 und Detektionsspulen 6 jeweils einen kreisförmigen oder elliptischen Wicklungsquerschnitt.
Die 3 und 4 veranschaulichen eine andere Ausführungsform des Sensors gemäß der Erfindung, versehen mit einem polaren Stück 10, das beabstandet und in Bezug zur Erregerspule 4 angeordnet ist, um das Schließen der Linien des Magnetflusses zu erlauben, der durch die Erregerspule 4 erzeugt wird. Wie dies präziser aus der 3 hervortritt, erstreckt sich dieses polare Stück 10 über wenigstens einen Tei der Länge des Magnetkerns 3, wobei es auf der entgegensetzten Seite von jener angeordnet ist, die mit dem beweglichen Element 2 versehen ist. Dieses polare Stück 10 verfügt über ein kreisförmiges oder parallelelliptisches Querschnittsprofil.
Bei bestimmten Anwendungen kann es vorteilhaft sein, eine Detektionsanordnung zu bilden, die zwei Magnetdetektionssensoren 1 gemäß der Erfindung umfaßt, die Seite an Seite angebracht sind. In dem Ausführungsbeispiel, das in 5 veranschaulicht ist, ist eine Detektionsanordnung 12 realisiert, die aus zwei Sensoren 1 gemäß der Erfindung besteht, die Seite an Seite derart angebracht sind, daß die Position der beiden beweglichen Elemente 2 bestimmt wird, die sich parallel zueinander bewegen. Folglich werden die Magnetkerne 3 und gegebenenfalls die polaren Stücke 10 parallel zueinander angeordnet.
Die beweglichen Elemente 2 und die Magnetkerne 3 und die polaren Stücke 10 in dem veranschaulichten Beispiel werden spiegelsymmetrisch im Verhältnis zur Symmetrieebene S angeordnet, welche zwischen den beiden Sensoren verläuft. In diesem Beispiel befinden sich die beiden beweglichen Elemente 2 im wesentlichen in einer selben Ebene, die parallel zu der Ebene ist, die durch das Zentrum der beiden Magnetkerne 3 verläuft.
Der Einsatz von zwei Sensoren 1 gemäß der Erfindung ermöglicht es, eine Detektionsanordnung zu erhalten, die einen geringen Raumbedarf aufweist als die aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen. Unter Berücksichtigung der Rotationsform, insbesondere der Magnetkerne, ist im übrigen der Abstand zwischen einem Magnetkern 3 eines Sensors und dem beweglichen Elemente 2, das zum anderen Sensor gehört, bei identischem Mittenabstand derart vergrößert, daß die Störung des beweglichen Elements 2 auf dem Magnetkern 3 des anderen Sensors durch Einsatz von Sensoren 1 gemäß der Erfindung begrenzt ist.
Die 6 veranschaulicht zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Detektionsanordnung 12 mit zwei Sensoren 1, in welchem die beweglichen Elemente 2, die Magnetmittel 3 und die polaren Stücke 10 umgekehrt spiegelsymmetrisch relativ zu einer Symmetrieebene S angeordnet sind, die zwischen den beiden Sensoren 1 verläuft. In diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Sensoren 1 derart zueinander kopfstehend angeordnet, daß die beweglichen Elemente 2 sich beiderseits der so realisierten Detektionsanordnung befinden.
Es sei bemerkt, daß bei diesem Ausführungsbeispiel jedes polare Stück 10 einen parallel-elliptischen geraden Querschnitt aufweist. Auch bilden die beiden polaren Stücke 10 der beiden Sensoren eine Art Schirm, der es ermöglicht zu vermeiden, daß ein bewegliches Element 2 eines Sensors mit dem Magnetkern 3 des anderen Sensors wechselwirkt.

Claims

Magnetpositionssensor zum Detektieren der Position eines beweglichen Elements (2), das sich kontaktlos entlang eines Magnetkerns (3) bewegt, der durch wenigstens eine Erregerspule (4) magnetisiert ist, welche mit Wechselstrom versorgt wird, wobei das bewegliche Element aus einem Magneten ausgeführt ist, der einen virtuellen Luftspalt (7) in dem Magnetkern erzeugt und in Abhängigkeit seiner Position den Magnetstreufluß und folglich die Spannung beeinträchtigt, die durch wenigstens eine Detektionsspule (6) geliefert wird, welche mit dem Magnetkern gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (3) aus einem massiven Körper ausgeführt ist und ein kreisförmiges Querschnittsprofil aufweist.
Magnetpositionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Detektionsspulen (6) umfaßt, welche jede an einem Ende des Magnetkerns (3) gewickelt sind.
Magnetpositionssensor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (4) um den Magnetkern (3) zwischen den beiden Detektionsspulen (6) gewickelt ist, welche an den Enden des Magnetkerns angeordnet sind.
Magnetpositionssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (4) einen kreisförmigen oder elliptischen Wicklungsquerschnitt aufweist.
Magnetpositionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß er ein polares Stück (10) umfaßt, das in einem Abstand und in Bezug zur Erregerspule (4) angebracht ist, um das Schließen der Linien des Magnetflusses zu ermöglichen, der durch die Erregerspule erzeugt wird.
Magnetpositionssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das polare Stück (10) ein kreisförmiges oder parallelelliptisches Querschnittsprofil aufweist.
Detektionsanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Magnetdetektionssensoren (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 umfaßt, welche nebeneinander derart angebracht sind, daß die Magnetkerne (3) parallel stehen und die beweglichen Elemente (2) sich parallel zueinander bewegen.
Detektionsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Elemente (2), die Magnetkerne und gegebenenfalls die polaren Stücke (10) spiegelsymmetrisch im Verhältnis zur Symmetrieebene (S) angeordnet sind, welche zwischen den beiden Sensoren verläuft.
Detektionsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Elemente (2), die Magnetkerne und gegebenenfalls die polaren Stücke (10) umgekehrt spiegelsymmetrisch im Verhältnis zur Symmetrieebene (S) angeordnet sind, die zwischen den beiden Sensoren verläuft.