DE102007027149A1

DE102007027149A1 - Tauchankeraufnehmer aus Metallen unterschiedlicher magnetischer Permeabilität

Info

Publication number: DE102007027149A1
Application number: DE102007027149A
Authority: DE
Inventors: Thomas Feucht
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2027-06-14
Also published as: WO2008151762A2; DE102007027149B4; US20100102909A1; WO2008151762A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Tauchankeraufnehmer (1), beinhaltend wenigstens eine elektrische, mit Windungen versehene Spule (2) sowie wenigstens einen mit dieser zusammenwirkenden Tauchanker (4), welcher abhängig von seiner Eintauchtiefe in eine Spulenöffnung (6) der Spule (2) eine unterschiedliche Induktivität (L) der Spule (2) hervorruft. Die Erfindung sieht vor, dass der Tauchanker (4) in einem radial äußeren Abschnitt (14) wenigstens teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall und in einem radial inneren Abschnitt (16) wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material besteht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Tauchankeraufnehmer beinhaltend wenigstens eine elektrische, mit Windungen versehene Spule sowie wenigstens einen mit dieser zusammenwirkenden Tauchanker, welcher abhängig von seiner Eintauchtiefe in eine Spulenöffnung der Spule eine unterschiedliche Induktivität der Spule hervorruft, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Bekannte Tauchankeraufnehmer werden beispielsweise in elektronischen Pedalmoduln von Kraftfahrzeugen verwendet und dienen zum Messen der Pedalbewegung eines Pedals, insbesondere eines Brems- bzw. Gaspedals. Je nach Eintauchtiefe des Tauchankers in die Spulenöffnung bzw. dem Überdeckungsgrad zwischen der Spule und dem Tauchanker ändert sich der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises und damit der Eigeninduktivität der Spule. Das lineare Verhalten des Tauchankeraufnehmers wird dann durch die im wesentlichen lineare Abhängigkeit des Überdeckungsgrades, welcher sich zwischen dem Tauchanker und der Spule ergibt, erreicht.
Dabei wird der Tauchanker meistens aus Aluminium gefertigt. Dies bringt gegenüber einem Tauchanker aus ferromagnetischen Material Vorteile hinsichtlich des Gewichts, weshalb auch das dynamische Verhalten bei einer externen Schwingungsanregung besser ist. Außerdem ist Aluminium leicht bearbeitbar und korrosionsbeständig.
Für die verschiedenen Anwendungen wie beispielsweise in einem Pedalmodul eines Nutzfahrzeugs werden leichte, kompakte und eine hohe Messempfindlichkeit aufweisende Tauchankeraufnehmer bevorzugt. Der vorliegenden Erfin dung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Tauchankeraufnehmer zu schaffen, der alle diese Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass gemäß einer ersten Alternative der Tauchanker in einem radial äußeren Abschnitt wenigstens teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall und in einem radial inneren Abschnitt wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material besteht.
Gemäß einer zweiten Alternative ist an einer radial inneren Umfangsfläche der Spule mittelbar oder unmittelbar ein zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall bestehender Ring angeordnet und der Tauchanker besteht wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material.
Folglich schirmt der äußere, aus dem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall bestehende Abschnitt des Tauchankers oder der der Spule zugeordnete äußere Ring den radial inneren Abschnitt des Tauchankers oder den Tauchanker von den magnetischen Feldlinien des Magnetfelds der Spule ab. Wenn nun der aus dem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall bestehende äußere Abschnitt des Tauchankers oder der Ring in ein magnetisches Wechselfeld eingebracht wird, entstehen in dem Abschnitt oder Ring Wirbelströme, welche ein dem von der Spule erzeugten Magnetfeld entgegen gerichtetes Magnetfeld erzeugen und das Magnetfeld der Spule dadurch abschwächen. Indem nun erfindungsgemäß der radial innere Abschnitt des Tauchankers oder der Tauchanker wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material gefertigt ist, wird das durch die Wirbelströme im äußeren Abschnitt des Tauchankers oder im Ring erzeugte Gegenmagnetfeld verstärkt. Durch dieses dann durch das radial innere ferromagnetische Material verstärkte Gegenmagnetfeld wird das Magnetfeld der Spule stärker geschwächt als beim Stand der Technik, welcher einen Tauchanker ausschließlich aus Aluminium (Nichteisenmetall) verwendet. Dieser Effekt führt dazu, dass der erfindungsgemäße Tauchankeraufnehmer gegenüber Relativbewegungen zwischen dem Tauchanker und der Spule in vorteilhafter Weise empfindlicher reagiert. Diese höhere Empfindlichkeit erlaubt eine kürzere Baugröße des Tauchankeraufnehmers, weil bereits geringe Relativbewegungen zwischen der Spule und dem Tauchanker eine hohe Signalauflösung liefern.
Weil nur ein Teil des Tauchankeraufnehmers aus einem schwereren ferromagnetischen Material, der andere aber weiterhin aus einem leichteren Nichteisenmetall wie beispielsweise Aluminium besteht, baut der erfindungsgemäße Tauchankeraufnehmer weiterhin relativ leicht.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindung möglich.
Besonders bevorzugt ist das Nichteisenmetall paramagnetisch oder diamagnetisch, bei gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit, um möglichst hohe Wirbelströme und damit ein möglichst großes magnetisches Gegenfeld zu erzeugen, das dem Magnetfeld der Spule entgegen wirkt. Bevorzugt wird das Nichteisenmetall durch Aluminium oder durch eine Aluminiumlegierung gebildet.
Gemäß einer Weiterbildung der ersten Alternative der Erfindung bildet der radial innere, wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material bestehende Abschnitt des Tauchankers einen einstückigen Kern des Tauchankers aus. Dieser Kern kann zumindest teilweise in dem radial äußeren Abschnitt des Tauchankers, welcher aus dem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall besteht, eingebettet sein. Weiterhin erstreckt sich der Kern bevorzugt nur über einen Teil der Länge des Tauchankers. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass der radial äußere Abschnitt des Tauchankers eine zentrale Sacklochbohrung aufweist, in welche der Kern eingesetzt ist. Dabei kann der Kern mit einer Stirnfläche des Tauchankers bündig abschließen.
Gemäß einer Weiterbildung der zweiten Alternative der Erfindung bildet der aus dem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall bestehende Ring wenigstens einen Teil des Spulenkörpers der Spule, beispielsweise dadurch, dass der Ring in den Spulenkörper wenigstens teilweise eingebettet ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass der Spulenkörper ein Spritzgussformling aus Kunststoff ist, in welchen der Ring eingegossen wird.
Alternativ kann der aus dem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall bestehende Ring nicht in den Spulenkörper der Spule integriert oder direkt mit dem Spulenkörper verbunden, sondern lediglich an dessen radial innerer Umfangsfläche angeordnet sein.
Besonders bevorzugt besteht der Tauchanker vollständig aus dem ferromagnetischen Material. Eine verbesserte magnetische Abschirmung des Tauchankers vom Magnetfeld der Spule ergibt sich, wenn der Ring die Spulenwicklung seitlich um ein Stück überragt. Der in radialer Richtung gesehen dem Tauchanker und dem Ring zwischen geordnete Ringspalt beinhaltet bevorzugt Luft.
Genaueres geht aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor.
Zeichnungen
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 eine schematische Querschnittsansicht eines Tauchankeraufnehmers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Querschnittsansicht eines Tauchankeraufnehmers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine Anwendung eines Tauchankeraufnehmers 1 gemäß der Erfindung besteht beispielsweise darin, bei einem elektronischen Pedalmodul eines Fahrzeugs den Pedalweg beispielsweise eines elektronischen Brems- bzw. Gaspedals zu messen. Dazu wird beispielsweise eine Spule 2 des Tauchankeraufnehmers 1 mit dem Lagerbock und ein Tauchanker 4 des Tauchankeraufnehmers 1 mit dem Brems- bzw. Gaspedal verbunden. Der vom Tauchankeraufnehmer 1 gemessene Weg des Tauchankers 4 stellt dann ein Maß für die Betätigung des Brems- bzw. Gaspedals dar.
In 1 ist zur beispielhaften Erläuterung der Erfindung ein Tauchankeraufnehmer 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Tauchankeraufnehmer 1 dient zur Wandelung einer mechanischen Linearbewegung in ein elektrisches Signal, welches proportional zur Linearbewegung ist, im Rahmen eines berührungslosen induktiven Messverfahrens.
Hierzu beinhaltet der Tauchankeraufnehmer 1 wenigstens eine mit elektrisch leitfähigen Windungen versehene, bevorzugt hohlzylindrische Spule 2 sowie den in eine Spulenöffnung 6 der Spule 2 eintauchenden, mit dem Brems- bzw. Gaspedal linear bewegten Tauchanker 4. Abhängig von seinem Eintauch- bzw. Überdeckungsgrad in Bezug zum Magnetfeld der Spule 2 wird dann eine unterschiedliche Induktivität L der Spule 2 hervorgerufen.
Im folgenden seien die für das Messprinzip dienenden physikalischen Grundlagen beschrieben. Allgemein erzeugt ein Strom I in einer Zylinderspule 2 ein magnetisches Feld mit einer Feldstärke H: H = I·nl (1)wobei n die Windungszahl und I die Spulenlänge ist. Die Feldstärke H erzeugt eine Kraftflussdichte B B = μr·μ0·H (2) wobei μ₀ die Permeabilität und μ_r die Permeabilitätszahl ist, wobei für letztere gilt:
μ_r < 1 für diamagnetische Materialien,
μ_r > 1 für paramagnetische Materialien, und
μ_r >> 1 für ferromagnetische Materialien.
Eine Änderung der Kraftflussdichte B induziert in der Spule 2 eine Spannung U_ind: Uind = n·B .·A (3)
Aus den Gleichungen (1) bis (3) ergibt sich dann für die induzierte Spannung U_ind: Uind = n·A·μr·μ0·nl ·I . (4)
Für die Induktivität L der Spule 2 ergibt sich dann: L = n2·μr·μ0·Al (5)
Die Spule 2 und der Tauchanker 4 sind in Bezug zu einer gemeinsamen Spulenachse 8 koaxial angeordnet. Die beispielsweise zylindrische Spule 2 besitzt vorzugsweise einen eigenen Spulenkörper 10, auf welchen eine Spulenwicklung 12 aus elektrisch leitfähigem Draht, beispielsweise aus Kupferdraht aufgewickelt ist sowie elektrische Anschlüsse. Der Tauchanker 4 ist ebenfalls zylindrisch und insbesondere derart ausgebildet, dass die Induktivität L der Spule 2 eine lineare Abhängigkeit von der Eintauchtiefe des Tauchankers 4 in die zylindrische Spulenöffnung 6 aufweist.
Gemäß der Ausführungsform von 1 besteht der Tauchanker 4 in einem radial äußeren Abschnitt 14 wenigstens teilweise aus einem Nichteisenmetall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und in einem radial inneren Abschnitt 16 wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material.
Zu den Nichteisenmetallen zählen beispielsweise Aluminium, Kupfer, Gold, Silber etc. Sie zeichnen sich allgemein durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit aus. Insbesondere ist die elektrische Leitfähigkeit des Nichteisenmetalls des äußeren Abschnitts 14 des Tauchankers 4 größer als die des ferromagnetischen Materials des radial inneren Abschnitts 16 des Tauchankers 4.
Unter einem ferromagnetischen Material wird allgemein ein magnetisch leitfähiges oder weich-magnetisches Material verstanden, welches eine Permeabilitätszahl μ >> 1 und eine magnetische Suszeptibilität χ > 0 aufweist. Zu den ferromagnetischen Materialien zählen beispielsweise Eisen, Kobalt oder Nickel. Sie stärken das sie durchdringende magnetische Feld erheblich, indem sie den magnetischen Widerstand verringern.
Besonders bevorzugt ist das Nichteisenmetall im radial äußeren Abschnitt 14 des Tauchankers 4 paramagnetisch oder diamagnetisch, bei gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit, um möglichst hohe Wirbelströme und damit ein möglichst großes magnetisches Gegenfeld zu erzeugen, das dem Magnetfeld der Spule 2 entgegen wirkt.
Unter einem paramagnetischen Material wird ein Material verstanden, das eine Permeabilitätszahl μ > 1 und eine magnetische Suszeptibilität χ > 0 aufweist. Zu einem solchen paramagnetischen Material zählen beispielsweise Platin oder Aluminium.
Unter einem diamagnetischen Material wird ein Material verstanden, das eine Permeabilitätszahl μ < 1 und eine magnetische Suszeptibilität χ < 0 aufweist. Zu einem solchen diamagnetischen Material zählen beispielsweise Kupfer oder Silber.
Bevorzugt wird das Nichteisenmetall durch Aluminium oder durch eine Aluminiumlegierung gebildet oder enthält diese Materialien.
Bevorzugt bildet der radial innere, beispielsweise vollständig aus dem ferromagnetischen Material bestehende Abschnitt 16 des Tauchankers 4 einen einstückigen Kern des Tauchankers 4 aus. Dieser Kern 16 ist zumindest teilweise in dem radial äußeren Abschnitt 14 des Tauchankers 4, welcher vorzugsweise vollständig aus dem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall besteht, eingebettet. Weiterhin erstreckt sich der Kern 16 bevorzugt nur über einen Teil der Länge des Tauchankers 4. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass der radial äußere Abschnitt 14 des Tauchankers 4 eine zentrale Sacklochbohrung aufweist, in welche der Kern 16 eingesetzt oder eingebettet ist. Dabei ist die Stirnfläche 18 des Kerns 16 beispielsweise frei und schließt mit einer Stirnfläche des Tauchankers 4 bündig ab. Der Kern 16, wie auch der radial äußere Abschnitt 14 des Tauchankers 4 weisen eine größere Länge auf als die Spule 2.
Gemäß der Ausführungsform von 2, in welcher gleiche oder gleich wirkenden Bauelemente die gleichen Bezugszahlen wie in 1 aufweisen, bildet ein vorzugsweise vollständig aus einem Nichteisenmetall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehender Ring 20 wenigstens einen Teil des Spulenkörpers 10 der Spule 2. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass der Spulenkörper 10 ein Spritzgussformling aus Kunststoff ist, in welchen der Ring 20 eingegossen wird. Gemäß einer weiteren Variante ist der aus dem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall bestehende Ring 20 weder in den Spulenkörper 10 der Spule 2 integriert noch direkt mit dem Spulenkörper 10 verbunden, sondern lediglich an dessen radial innerer Umfangsfläche angeordnet.
Besonders bevorzugt besteht der Tauchanker 4 vollständig aus einem ferromagnetischen Material. Eine verbesserte magnetische Abschirmung des Tauchankers 4 vom Magnetfeld der Spule 2 ergibt sich, wenn der Ring 20 die Spulenwicklung 12 seitlich um ein Stück überragt. Der in radialer Richtung gesehen dem Tauchanker 4 und dem Ring 20 zwischengeordnete Ringspalt 22 beinhaltet bevorzugt Luft. Der Tauchanker 4 weist eine größere Länge auf als der Ring 20 oder die Spule 2.
Vor diesem Hintergrund ist die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Tauchankeraufnehmers 1 wie folgt:
Durch eine zu sensierende lineare Bewegung des Tauchankers 4 in Bezug zur Spule 2 verändert sich dessen Eindringtiefe in deren Spulenöffnung 6. Diese Veränderung der Eindringtiefe oder der Überlagerungsfläche mit der Spulenöffnung 6 verändert die Eigeninduktivität L der Spule, was zur Signalgewinnung genutzt wird.
Die Erregung der Spule 2 kann beispielsweise durch einen Mikroprozessor erfolgen, welcher rechteckförmige, sinusförmige oder beliebige Impulse einer Wechselspannungsquelle in die Spule 2 einspeist. Aus der Dauer des Abklingens des Impulses auf einen unteren Grenzwert kann dann die Eigeninduktivität L der Spule 2 bestimmt werden. In diesem Fall wird die Linearbewegung des Tauchankers 4 relativ zur Spule 2 mittels einer Zeitmessung bestimmt.
Wenn nun gemäß 1 der aus dem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall bestehende äußere Abschnitt 14 des Tauchankers 4 in das magnetische Wechselfeld der Spule 2 eingebracht wird bzw. wenn gemäß 2 sich bereits ein Ring 20 aus dem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall im magnetischen Wechselfeld der Spule 2 befindet, entstehen in dem Nichteisenmetall 14, 20 Wirbelströme, welche ein dem von der Spule 2 erzeugten Magnetfeld entgegen gerichtetes Magnetfeld erzeugen und das Magnetfeld der Spule 2 dadurch schwächen. Indem nun gemäß 1 der Kern 16 des Tauchankers 4 bzw. gemäß 2 der gesamte Tauchanker 4 aus einem ferromagnetischen Material gefertigt ist, wird das durch die Wirbelströme im äußeren Abschnitt 14 des Tauchankers 4 bzw. im Ring 20 erzeugte Gegenmagnetfeld verstärkt. Durch das dann durch das radial innere ferromagnetische Material 16, 4 verstärkte Gegenmagnetfeld wird das Magnetfeld der Spule 2 stark geschwächt. Dies führt dazu, dass der Tauchankeraufnehmer 1 gegenüber Relativbewegungen zwischen dem Tauchanker 4 und der Spule 2 empfindlicher reagiert und somit eine hohe Auflösung aufweist.

1: Tauchankeraufnehmer
2: Spule
4: Tauchanker
6: Spulenöffnung
8: Spulenachse
10: Spulenkörper
12: Spulenwicklung
14: radial äußerer Abschnitt
16: radial innerer Abschnitt
18: Stirnfläche
20: Ring
22: Ringspalt

Claims

Tauchankeraufnehmer (1) beinhaltend wenigstens eine elektrische, mit Windungen versehene Spule (2) sowie wenigstens einen mit dieser zusammenwirkenden Tauchanker (4), welcher abhängig von seiner Eintauchtiefe in eine Spulenöffnung (6) der Spule (2) eine unterschiedliche Induktivität (L) der Spule (2) hervorruft, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Tauchanker (4) in einem radial äußeren Abschnitt (14) wenigstens teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall und in einem radial inneren Abschnitt (16) wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material besteht, oder dass b) an einer radial inneren Umfangsfläche der Spule (2) mittelbar oder unmittelbar ein zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall bestehender Ring (20) angeordnet ist und der Tauchanker (4) wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material besteht.
Tauchankeraufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nichteisenmetall paramagnetisch oder diamagnetisch ist.
Tauchankeraufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Nichteisenmetall durch Aluminium oder durch eine Aluminiumlegierung gebildet wird.
Tauchankeraufnehmer nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere, wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material bestehende Abschnitt (16) des Tauchankers (4) einen einstückigen Kern des Tauchankers (4) bildet.
Tauchankeraufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (16) zumindest teilweise in dem radial äußeren Abschnitt (14) des Tauchankers (4), welcher aus dem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall besteht, eingebettet ist.
Tauchankeraufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kern (16) nur über einen Teil der Länge des Tauchankers (4) erstreckt.
Tauchankeraufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der radial äußere Abschnitt (14) des Tauchankers (4) eine zentrale Sacklochbohrung aufweist, in welche der Kern (16) eingesetzt ist.
Tauchankeraufnehmer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (16) mit einer Stirnfläche des Tauchankers (4) bündig abschließt.
Tauchankeraufnehmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (16) und der radial äußere Abschnitt (14) des Tauchankers (4) eine größere Länge aufweisen als die Spule (2).
Tauchankeraufnehmer nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall bestehende Ring (20) wenigstens einen Teil eines Spulenkörpers (10) der Spule (20) bildet.
Tauchankeraufnehmer nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem elektrisch leitfähigen Nichteisenmetall bestehende Ring (20) an einer radial inneren Umfangsfläche des Spulenkörpers (10) der Spule (2) angeordnet ist.
Tauchankeraufnehmer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Tauchanker (4) vollständig aus dem ferromagnetischen Material besteht und eine größere Länge aufweist als die Spule (2) oder der Ring (20).
Tauchankeraufnehmer nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (20) die Spulenwicklung (12) seitlich um ein Stück überragt.
Tauchankeraufnehmer nach wenigstens einem der Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein in radialer Richtung gesehen dem Tauchanker (4) und den Ring (20) zwischengeordneter Ringspalt (22) Luft beinhaltet.