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Die
Erfindung betrifft einen magnetischen Näherungssensor.
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Stand der Technik
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Näherungssensoren
liefern ein Messsignal, welches sich in Abhängigkeit des
Abstands zwischen dem Näherungssensor und einem zu erkennenden Gegenstand ändert.
Magnetische Näherungssensoren haben gegenüber
optischen Sensoren den Vorteil, dass sie auch einen Gegenstand erkennen
können, zu dem keine Sichtverbindung besteht. Dabei sind
sie robuster und einfacher herzustellen als induktive Sensoren oder
Wirbelstromsensoren. Sie haben gegenüber diesen Sensoren
den Vorteil, dass sie mit einem magnetischen Gleichfeld arbeiten,
welches viele Materialien besser durchdringt. Zudem ist ein Gleichfeld
einfacher herzustellen, und das Messergebnis kann ohne Demodulation
mit einer Trägerfrequenz direkt weiterverarbeitet werden.
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Aus
der
EP 0 234 458 A2 ist
ein Näherungssensor bekannt, bei dem die Feldlinien eines
Permanentmagneten in Abwesenheit eines magnetisierbaren Gegenstands
magnetfeldabhängige Widerstände durchsetzen. Bei
Annäherung des Gegenstands werden die Feldlinien zumindest
teilweise durch diesen hindurch an den Widerständen vorbei
geleitet. Nachteilig spricht dieser Sensor erst bei einem vergleichsweise
geringen Abstand an, bei dem bereits erhebliche magnetische Kräfte
zwischen dem Sensor und dem Gegenstand wirken.
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Aus
der
DE 42 27 831 A1 ist
ein Näherungssensor bekannt, bei dem ein Magnetfeldsensor
in der neutralen Zone zwischen den Polen eines Permanentmagneten
angeordnet ist. Bei Annäherung eines ferromagnetischen
Gegenstands verschiebt sich diese neutrale Zone, so dass der Magnetfeldsensor
ein Feld registriert. Nachteilig wird das Messergebnis dieses Sensors
durch Hystereseeffekte im Material des Gegenstands verfälscht,
so dass nur die An- oder Abwesenheit des Ge genstands sowie beim
Einsatz zweier Sensoren die Richtung der Annäherung erkennbar
sind.
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Aufgabe und Lösung
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Näherungssensor
zur Verfügung zu stellen, bei dem Hystereseeffekte des
zu erkennenden Gegenstands einen geringeren Einfluss haben und bei
dem die magnetischen Kräfte zwischen dem Sensor und dem
Gegenstand geringer sind als nach dem Stand der Technik.
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Diese
Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst
durch einen Näherungssensor gemäß Hauptanspruch
und eine Anordnung aus solchen Sensoren gemäß Nebenanspruch.
Ein Magnetlager, in dem der Sensor oder die Anordnung eine vorteilhafte
Anwendung findet, ist Gegenstand eines weiteren Nebenanspruchs.
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Gegenstand der Erfindung
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Im
Rahmen der Erfindung wurde ein Näherungssensor zur Erkennung
eines magnetisch permeablen, insbesondere ferromagnetischen Gegenstands
entwickelt. Dieser Näherungssensor umfasst mindestens einen
Magnetfeldsensor mit einer Vorzugsachse und mindestens eine Magnetfeldquelle zur
Beaufschlagung des Magnetfeldsensors mit einer Feldkomponente senkrecht
zu der Vorzugsachse.
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Erfindungsgemäß ist
der Näherungssensor zur Erkennung eines Gegenstands ausgebildet,
der auf der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors liegt.
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Hierbei
ist es ausdrücklich nicht erforderlich, dass die Vorzugsachse
des Magnetfeldsensors eine Symmetrieachse des Gegenstands ist. Ein
an den Näherungssensor angenäherter Gegenstand
liegt im Sinne dieser Erfindung bereits auf der Vorzugsachse des
Magnetfeldsensors, wenn die Vorzugsachse durch den Gegenstand hindurchtritt.
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Es
wurde erkannt, dass die Magnetfeldquelle, die den Magnetfeldsensor
mit einem Feld beaufschlagt, ein Streufeld in dem Nahbereich des
Näherungssensors erzeugt, der auf der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors
liegt. Wird ein magne tisch permeabler und hier insbesondere ein
ferromagnetischer Gegenstand in diesen Nahbereich gebracht, fließt
ein erhöhter Anteil des magnetischen Flusses der Magnetfeldquelle
durch diesen Gegenstand. Das Magnetfeld, mit dem der Magnetfeldsensor
beaufschlagt wird, wird dadurch verzerrt und erhält einen zusätzlichen
Beitrag entlang der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors. Dieser Beitrag
kann vom Magnetfeldsensor registriert werden. Er ist umgekehrt proportional
zum Abstand zwischen dem Gegenstand und dem Näherungssensor
und daher ein Maß für diesen Abstand. Somit kann
nicht nur das bloße Vorhandensein des Gegenstands erkannt
werden, sondern es kann auch der Abstand zwischen dem Gegenstand
und dem Näherungssensor überwacht werden. Diese
Messung kann beispielsweise als Eingangsgröße
für eine aktive Regelung des Abstands verwendet werden.
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Da
der Gegenstand lediglich in das Streufeld der Magnetfeldquelle eintritt,
wird er nicht vom gesamten Fluss der Magnetfeldquelle durchsetzt.
In Richtung der Vorzugsachse gesehen verlaufen die magnetischen
Feldlinien des Streufelds beiderseits des Magnetfeldsensors, jedoch
befindet sich der angenäherte Gegenstand nur auf einer
Seite des Magnetfeldsensors. Die Flussdichte im Gegenstand ist daher
in dem Bereich, in dem sie linear vom von der Magnetfeldquelle vorgelegten
Magnetfeld abhängt, oder sie liegt zumindest näher
an diesem linearen Bereich als bei magnetischen Näherungssensoren nach
dem Stand der Technik. Dies bewirkt zugleich, dass die Kraftwechselwirkung
zwischen dem Näherungssensor und dem Gegenstand minimiert
wird.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließen
die Vorzugsachse des Magnetfeldsensors und die Feldrichtung der
Magnetfeldquelle einen Winkel zwischen 70 und 110 Grad, bevorzugt
von 90 Grad, ein. Bei einem Winkel von 90 Grad ist das Signal des
Magnetfeldsensors Null, wenn kein magnetisch permeabler Gegenstand
in der Nähe des Näherungssensors ist. Da technisch besonders
empfindlich festgestellt werden kann, ob ein Signal Null oder nicht
Null ist, kann der Beginn einer Annäherung des Gegenstands
frühzeitig erkannt werden.
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Ist
der Winkel dagegen wenig verschieden von 90 Grad, wird der Magnetfeldsensor
ständig auch mit einer kleinen Feldkomponente entlang seiner
Vorzugsachse beaufschlagt. Dementsprechend liefert er auch bei Abwesenheit
des Gegenstands ständig ein kleines Messsignal, das genutzt
werden kann, um die Funktion des Magnetfeldsensors zu überwachen.
Ein Messsignal von Null zeigt in diesem Fall einen Ausfall des Sensors
an. Das bei Abwesenheit des Gegenstands und funktionierendem Sensor gelieferte
kleine Signal wachst bei Annäherung des Gegenstands umgekehrt
proportional zum abnehmenden Abstand zwischen dem Gegenstand und dem
Näherungssensor.
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Vorteilhaft
schließt die Vorzugsachse mit einer Grenzfläche
des Magnetfeldsensors einen Winkel zwischen 70 und 110 Grad, bevorzugt
von 90 Grad, ein. Bei einem gegebenen Abstand zwischen Gegenstand
und Näherungssensor sind dann die Verzerrung des Magnetfeldes
aus der Magnetfeldquelle und damit auch das vom Magnetfeldsensor
registrierte Signal am größten.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Magnetfeldsensor magnetoresistiv und hier insbesondere ein GMR-Sensor. Diese
Sensoren, insbesondere GMR-Sensoren sind besonders empfindlich im
Bereich kleiner Magnetfelder, wie sie entlang der Vorzugsachse des
Magnetfeldsensors entstehen, wenn das Magnetfeld aus der Magnetfeldquelle
durch Anwesenheit des Gegenstands verzerrt wird. GMR-Sensoren geraten
jedoch schon bei vergleichsweise geringen magnetischen Flüssen
in die Sättigung. In der Situation gemäß
EP 0 234 458 A2 ,
wo die magnetfeldabhängigen Widerstände bei Abwesenheit
des Gegenstands im Wesentlichen den vollen magnetischen Fluss der
Magnetfeldquelle messen, könnten diese Widerstände daher
nicht ohne Weiteres durch GMR-Sensoren ersetzt werden.
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Vorteilhaft
vermag die Magnetfeldquelle eine Feldstärke von 0,5 Tesla
oder mehr, bevorzugt von 1 Tesla oder mehr, an mindestens einem
Ort innerhalb des Magnetfeldsensors zu erzeugen. Insbesondere bei
einer senkrechten Ausrichtung von Magnetfeld und Vorzugsachse des
Magnetfeldsensors stört ein stärkeres Magnetfeld
die Messung des Magnetfeldsensors nicht. Es führt aber
dazu, dass bei einem gegebenen Abstand des Gegenstands die durch
die Feldverzerrung bewirkte Magnetfeldkomponente entlang der Vorzugsachse
größer wird. Damit wird die Genauigkeit der Abstandsmessung
gesteigert. Bei einer gegebenen Nachweisempfindlichkeit des Magnetfeldsensors
wachst der maximale Abstand, in dem der Gegenstand noch vom Näherungssensor erfasst
werden kann.
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Als
Magnetfeldquelle ist insbesondere ein Permanentmagnet geeignet,
da er keine Energiezufuhr benötigt. Es ist insbesondere
ein Permanentmagnet geeignet, der eine Verbindung enthält,
die mindestens ein ferromagnetisches Metall und mindestens ein Seltenerdmetall
umfasst. Derartige Magnete können die größte
magnetische Flussdichte erzeugen. Die Verbindung kann beispielsweise
eine Neodym-Eisen-Bor- oder eine Samarium-Kobalt-Verbindung sein.
Handelsübliche Magnete aus NdFeB haben eine Remanenzflussdichte
von 1,2 T, 1,5 T sind aber möglich. Auch mit Samarium-Kobalt
(SmCo) sind sehr hohe Remanenzflussdichten möglich, sie sind
außerdem temperaturbeständiger. Dafür
sind sie teurer und haben eine etwas geringere Energiedichte als
Magnete aus NdFeB.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens
ein Magnetfeldsensor und mindestens eine Magnetfeldquelle auf unterschiedlichen
Seiten eines Substrates angeordnet, welches insbesondere Silizium
enthalten kann. Dann können die halbleitertechnischen Methoden
der Massenfertigung auch zur Herstellung großer Stückzahlen
miniaturisierter erfindungsgemäßer Näherungssensoren verwendet
werden. Insbesondere kann der Näherungssensor dann als
integrierte Schaltung ausgebildet sein. Der begrenzende Faktor für
die Miniaturisierung ist in aller Regel die Magnetfeldquelle.
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Es
ist aber auch beispielsweise eine handelsübliche Platine
als Substrat geeignet.
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Die
Magnetfeldquelle und der Magnetfeldsensor können auch ohne
dazwischen angeordnetes Substrat unmittelbar benachbart angeordnet und
beispielsweise miteinander verklebt sein.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst
der Näherungssensor eine den Magnetfeldsensor und die Magnetfeldquelle umgebende
Abschirmung aus einem magnetisch permeablen, insbesondere ferromagnetischen
Material, welche in Richtung der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors
gesehen eine Aussparung aufweist. Besonders bevorzugt ist das Material
der Abschirmung hochpermeabel. Die Wirkung setzt jedoch tendenziell
bereits ein, sobald das Material magnetische Feldlinien besser konzentriert
als Luft.
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Durch
die Abschirmung wird der Einfluss externer Störmagnetfelder
auf das Messergebnis unterdrückt. Dies ist insbesondere
vorteilhaft, wenn der Näherungssensor in der Nähe
anderer magnetischer Teile, wie zum Beispiel elektromagnetischer
Spulen aktiv geregelter Magnetlager, angeordnet ist.
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Zugleich
lässt sich mit einer solchen Abschirmung auch der Arbeitspunkt
des Näherungssensors beeinflussen: Je permeabler die Abschirmung
ist, desto größer ist der Anteil des magnetischen
Flusses aus der Magnetfeldquelle, der durch die Abschirmung kurzgeschlossen
wird und einen im Nahbereich des Näherungssensors eventuell
vorhandenen Gegenstand gar nicht erreicht. Die Abschirmung verringert
somit die Empfindlichkeit des Näherungssensors.
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Ist
beispielsweise durch die erwähnte Massenherstellung eine
große Anzahl identischer Näherungssensoren auf
einem Siliziumwafer als Substrat hergestellt worden, so können
diese nach dem Aufteilen des Siliziumwafers in einzelne Näherungssensoren
durch Einbringen in unterschiedlich permeable und/oder unterschiedlich
dicke Abschirmungen nachträglich in ihrer Empfindlichkeit
verändert werden. Es ist kostengünstiger, die
Empfindlichkeit auf diese Weise durch einen rein mechanischen Akt
zu verändern, als die Parameter des halbleitertechnischen Herstellungsprozesses
immer wieder anzupassen.
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Die
Magnetfeldquelle, der Magnetfeldsensor und gegebenenfalls das Substrat
können beispielsweise in der Abschirmung vergossen sein,
etwa mit einem Harz.
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Die
den Magnetfeldsensor und die Magnetfeldquelle umgebende Abschirmung
aus einem magnetisch permeablen Material, welche in Richtung der Vorzugsachse
des Magnetfeldsensors gesehen eine Aussparung aufweist, bildet den
Näherungssensor zur Erkennung eines Gegenstands aus, der
auf der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors liegt. In Richtung der
Vorzugsachse gesehen wird der magnetische Fluss aus der Magnetfeldquelle
nicht durch die Abschirmung kurzgeschlossen. Stattdessen bildet
er ein Streufeld. Ein permeabler Gegenstand, der in dieses Streufeld
eintritt, verzerrt das Magnetfeld, mit dem der Magnetfeldsensor
beaufschlagt wird.
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Ein
Näherungssensor zur Erkennung eines magnetisch permeablen
Gegenstands, umfassend mindestens einen Magnetfeldsensor mit einer
Vorzugsachse und mindestens eine Magnetfeldquelle zur Beaufschlagung
des Magnetfeldsensors mit einer Feldkomponente senkrecht zu der
Vorzugsachse, gekennzeichnet durch eine den Magnetfeldsensor und
die Magnetfeldquelle umgebende Abschirmung aus einem magnetisch
permeablen Material, welche in Richtung der Vorzugsachse des Magnetfeldsensors
gesehen eine Aussparung aufweist, ist somit ebenfalls ein erfindungsgemäßer
Näherungssensor.
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Im
Rahmen der Erfindung wurde eine Anordnung aus mindestens zwei erfindungsgemäßen
Näherungssensoren entwickelt. Diese Anordnung weist erfindungsgemäß eine
Auswerteeinheit auf, welche die Differenz der Messsignale der Näherungssensoren
zu bestimmen vermag. Es wurde erkannt, dass durch die Differenzbildung
der Einfluss von Nichtlinearitäten der Magnetfeldsensoren
stark vermindert wird. Zugleich werden Gleichtaktstörungen
unterdrückt. Gleichtaktstörungen sind Störungen,
die beide Sensoren gleichermaßen betreffen, wie etwa Schwankungen
der Versorgungsspannung.
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Im
Rahmen der Erfindung wurde ein Magnetlager, umfassend einen Stator
und einen Rotor, fortentwickelt. Die erfindungsgemäße
Fortentwicklung besteht darin, dass mindestens ein erfindungsgemäßer
Näherungssensor oder mindestens eine erfindungsgemäße
Anordnung nach Anspruch 13 relativ zum Stator fixiert angeordnet
ist. Das Messsignal kann in einem solchen Magnetlager als Eingangsgröße für
dessen aktive Regelung herangezogen werden. Vorteilhaft sind hier
der oder die Näherungssensoren abgeschirmt, so dass sie
nicht oder nur unwesentlich durch die elektromagnetischen Spulen
der aktiven Regelung beeinflusst werden.
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Die
Ausgangssignale der erfindungsgemäßen Näherungssensoren
können auf die gleiche Weise für die Zwecke der
aktiven Regelung ausgewertet werden wie die Ausgangssignale von
Wirbelstromsensoren gemäß Stand der Technik. Somit
lässt sich die erfindungsgemäße Anordnung
beispielsweise herstellen, indem bestehende Näherungssensoren durch
erfindungsgemäße ersetzt werden.
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Spezieller Beschreibungsteil
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Nachfolgend
wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher
erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch
beschränkt wird. Es ist gezeigt:
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1: Ausführungsbeispiel für
den erfindungsgemäßen Näherungssensor
ohne (Teilbild a) und mit (Teilbild b) Gegenstand im Nahbereich.
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2:
Fotografie zweier erfindungsgemäßer Näherungssensoren.
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3:
Fotografie eines erfindungsgemäßen Magnetlagers.
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4:
Schaltungsaufbau eines GMR-Sensors.
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5:
Abstandskennlinie des ersten Prototyps des erfindungsgemäßen
Näherungssensors.
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6:
Vergleich der Abstandskennlinien zweier erfindungsgemäßer
Näherungssensoren.
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1a zeigt
ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen
Näherungssensor X in Schnittzeichnung. Ein GMR-Sensor 1,
dessen Vorzugsachse mit einem langen gestrichelten Pfeil dargestellt
ist, und ein Permanentmagnet 2, dessen Feldrichtung mit
einem kurzen fettgedruckten Pfeil dargestellt ist, sind gegenüber
liegend auf unterschiedlichen Seiten eines Substrats 3 angeordnet.
Das Substrat ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Stück
aus einer handelsüblichen Platine.
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Das
Magnetfeld des Permanentmagneten 2 steht senkrecht auf
der Vorzugsrich tung des GMR-Sensors 1. Der Permanentmagnet 2 besteht aus
einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung und liefert auf seiner Oberfläche
eine magnetische Flussdichte von 1,2 T. Die Vorzugsachse des GMR-Sensors 1 steht
senkrecht auf der Grenzfläche des GMR-Sensors 1 am
rechten Rand von 1a.
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GMR-Sensor,
Permanentmagnet und Substrat sind innerhalb einer permeablen Abschirmung aus
Baustahl S235 angeordnet. Diese Abschirmung hat in Richtung der
Vorzugsachse des GMR-Sensors gesehen eine Aussparung. Zusätzlich
weist sie in 1a nicht sichtbare Schlitze 41 auf,
die das Substrat 3 aufnehmen. Die Linie 6a skizziert
beispielhaft den Verlauf einer derjenigen Feldlinien des von dem Permanentmagneten 2 erzeugten
Magnetfelds, die von der Abschirmung 4 kurzgeschlossen
werden.
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In 1b ist
dargestellt, wie sich die Situation ändert, wenn sich ein
magnetisch permeabler Gegenstand 5 im Nahbereich des Näherungssensors befindet.
Die Linie 6b skizziert beispielhaft den Verlauf einer Feldlinie,
die nicht durch die Abschirmung 4 kurzgeschlossen wird,
sondern zum Streufeld im Nahbereich des Näherungssensors
beiträgt. Diese Feldlinie 6b tritt beim Einbringen
des Gegenstands 5 in das Streufeld durch den Gegenstand 5 hindurch. Dadurch
wird ihr Verlauf innerhalb des Näherungssensors verzerrt.
Sie durchtritt den GMR-Sensor 1 jetzt nicht mehr nur senkrecht
zu dessen Vorzugsrichtung, sondern weist auch eine Komponente in dieser
Vorzugsrichtung auf. Diese Komponente kann vom GMR-Sensor registriert
und als Signal für die Annäherung des Gegenstands 5 ausgewertet
werden.
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2 ist
eine Fotografie zweier erfindungsgemäßer Näherungssensoren
X. In dieser Perspektive sind die Schlitze 41 in den Abschirmungen 4 zur Aufnahme
des Substrats 3 sichtbar. Die Abschirmungen 4 weisen
im hinteren Bereich, in dem die Zuleitungen eintreten, Außengewinde 42 zur
Befestigung der Näherungssensoren am Einsatzort auf. Der GMR-Sensor 1 ist
bei beiden Näherungssensoren X sichtbar, der Kontrast der
Aufnahme reicht jedoch nicht aus, um den Permanentmagneten 2 oder
das Substrat 3 zu erkennen.
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Die
Abschirmung 4 des linken in 2 gezeigten
Näherungssensors besteht aus Messing, die Abschirmung 4 des
rechten in 2 gezeigten Näherungssensors
besteht aus Baustahl S235.
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3 ist
eine Fotografie eines erfindungsgemäßen Magnetlagers
in Aufsicht. Konzentrisch zu einem Basisträger 10,
der aus zwei übereinander liegenden Metallringen besteht,
ist ein Luftspaltrohr 11 angeordnet, in dem sich der Rotor 12 befindet.
Das Magnetlager ist radial aktiv geregelt. Als Stellglieder in dieser
Regelung dienen vier elektromagnetische Spulen 13, die
entlang des Innenumfangs des Basisträgers 10 verteilt
sind. Die Spulen 13 einschließlich der Polschuhe,
auf die sie gesteckt sind, bilden den Stator des Magnetlagers. Der
Stator enthält zusätzlich auch Permanentmagnete;
diese sind in 3 nicht zu sehen. Sie sind für
das Funktionieren des Magnetlagers nicht zwingend erforderlich,
sondern geben einen Standardwert für die magnetische Flussdichte
vor, der durch die Spulen 13 dann verringert oder verstärkt
werden kann. Je näher dieser Standardwert am Durchschnittswert
der magnetischen Flussdichte liegt, die während des Betriebs des
Magnetlagers benötigt wird, desto weniger Strom wird für
den Betrieb der Spulen 13 benötigt. Dadurch wird
eine Erwärmung des Magnetlagers vorteilhaft minimiert.
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Zwischen
jeweils zwei Spulen 13 ist ein erfindungsgemäßer
Näherungssensor X angeordnet, von dem jeweils nur die Abschirmung 4 zu
sehen ist. Während die Abschirmung 4 bei den in 2 gezeigten
Sensoren zylindrisch ist, ist sie hier quaderförmig. Dies
hat keinen wesentlichen Einfluss auf die Funktion der Sensoren,
jedoch sind quaderförmige Sensoren einfacher zu befestigen,
hier mit einer Madenschraube.
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Die
Vorzugsachse des GMR-Sensors 1 eines jeden Näherungssensors
X zeigt auf die Drehachse des Rotors 12. Die Näherungssensoren
X überwachen somit jeweils den Abstand des Rotors 12 zum
jeweiligen Sensor X und damit auch zur Wandung des Luftspaltrohrs 11.
Der Abstand des Rotors 12 zu jedem Näherungssensor
X beträgt im Betrieb etwa 1 mm. Der Rotor kann bis zu einem
Abstand von etwa 4 mm vor einem Näherungssensor X erfasst
werden. Die Näherungssensoren X sind mit einer Auswerteeinheit
verbunden, die die Differenz der Messsignale der Näherungssensoren
X auswertet.
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4 zeigt
den Schaltungsaufbau eines GMR-Sensors 1. Der GMR-Sensor 1 besteht
aus einer Brückenschaltung von vier identischen magnetfeldabhängigen
Widerständen, von denen zwei magnetisch abgeschirmt sind
und somit nicht mehr auf äußere Magnetfelder reagieren.
Er hat vier Anschlüsse a, b, c und d. Der Anschluss a liegt
an Versorgungsspannung Uin und der Anschluss
b an Masse. Bei einem anliegenden Magnetfeld entsteht zwischen den
Anschlüssen c und d ein Differenzsignal Uout.
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Für
die Signalauswertung im in 3 dargestellten
Magnetlager werden die Differenzsignale in der Auswerteeinheit zunächst
in massebezogene Signale umgewandelt. Diese Signale werden anschließend
in einer mit Potentiometern justierbaren Korrekturschaltung, die
herstellungsbedingte Unterschiede zwischen den Kennlinien nominell
identischer GMR-Sensoren ausgleicht, aneinander angeglichen. Differenzen
zwischen den solchermaßen angeglichenen Signalen zweier
gegenüber liegender Näherungssensoren X sind dann
jeweils ein Maß für die Position des Rotors 12 auf
der Verbindungsachse zwischen diesen beiden Sensoren. Hieraus wird
die Position des Rotors 12 auf der Achse zwischen zwei gegenüber
liegenden Spulen 13 mit einer weiteren analogen Schaltung
errechnet, indem die Differenzsignale der beiden Sensorpaare addiert
bzw. subtrahiert werden. Die Verbindungsachsen zwischen den Näherungssensoren
X schließen mit den Achsen zwischen gegenüber
liegenden Spulen 13 einen Winkel von 45 Grad ein.
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Die
Korrekturschaltung in der Auswerteeinheit ist in diesem Ausführungsbeispiel
so eingestellt, dass jeder GMR-Sensor 1 und damit auch
jeder Näherungssensor X ein Signal zwischen 0 und 1 Volt
liefert. Durch die Umrechnung auf die Achse zwischen zwei gegenüber
liegenden Spulen 13 entsteht hieraus ein Signal zwischen –√2
und +√2 Volt.
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Induktive
und Wirbelstromsensoren, die üblicherweise eine Trägerfrequenz
von 1 MHz haben, können auf Grund des Skineffekts den Rotor 12 nicht durch
das Luftspaltrohr hindurch erkennen.
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5 zeigt
die Abstandskennlinie des ersten Prototyps des erfindungsgemäßen
Näherungssensors. Dieser Prototyp enthält einen
GMR-Sensor 1 des Typs NVE-AA 004-02 mit einer Sättigungsflussdichte
von 3,5 mT und einen auf dessen IC-Gehäuse geklebten Permanentmagneten 2.
Der Permanentmagnet ist 5 mm × 5 mm × 2 mm groß und
hat einen Magnetisierungsgrad von N38, was einer remanenten Flussdichte
von etwa 1,2 T entspricht. Dies ist etwa das 340-Fache der Sättigungsflussdichte
des GMR-Sensors 1. Der GMR-Sensor ist in dieser Anordnung
funktionsfähig, weil seine Vorzugsrichtung senkrecht auf
der Feldrichtung des Permanentmagneten 2 steht.
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In 5 ist
die Ausgangsspannung Uout des GMR-Sensors
als Funktion des Abstandes des Nährungssensors zu einem
Stück Baustahl S235 aufgetragen, das hier als permeabler
Gegenstand 5 fungiert. Das Stück Baustahl wurde
dem Näherungssensor entlang der Vorzugsachse des GMR-Sensors 1 sukzessive
genähert. Bereits ab einem Abstand von 5 mm vermag der
Näherungssensor die Anwesenheit des Baustahls zu registrieren.
Sodann beschleunigt sich der Anstieg von Uout mit
abnehmendem Abstand, bis er sich unterhalb eines Abstandes von etwa
1,5 mm wieder verlangsamt.
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6 zeigt
Abstandskennlinien zweier verschiedener erfindungsgemäßer
Näherungssensoren 1 und 2. Bei beiden
Sensoren umgibt eine Abschirmung aus Messing, die in Richtung der
Vorzugsachse des GMR-Sensors 1 gesehen eine Aussparung aufweist,
den GMR-Sensor 1 und den Permanentmagneten 2.
Aufgetragen ist jeweils das Messsignal des Näherungssensors
in Abhängigkeit des Abstands zum Ende einer Mikrometerschraube,
die zugleich als ferromagnetischer Gegenstand 5 und als
Messinstrument für den Abstand zu diesem Gegenstand dient.
In der Legende geben die Zahlen 1 und 2 an, ob
es sich um den ersten oder um den zweiten Sensor handelt. Die Zeichen
+ und – geben in der Legende an, ob der Abstand zum Ende
der Mikrometerschraube bei der Messung gerade erhöht oder
verringert wird. Für jeden Sensor ist somit eine Abweichung
zwischen seinen mit „+" und „–" bezeichneten Kurven
ein Maß dafür, in welchem Maße die Messung
durch Hystereseeffekte beeinflusst wird.
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Es
zeigt sich, dass die Kennlinien der beiden Näherungssensoren
deutlich voneinander abweichen. Dies ist zum Einen durch herstellungsbedingte Abweichungen
der Kennlinien nominell identischer GMR-Sensoren 1 bedingt
und zum Anderen durch Schwankungen bei der hier noch manuellen Vereinigung
von GMR-Sensor 1 und Permanentmagnet 2 zu einem
Näherungssensor. So hängt die Kennlinie beispielsweise
empfindlich von der Positionierung des Permanentmagneten 2 relativ
zum GMR-Sensor 1 ab.
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Die
Kurve „2K1" verdeutlicht, wie mit der oben genannten Korrekturschaltung
in der Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Anordnung
die Kennlinie des zweiten Näherungssensors an die des ersten
Näherungssensors angepasst werden kann. Dazu wird die Kennlinie
des zweiten Näherungssensors mit einem konstanten Faktor
multipliziert, und es wird ein konstanter Offset zu ihr addiert.
In einem Abstandsbereich zwischen etwa 0,4 und etwa 1,0 mm lässt
sich eine gute Übereinstimmung der beiden Kennlinien erzielen.
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Wird
die Abschirmung 4 aus Messing durch eine aus ferromagnetischem
Stahl ersetzt, so nimmt die Signalstärke deutlich ab, da
ein größerer Anteil des magnetischen Flusses des
Permanentmagneten 2 durch die Abschirmung 4 kurzgeschlossen
wird und nicht mehr zum Messsignal beiträgt. Im Gegenzug wird
die Messung unempfindlicher gegen äußere Störungen.
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Obwohl,
wie zuvor gesehen, die Abstandskennlinie eines jeden Näherungssensors
hyperbolisch ist, ist die Differenz zwischen den Signalen zweier
Näherungssensoren in guter Näherung linear, sofern
wie oben beschrieben die herstellungsbedingten Unterschiede zwischen
den Näherungssensoren ausgeglichen wurden. Experimentell
konnte eine Anordnung realisiert werden, in der die Differenz über einen
Abstandsbereich von 1 mm hinweg linear ist. Für die Anwendung
in einem Magnetlager muss die Differenz nicht über den
gesamten mechanischen Bewegungs bereich des Rotors linear sein. Es
reicht aus, wenn sie um die angestrebte Ruhelage des Magnetlagers
herum linear ist. Es ist für eine aktive Regelung des Magnetlagers
wichtig, dass die Differenz zwischen den Signalen zweier Näherungssensoren gerade
in diesem Bereich linear ist. Nichtlineare Effekte führen
zu Oberwellen und daher zu Schwingungen der Regelung. Mit der experimentell
realisierten Anordnung konnte das Magnetlager, dessen Ruhelage a
priori instabil ist, erfolgreich zum Hängen (Schweben)
gebracht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0234458
A2 [0003, 0015]
- - DE 4227831 A1 [0004]