DE102007022403A1 - Elastischer Permanentmagnet - Google Patents

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Abstract

Ein Permanentmagnet, umnfassend einen Grundkörper (1) mit einem magnetischen Nordpol (2) und einem magnetischen Südpol (3), wobei der Grundkörper (1) elastisch deformierbar ist, löst die Aufgabe, ein Messelement zu realisieren, welches bei einfachem Aufbau zuverlässige Messwerte liefert, die auf einer Änderung eines magnetischen Feldes beruhen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Permanentmagneten.
  • Stand der Technik
  • Aus der DE 10 2004 034 723 A1 sind magnetostriktive Elemente bekannt, die einen elastischen Grundkörper aufweisen, in welchem weichmagnetische Materialien eingearbeitet sind.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten magnetostriktiven Elemente können der gezielten Bewegung von Bauteilen oder der Schwingungsdämpfung von Bauteilen dienen. Des Weiteren können die bekannten Elemente zur Bestimmung von Dimensionsänderungen verwendet werden.
  • Bei den gattungsbildenden Elementen ist nachteilig, dass zur Bestimmung von Dimensionsänderungen oder Wegstrecken hohe magnetische Felder erzeugt werden müssen, um zuverlässige Messwerte zu erhalten.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Messelement zu realisieren, welches bei einfachem Aufbau zuverlässige Messwerte liefert, die auf einer Änderung eines magnetischen Feldes beruhen.
  • Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Danach umfasst ein Permanentmagnet einen Grundkörper mit einem magnetischen Nordpol und einem magnetischen Südpol, wobei der Grundkörper 1 elastisch deformierbar ist.
  • Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass ein elastischer Permanentmagnet ohne das Erzeugen eines externen magnetischen Feldes allein durch mechanische Beaufschlagung unterschiedliche magnetische Signale liefern kann. Erfindungsgemäß ist weiter erkannt worden, dass die Deformierung eines Grundkörpers erlaubt, die relative Position des Nordpols zum Südpol zu verändern und dadurch das vom Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld zu beeinflussen. Auf eine externe elektrisch betriebene Vorrichtung, die ein magnetisches Feld erzeugt, kann bei dem erfindungsgemäßen Permanentmagneten verzichtet werden. Die magnetischen Felder des Permanentmagneten sind mit einem Maß der mechanischen Deformierung des Grundköpers korreliert. Folglich ist ein Messelement angegeben, das allein durch mechanische Deformierung eine Änderung eines Magnetfelds erzeugen und dadurch Messwerte liefern kann. Folglich ist die eingangs genannte Aufgabe gelöst.
  • Der Grundkörper könnte aus einem Schaumstoff gefertigt sein, in welchem hartmagnetische Partikel verteilt sind. Die Verwendung eines Schaumstoffs ist besonders vorteilhaft, da ein Grundkörper aus Schaumstoff durch Druckbeaufschlagung problemlos elastisch und reversibel deformierbar ist.
  • Vor diesem Hintergrund ist denkbar, dass als Schaumstoffe Elastomerschäume verwendet werden, die aus thermoplastischen Elastomeren bestehen. Im Sinne dieser Anmeldung werden unter Elastomerschäumen geschäumte Kunststoffe verstanden, die ein gummielastisches Verhalten aufweisen. Dabei kann es sich um weitmaschig chemisch oder physikalisch vernetzte Polymere handeln, die sich unter ihrem Glaspunkt stahlelastisch verhalten und die bei Temperaturen oberhalb ihres Glaspunktes gummielastisch sind. Glastemperaturen von bevorzugt eingesetzten Elastomeren liegen bei 20°C und darunter.
  • Bevorzugt verhalten sich die eingesetzten Elastomerschäume bis zu ihrer Schmelz- oder Zersetzungstemperatur gummielastisch. Bevorzugt eingesetzte thermoplatische Elastomere sind thermoplastische Polyester, thermoplastische Polyamide, unvernetzte thermoplastische Polyolefine, teilvernetzte thermoplastische Polyolefine, thermoplastische Styrolpolymere und insbesondere thermoplastische Polyurethane.
  • Die Schaumstoffe können beliebige Porengrößen aufweisen. Es können offenzellige oder geschlossenzellige Schäume eingesetzt werden. Bei offenzelligen Schäumen stehen zumindest ein Teil der einzelnen Poren miteinander in Kontakt. Bei geschlossenzelligen Schäumen liegen alle Poren voneinander isoliert in der Polymermatrix vor. Typische Porengrößen bewegen sich im Bereich von 10 μm bis 3 mm.
  • Durch die Verwendung hartmagnetischer Partikel wird vorteilhaft gewährleistet, dass ein Grundkörper nach einer Magnetisierung eine dauerhafte Magnetisierung beibehält. Ganz im Gegensatz zu weichmagnetischen Partikeln, die ihre Magnetisierung sehr leicht verlieren, behalten hartmagentische Partikel ihre Magnetisierung bei. Ganz konkret sind die Elementarmagnete dauerhaft ausgerichtet und bilden daher dauerhaft Nord- und Südpole aus.
  • Der Grundkörper könnte aus einem Schaumstoff aus Ethylvinylacetat bestehen. Ein Schaumstoff aus diesem Material hat sich als besonders geeignet erwiesen, hartmagnetische Partikel in homogener Verteilung aufzunehmen.
  • Im Grundkörper könnten SrFeO-Partikel (Strontiumferritpartikel) verteilt sein. Dieses Material zeigt eine dauerhafte Magnetisierung und eignet sich daher besonders zur Fertigung eines Permanentmagneten.
  • Vor diesem Hintergrund ist auch denkbar, dass im Grundkörper NdFeB-Partikel (Neodymeisenborpartikel) verteilt sind. Die hartmagnetischen Partikel zeigen eine dauerhafte Magnetisierung, nachdem deren Elementarmagnete durch einen externen Permanentmagneten oder einen magnetischen Puls ausgerichtet wurden.
  • Die Partikel könnten einen mittleren Durchmesser von 10 nm bis 500 μm aufweisen. Partikel dieser Größe stören vorteilhafterweise nicht den Aufbau der Schaumstoffmatrix. Die Stege zwischen den Poren werden nahezu nicht in ihrer Stabilität beeinflusst.
  • Besonders bevorzugt könnten hartmagnetische Partikel mit einem mittleren Durchmesser von 0,5 bis 5 μm verwendet werden, da diese problemlos in einem schäumfähigen Material dispergiert werden können und im fertigen Schaum besonders homogen verteilt sind.
  • Dem Grundköper könnte einen Sensor zugeordnet sein. Dabei ist konkret denkbar, dass ein würfel-, quaderförmiger oder zylindrischer Grundkörper an einer seiner Flächen einen Sensor aufweist. Durch diesen Sensor kann die Änderung eines Magnetfelds bzw. die Änderung einer magnetischen Feldstärke bestimmt werden, die sich durch eine Deformierung des elastischen Grundkörpers ergibt. Als Sensor könnte ein Hall-Sensor verwendet werden. Hall-Sensoren zeichnen sich durch eine hohe Auflösung und Zuverlässigkeit aus.
  • Vor diesem Hintergrund ist konkret denkbar, dass der mit einem Sensor ausgerüstete elastische Permanentmagnet als Drucksensor verwendet wird. Durch den Sensor können Spannungswerte ermittelt und ausgegeben werden, die mit einer Änderung des Magnetfelds des Permanentmagneten korrespondieren. Die Änderung des Magnetfelds wiederum kann mit einer Deformierung des Grundkörpers um eine bestimmte Wegstrecke korreliert sein. Soweit die Kompressiblität des Grundkörpers bekannt ist, kann dann aus einem Weg-Spannungs-Diagram auf die Kraft beziehungsweise den Druck rückgeschlossen werden, mit welchem der Grundkörper deformiert wurde.
  • Ein solcher Drucksensor eignet sich insbesondere zur Sitzbelegungserkennung in Kraftfahrzeugen oder zur Quantifizierung von Spalten in Dichtungen.
  • Des Weiteren ist denkbar, einen solchen Drucksensor in Wundverbänden, Kompressionsverbänden oder Kleidungsstücken einzusetzen. Eine solche Verwendung kann das Wundliegen von Patienten wirksam verhindern, indem nämlich bei Überschreiten bestimmter Druckwerte Alarmsignale ausgegeben werden. Darüber hinaus kann eine Wundheilung in günstiger Weise gefördert werden, wenn ein Wundverband mit einem bestimmten Druck an einer Wunde anliegt. Bei Unterschreiten oder Überschreiten eines günstigen Druckes kann ein Alarmsignal ausgegeben werden.
  • Eine weitere Einsatzmöglichkeit für einen Drucksensor der hier beschriebenen Art stellt die Verwendung in Bodenbelägen und Teppichen dar. Bei dieser Verwendung könnte der Drucksensor als Schalter fungieren, der beispielsweise eine Klimaanlage oder das Licht in einem Raum betätigt, sobald eine Person den Bodenbelag oder den Teppich betritt und dadurch Druck auf den Drucksensor ausübt.
  • Schließlich ist denkbar, den hier beschriebenen Drucksensor in Gehhilfen einzusetzen, um einem Patienten anzuzeigen, dass er ein gerade operiertes oder ausheilendes Bein zu stark belastet.
  • Der hier beschriebene Permanentmagnet könnte durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten hergestellt werden:
    Erzeugen einer homogenen Mischung aus einem schäumungsfähigen Material und hartmagnetischen Partikeln, Aufschäumen des Materials, Erzeugen eines fertigen Schaums und magnetisieren der hartmagnetischen Partikel durch einen externen Permanentmagneten oder einen magnetischen Puls.
  • Durch dieses Verfahren können Permanentmagnete aus Schaumstoff hergestellt werden, in welchen hartmagnetische Partikel homogen verteilt sind.
  • Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung auf vorteilhafte Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen.
  • In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • In der Zeichnung zeigen
  • 1 eine schematische Ansicht eines Permanentmagneten in unbelastetem und durch Druckbeaufschlagung deformiertem Zustand sowie
  • 2 ein Weg–Spannungs-Diagramm eines Drucksensors, welcher einen Permanentmagneten der hier beschriebenen Art umfasst.
  • Ausführung der Erfindung
  • 1 zeigt einen Permanentmagneten, der einen zylindrischen Grundkörper 1 umfasst. Der Grundkörper 1 weist einen magnetischen Nordpol 2 und einen magnetischen Südpol 3 auf. Der Grundkörper 1 ist elastisch deformierbar. Dies ist schematisch in der rechten Abbildung in 1 gezeigt.
  • Der Grundkörper 1 ist aus einem Schaumstoff aus Ethylvinylacetat gefertigt, in welchem hartmagnetische Partikel 4 aus Strontiumferrit (SrFeO-Partikel) homogen verteilt sind. Diese Partikel weisen einen mittleren Durchmesser von 0,5 bis 5 μm auf. Die Strontiumferritpartikel 4 wurden durch einen externen Permanentmagneten oder einen magnetischen Puls derart magnetisiert, dass deren Elementarmagnete im Grundkörper 1 dauerhaft ausgerichtet sind. Der Permanentmagnet gemäß 1 zeigt daher eine dauerhafte Magnetisierung.
  • Der Grundkörper 1 ist aus einem Schaumstoff gefertigt, der Poren 6 aufweist, die sich im Bereich von 10 μm bis 3 mm bewegen.
  • An der kreisförmigen Grundfläche 7 des zylindrischen Grundkörpers 1 gemäß 1 ist ein Sensor 5 angeordnet. Der Sensor 5 ist als Hall-Sensor ausgestaltet. Der Sensor 5 und der Grundkörper 1 bilden in ihrer Gesamtheit einen Drucksensor, der zur Bestimmung von Drücken oder Wegstrecken T verwendet werden kann.
  • In der linken Abbildung in 1 ist der Grundkörper 1 in unbelastetem Zustand gezeigt. Im unbelasteten Zustand bildet der Grundkörper 1 magnetische Feldlinien einer gewissen Dichte aus. Bei Druckbelastung des Grundkörpers 1 durch einen Druck (P) gemäß rechter Abbildung in 1 wird die Struktur der Feldlinien, insbesondere deren Dichte, verändert. Durch die Änderung der Feldlinien des Magnetfelds und damit dessen Feldstärke wird im Hall-Sensor 5 als Sensorsignal eine Spannung U erzeugt. Die Spannung U ist mit einer Wegstrecke T korreliert, um die der Grundkörper 1 zusammengedrückt wurde. Aus einer detektierten Spannung kann daher eine Wegstrecke T ermittelt werden.
  • In Kenntnis der Kompressibilität des Schaumstoffs des Grundkörpers 1 und der Wegstrecke T, um die der Grundkörper 1 von einer ersten Höhe auf eine zweite Höhe verbracht wurde, kann auf eine Druckkraft rückgeschlossen werden, die auf den Grundkörper 1 wirkt. Folglich kann der hier beschriebene elastische Permanentmagnet in einem Drucksensor verwendet werden.
  • 2 zeigt ein Weg-Spannungs-Diagramm, welches mit einem Hall-Sensor 5 des Typs Allegro A 1395 gemessen wurde. Der verwendete elastische Permanentmagnet weist einen Grundkörper 1 auf, der aus einem Schaumstoff aus Ethylvinylacetat gefertigt ist. Im Schaumstoff sind hartmagnetische Strontiumferritpartikel mit mittleren Durchmessern aus dem Bereich 0,5 μm bis 5 μm verteilt. Der zylindrische Grundkörper 1 weist eine Höhe von 4 mm auf, die Grundflächen einen Durchmesser von 6 mm. Die Pole 2, 3 sind den Grundflächen zugeordnet. In unbelastetem Zustand des Grundkörpers 1 herrscht eine magnetische Feldstärke von 5,5 mT (Millitesla).
  • 2 zeigt, dass eine Verpressung des Grundkörpers 1 um eine Wegstrecke T, gemessen in mm, mit einem Sensorsignal, gemessen in mV, korreliert ist. Es wurden sowohl die Sensorsignale gemessen, die sich bei zunehmender Belastung ergeben (Druckerhöhung), als auch die Sensorsignale, die sich bei abnehmender Belastung einstellen (Drucksenkung). Die vom Sensor 5 ausgegebene Spannung U ist proportional zur Wegstrecke T, um die der Grundkörper 1 in axialer Richtung deformiert bzw. verpresst wird.
  • Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lehre wird einerseits auf den allgemeinen Teil der Beschreibung und andererseits auf die Patentansprüche verwiesen.
  • Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben, dass das zuvor rein willkürlich ausgewählte Ausführungsbeispiel lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dient, dieses jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel einschränkt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102004034723 A1 [0002]

Claims (7)

  1. Permanentmagnet, umfassend einen Grundkörper (1) mit einem magnetischen Nordpol (2) und einem magnetischen Südpol (3), wobei der Grundkörper (1) elastisch deformierbar ist.
  2. Permanentmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) aus einem Schaumstoff gefertigt ist, in welchem hartmagnetische Partikel (4) verteilt sind.
  3. Permanentmagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) aus einem Schaumstoff aus Ethylvinylacetat gefertigt ist.
  4. Permanentmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Grundkörper (1) SrFeO-Partikel (4) verteilt sind.
  5. Permanentmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Grundkörper (1) NdFeB-Partikel (4) verteilt sind.
  6. Permanentmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen dem Grundkörper (1) zugeordneten Sensor (5).
  7. Verwendung eines Permanentmagneten nach einem der voranstehenden Ansprüche in einem Drucksensor.
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