DE102010010388A1

DE102010010388A1 - Magnetverbund

Info

Publication number: DE102010010388A1
Application number: DE102010010388A
Authority: DE
Inventors: Klaus Manfred Steinich; Georg Cuntze
Original assignee: ASM Automation Sensorik Messtechnik GmbH
Current assignee: ASM Automation Sensorik Messtechnik GmbH
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2011-09-08
Anticipated expiration: 2030-03-06
Also published as: DE102010010388B4; US20110215797A1

Abstract

Um bei einem Gebermagneten eines magnetfeldempfindlichen Sensors dessen Nutzfeld zu verstärken und das Streufeld zu dezimieren, wird ein Magnetverbund aus mehreren, vorzugsweise in Längsrichtung hintereinander angeordneten Magneten verwendet, deren Polrichtungen unterschiedlich sind und insbesondere symmetrisch zum mittleren Element angeordnet sind.

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft einen Magnetverbund, insbesondere als Gebermagnet für einen magnetfeldsensitiven Sensor, beispielsweise einen Positionssensor oder Winkelsensor.
II. Technischer Hintergrund
Magnetfeld-sensitive Sensoren reagieren auf das Magnetfeld eines beweglich gegenüber dem eigentlichen Sensor angeordneten Gebermagneten, der in aller Regel ein Dauermagnet ist oder einen Dauermagneten enthält, in Ausnahmefällen jedoch auch ein Elektromagnet sein könnte.
Dabei wird nur ein Teil des vom Gebermagneten erzeugten Magnetfeldes, nämlich nur das in Nutzrichtung auf das Sensorelement hin abgegebene magnetische Nutzfeld, benutzt, während das in alle anderen Richtungen – die Streurichtungen – abgegebene Magnetfeld des Gebermagneten nicht benötigt wird, sondern im Gegenteil, je nach Orientierung und Reichweite, sich sogar negativ auf das Messergebnis auswirken kann.
Dabei ist es grundsätzlich unerheblich, ob es sich bei der Messgröße um eine rotative Position handelt, d. h. der Sensor einen Winkel misst, oder um eine laterale Position, d. h. der Sensor eine Strecke misst.
Bei einem Winkelsensor wird beispielsweise die Richtung des Magnetfeldes des Gebermagneten berührungslos durch einen oder mehrere Hall-Sensoren oder auch durch XMR-Sensoren bestimmt.
Bei Linearsensoren wird die Position oder Bewegung eines Gebermagneten relativ zu einer Bezugsposition berührungslos bestimmt. Dabei kann das Magnetfeld beispielsweise direkt durch einen oder mehrere Hall-Sensoren oder XMR-Sensoren bestimmt werden, oder aber indirekt, beispielsweise durch die Sättigung von Magnetkernen (Permanent-magnetic Linear Contactless Displacementsensor – PLCD).
Ebenso ist es möglich, dass der Permanentmagnet durch sein Magnetfeld einen Puls erzeugt, welcher anschließend durch ein weiteres Sensorelement nachgewiesen wird, wie dies beispielsweise bei magnetostriktiven Positionssensoren der Fall ist.
Bei einem solchen Positionssensor bewirkt ein Gebermagnet, welcher z. B. an einem beweglichen Maschinenelement befestigt sein kann, die Entstehung einer magnetoelastischen Dichtewelle (MEDW), welche sich in einem im Sensor befindlichen Wellenleiter, z. B. einem Draht ausbreitet. Als Messgröße zur Bestimmung der Position dient der Zeitunterschied zwischen der Entstehung der MEDW und deren Detektion an einem Ende des Wellenleiters.
Die genaue Funktionsweise eines solchen Positionssensors ist hinlänglich bekannt, auf eine detaillierte Beschreibung kann hier daher verzichtet werden.
Spezifisch für alle durch Permanentmagnete betätigten Sensoren und von besonderem Interesse für die vorliegende Erfindung ist, dass die Sensorcharakteristik stark durch die Art des Magnetfeldes des Gebermagneten (= Positionsmagnet) bestimmt wird, d. h. nicht nur durch die maximale Feldstärke und primäre Orientierung, sondern auch durch dessen örtliche Form und Ausbreitung.
So kann bei einem Positionsmagnet mit hoher Feldstärke beispielsweise der Abstand zwischen Positionsmagnet und Sensor größer sein, als bei einem Magneten mit geringerer Feldstärke.
Andererseits kann ein Magnet, dessen Feldstärke örtlich stark begrenzt ist, zu besserer Ortsauflösung des Sensors führen.
Erfordert die Anwendung beispielsweise mehrere Positionsmagnete an einem Sensor, so ist ebenfalls ein Positionsmagnet mit örtlich stark begrenzter Feldstärke von Vorteil, da hierdurch indirekt der minimale Abstand zwischen zwei benachbarten Positionsmagneten bestimmt wird.
Für einige Arten von Sensoren ist insbesondere die Richtung der Magnetisierung des Gebermagneten für das Sensorprinzip relevant, beispielsweise bei Winkelsensoren.
Bei anderen Arten von Sensoren kann die Abhängigkeit von der Magnetisierungsrichtung eher hinderlich sein, da diese bei Verwechslung durch den Anwender zu Fehlfunktionen des Sensors führen können. In einem solchen Fall bevorzugt man ein symmetrisches Design des Gebermagneten.
Je nach spezieller Auslegung des Positionssensors können Magnete verwendet werden, deren magnetische Orientierung parallel zum Sensor ausgerichtet sind (sog. axiale Orientierung), oder beispielsweise auch senkrecht zur Achse des Sensors (radiale Orientierung). Magnetische Sensoren werden auch in Stabform hergestellt, bei denen der Positionsmagnet eine örtlich veränderliche Orientierung aufweisen kann, welche radial zum Sensor ausgerichtet ist (sog. radiale Orientierung).
Zur Verbesserung der Charakteristik von Positionsmagneten für magnetische Positionssensoren wurden zahlreiche Vorschläge gemacht.
Von Stoll et al. wird in der US 005514961 beispielsweise vorgeschlagen, für einen stabförmigen Sensor einen axial orientierten Ringmagnet zu verwenden, an dessen einer Stirnseite ein Stahlring angebracht wird.
Dieser Stahlring besteht aus einfachem magnetisierbaren Stahl, welcher als Flussleiter die Flusslinien an einem Ende des Magnetrings führt.
Die Flusslinien treffen an dieser Stelle konzentriert und unter einem steileren Winkel auf den Sensorstab und führen zu einem stärkeren und schärferen Magnetpuls, welcher zu besseren Funktion des Sensors führt.
Der Nachteil eines Axialmagneten liegt jedoch darin, dass die Ausbreitung des Magnetfeldes nicht unabhängig von der Einbaulage des Magneten ist und somit die Eigenschaften des Sensors davon abhängen, wie der Positionsmagnet orientiert ist. Somit ist der Positionsmagnet nicht universell einsetzbar.
Ein weiterer Nachteil ist, dass die Feldstärke eines Axialmagneten aufgrund seiner Orientierung einen hohen Anteil an Flusslinien parallel zum Sensorstab aufweist, welches zu einer starken Fernwirkung führt, wenn der Magnet falsch orientiert wurde.
Eine solche Fernwirkung des Positionsmagneten kann beispielsweise dann die Sensoreigenschaften nachteilig beeinflussen, wenn sich der Positionsmagnet nahe dem Detektor, an einem Ende eines magnetostriktiven Wellenleiters befindet.
Ein anderer Vorschlag ergeht von Sprecher et al. in US 006271660 , die vorschlagen, durch eine spezielle Anordnung das Nutzsignal des Magneten zu erhöhen.
Sie verwenden einen Positionsmagneten, dessen magnetische Orientierung auf den Positionssensor hin gerichtet ist (senkrechte/radiale Orientierung) und kombinieren diesen Magneten mit zwei weiteren Magneten, welche die gleiche Richtung (ebenfalls radial) parallel zum ersten Magneten angeordnet sind, aber eine gegenläufige Orientierung aufweisen, so dass der N-Pol des einen Magneten neben den S-Pol der anderen Magnete zu liegen kommt (gegenpolige Anordnung).
Durch diese Anordnung gelingt es, das Sensorsignal der Einzelmagnete in einem magnetostriktiven Sensor konstruktiv so zu überlagern, dass die Extrema des Signals verstärkt, und somit die Flankensteilheit des Sensorsignals erhöht wird. Eine gezielte Überlagerung gegenläufiger Magetfelder erfolgt dabei jedoch nicht.
Dies ermöglicht einen größeren Abstand zwischen Magnet und Sensor. Allerdings bewirkt eine solche Anordnung eine größere Breite des Magneten, da für die optimale Überlagerung der einzelnen Pulse deren Breite nahezu identisch sein sollte.
Der Abstand der Einzelmagnete wird durch die Laufzeit der MEDW im Wellenleiter bestimmt.
Zudem ist zwischen den Einzelmagneten ein unmagnetischer Abstand vorzusehen, da sich andernfalls die gegenpoligen Magnete magnetisch ”kurzschließen” würden, eine Reduktion der verfügbaren Feldstärke wäre die Folge.
Darüber hinaus wurde der Effekt der einseitigen Verstärkung der Feldstärke eingesetzt, erstmals durch J. C. Mallinson (J. C. Mallinson, One-Sided Fluxes A Magnetic Curiosity, JEEE Transactions an Magnets, 9, 678–682, 1973).
Bekannt wurde die Kombination von Magneten mit jeweils um 90° versetzt zueinander orientierter Magnetisierung auch als Halbach-Array und wurde zur Führung von Partikelstrahlen eingesetzt (K Halbach, Nuclear Instruments and Methods, 169,1, 1980).
Später wurden Hallbach-Arrays insbesondere zur Erzeugung starker Magnetfelder genutzt. Auch die Verwendung in Zylinderform oder als Kugel ist bekannt, um im Zentrum des Zylinders bzw. der Kugel deutlich erhöhte Feldstärken zu erzeugen.
III. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kostengünstigen und kompakten Magnetverbund, insbesondere als Gebermagnet für einen magnetfels-sensitiven Sensor, zur Verfügung zu stellen, der es ermöglicht

– die Amplitude der Feldstärke in Nutzrichtung zu vergrößern,
– die Flankensteilheit des Messsignales zu erhöhen,
– das Streufeld des Magneten zu verringern, und
– die Abmessung des Magnetverbundes in axialer Richtung möglichst gering zu halten.

b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die sich gegenseitig beeinflussenden Verbundmagnete mit ihren voneinander abweichenden Polrichtungen, die sich jedoch nicht zu einem einfachen magnetischen Kreis addieren, werden gegenseitige Beeinflussungen der magnetischen Feldlinien der einzelnen Verbundmagnete auf eine solche Art und Weise bewirkt, dass sich die Feldstärke des Magnetverbundes in der gewünschten Nutzrichtung erhöht. Als Folge davon oder sogar als einer der gewünschten Haupteffekte soll auch das Streufeld in die nicht genutzten Streurichtungen abgeschwächt werden.
Dieses Ziel kann zum einen durch unterschiedliche konkrete Anordnung der Polrichtungen innerhalb des Verbundelementes erreicht werden, unter anderem abhängig davon, welche Art von magnetfeldempfindlicher Sensor damit betrieben werden soll, beispielsweise ein sich in einer Richtung erstreckender Positionssensor, bei dem das magnetische Nutzfeld möglichst genau quer, bspw. radial, auf die Längserstreckung des Sensorelements gerichtet sein soll, oder ein Winkelsensor, bei dem das resultierende magnetische Feld den in der Regel flächigen Winkelsensor in seiner Ebene drehen soll, also beispielsweise parallel zur Tangentialrichtung der Drehachse des Winkelsensors liegen soll.
Die konkrete Gestaltung ist weiterhin davon abhängig, ob der vom Magnetverbund ausschließlich aus Verbundmagneten oder darüber hinaus auch aus Verbundelementen besteht, die selbst keine Magnete sind, wobei dabei wiederum unterschieden werden muss zwischen magnetisierbaren und nicht magnetisierbaren Verbundelementen: Die magnetisierbaren Verbundelemente, beispielsweise Weicheisen, bündeln den an dieser Stelle ohnehin vorhandenen magnetischen Fluss, und verhindern dessen weitere Ausstreuung, verändern jedoch nicht dessen Richtung, da sie ja lediglich von dem an dieser Stelle bereits vorhandenen magnetischen Fluss magnetisiert werden.
Nicht magnetisierbare Verbundelemente dienen dagegen als reine Abstandshalter zwischen den Verbundmagneten und formen durch den bestimmten Abstand das magnetische Feld des Magnetverbundes primär in seinen räumlichen Abmessungen, verändern es jedoch nicht qualitativ, also z. B. in seinen Fließrichtungen an den entsprechenden Stellen.
Die gewünschte gegenseitige Beeinflussung der Gestaltung der Magnetfelder der Verbundmagnete ist dabei in aller Regel am größten, wenn – z. B. bei einer symmetrischen Anordnung der Verbundelemente – zumindest die mittleren, z. B. drei Elemente, Verbundmagnete sind, während die sich nach außen anschließenden Verbundelemente auch magnetisierbare oder nicht magnetisierbare Verbundelemente, also keine Verbundmagnete sind.
Eine gegenseitige Beeinflussung der Magnetfelder im oben genannten Sinne wird beispielsweise dadurch erreicht, dass generell – bei einer Aufsicht auf die Ebene, in der sich die Polrichtungen der Verbundmagnete befinden – in Längsrichtung des Magnetverbundes sich die Polrichtung/en vom einen zum nächsten Verbundmagneten jeweils in gleichem Sinne änder/t/n, insbesondere um jeweils 90° ändert.
Insgesamt, und vor allem bei Berücksichtigung dieser Regelmäßigkeit, sind die Verbundelemente vorzugsweise in einer Reihe, bevorzugt in einer geraden Reihe hintereinander angeordnet, wobei sich für die meisten Anwendungen eine ungerade Anzahl von Verbundelementen und insbesondere ein symmetrischer Aufbau bezüglich des dann mittleren Verbundelementes als vorteilhaft erwiesen hat.
Damit die Verbundelemente in ihrer gegenseitigen Lage auf Dauer verbleiben – was bei Magneten mit unterschiedlichen Polrichtungen, die sich nicht zu einem magnetischen Gleis ergänzen, wegen der Abstoßungskräfte schwierig zu bewerkstelligen ist – können die Verbundelemente miteinander verklebt werden, beispielsweise indem sie in eine entsprechende Haltevorrichtung eingelegt und anschließend komplett in Kunststoff eingegossen werden, oder lose nebeneinander in einem formschlüssig umgebenden entsprechenden Gehäuse untergebracht werden, die diese Relativposition zueinander sichert. Auch ein gegenseitiges Verkleben der Verbundelemente ist mit Hilfe einer entsprechenden Vorrichtung nur an den Kontaktflächen der Verbundelemente zueinander möglich. Theoretisch können auch formschlüssige Verbindungen der Verbundelemente zueinander gewählt werden, was jedoch den Herstellungsaufwand in aller Regel zu stark erhöht.
Eine typische Anordnung der Verbundelemente, bei der eine resultierende Feldlinienrichtung im mittleren Verbundelement quer zur Längsrichtung des Verbundelementes erzielt wird, besteht darin, dass die beidseits des mittleren Verbundelementes angeordneten Verbundmagnete eine Polrichtung verlaufend in Längsrichtung des Magnetverbundes aufweisen, jedoch mit gegeneinander gerichteten Polorientierungen.
Wenn dabei das mittlere Verbundelement kein Magnet ist, wird dadurch ein starkes, in alle Querrichtungen zur Längsrichtung des Magnetverbundes abstrebendes Magnetfeld bewirkt. Wenn dagegen das mittlere Verbundelement ebenfalls ein Magnet ist, dessen Polrichtung in eine bestimmte Querrichtung zur Längsrichtung des Magnetverbundes weist, wird das Magnetfeld genau in diese Polrichtung verstärkt und ausgeweitet, in die Gegenrichtungen abgeschwächt und verkleinert.
Eine solche Gestaltung des Magnetverbundes eignet sich beispielsweise gut für die Anordnung als Gebermagnet an einem Magnetfeld-sensitiven Streckensensor, dessen Sensorelement ein z. B. ein Wellenleiter ist, in dem der Magnetverbund mit seiner Längsrichtung parallel zur Längserstreckung des Sensorelements angeordnet wird und entlang diesem verfahren wird.
Eine andere typische Gestaltung des Magnetverbundes mit mindestens drei Verbundelementen besteht darin, die beidseits des mittleren Verbundelementes sich nach außen anschließenden Verbundmagnete mit Polrichtungen parallel zueinander und quer zur Längsrichtung des Magnetverbundes anzuordnen, aber wiederum mit gegenläufigen Polorientierungen zueinander. Dadurch wird ein resultierendes Magnetfeld geschaffen, welches auf Höhe des mittleren Verbundelementes eine Richtung parallel zur Längsrichtung des Magnetverbundes besitzt, allerdings in Umfangsrichtung, und die Längsrichtung an allen Stellen gleich stark ist.
Wenn dabei zusätzlich das mittlere Verbundelement ebenfalls ein Verbundmagnet ist, dessen Polrichtung jedoch in Längsrichtung des Magnetverbundes verläuft, so wird dadurch das resultierende Magnetfeld auf Höhe des mittleren Verbundelementes auf einer Umfangsseite verstärkt und auch räumlich radial ausgeweitet, auf der anderen Seite dagegen verringert und räumlich eingeengt.
Eine weitere Formung des Magnetfeldes kann dadurch erzielt werden, dass der Magnetverbund auf allen von der Nutzrichtung abweichenden Seiten, also in allen Streurichtungen, Flussleitstücke aus magnetisierbarem Material aufweist, die den magnetischen Fluss in den Streurichtungen eng am Magnetverbund bündeln und dessen Ausweitung in den Streurichtungen verringern.
Natürlich können nach diesen Grundregeln auch ein Magnetverbund mit einer geraden Anzahl von Verbundelementen, beispielsweise bestehend aus nur zwei Verbundmagneten, hergestellt werden, was dann jedoch ein unsymmetrisches resultierendes Magnetfeld ergibt, welches sich z. B. in eine Streurichtung relativ weit ausdehnt. Sofern dies für die geplante Anwendung jedoch nicht nachteilig ist, kann dadurch der bauliche und somit auch Kostenaufwand für die Herstellung des Verbundelementes reduziert werden.
c) Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
1: eine Magnetanordnung nach dem Stand der Technik,
2 eine Magnetanordnung nach dem Stand der Technik,
3 die Entstehung eines ersten erfindungsgemäßen Magnetverbundes,
4 eine erste bevorzugte Bauform,
5 eine zweite bevorzugte Bauform,
6 Abwandlungen der bevorzugten Bauformen,
7 Prinzipdarstellungen von Abmessungsvarianten der bevorzugten Bauformen,
8 eine realistische Darstellung einer Abmessungsvariante aus 7,
9 weitere Abwandlungen einer bevorzugten Bauform,
10 Prinzipdarstellungen der nächsten Erweiterungsstufe der bevorzugten Bauform,
11 Prinzipdarstellungen der nächsten Erweiterungsstufe der bevorzugten Bauform,
12 realistische Darstellung einer dieser Varianten,
13 realistische Darstellung einer demgegenüber erweiterten Bauform.
Die 1 und 2 zeigen bekannte Magnetanordnungen:
1a zeigt einen einzelnen Stabmagneten 2, bei dem wie üblich die magnetischen Feldlinien 6 im Inneren vom Südpol zum Nordpol verlaufen, und außerhalb des Magneten dementsprechend vom Nordpol zum Südpol bogenförmig gekrümmt zurücklaufen, so dass jeweils ringförmig geschlossene Magnetfeldlinien entstehen, deren Abstand zueinander in der Darstellung um so geringer ist, je größer die magnetische Feldstärke an der betreffenden Stelle ist.
Für einen Stabmagneten ergibt sich damit ein thorusförmiges Magnetfeld um die Polrichtung 6 des Magneten 2 herum.
1b zeigt einen Ringmagneten 2', bei dem die Vorrichtung 6' an allen Stellen parallel zur Längsrichtung 10 der Symmetrieachse durch die Mitte des Ringmagneten 2' verläuft.
Dadurch wird in den Bereichen abseits des ringförmigen Magneten 2' im inneren Freiraum des Ringmagneten eine wesentlich höhere Feldstärke und damit enger zueinander liegende Feldlinien 8' erreicht als radial außerhalb des Ringmagneten. Im Gegensatz dazu verläuft bei dem ringförmigen Magneten 2'' gemäß 2 die Polrichtung 6'' an jeder Stelle im Ringmagneten radial nach innen, auf die Längsrichtung 10 des Magneten 2'' zu, welche die Symmetrieachse dieses rotationssymmetrischen Ringmagneten 2'' darstellt.
Dadurch entsteht ein Magnetfeld, bei dem die Feldlinien 8'' in Form eines Doppel-Thorus geformt sind, dessen beide Hälften symmetrisch zu einer Querebene 10' auf die Längsrichtung 10, verlaufend durch die Mitte des Ringmagneten 2'', sind.
Die Konzentration der Feldlinien im inneren Freiraum dieses ringförmigen Magneten 2'' ist somit äußerst gering, während auf der Längsachse 10 axial außerhalb des Bereichs des Magneten 2, 2'' eine hohe Feldstärke herrscht.
Diese bekannten Bauformen werden genutzt, um wahlweise im Freiraum innerhalb des Ringmagneten oder axial beabstandet davon hohe bzw. niedrige Feldstärken zu erzielen.
Wie ersichtlich, verlaufen alle Polrichtungen dabei in derselben Richtung, entweder parallel zueinander oder gegenläufig zueinander.
Die 3 und folgende zeigen dagegen erfindungsgemäße Lösungen:
In 3a sind wiederum zwei einzelne Stabmagnete 2a, 2b mit ihren jeweiligen thorusförmig verlaufenden Feldlinien 8a, 8b und Polrichtungen 6a, 6b entfernt voneinander dargestellt, so dass sie sich nicht gegenseitig beeinflussen, wobei die Polrichtungen 6a, 6b sich rechtwinklig kreuzen.
Nähert man gemäß 3b diese beiden einzelnen Stabmagnete 2a, b immer weiter aneinander an, so dass sich Magnetfelder gegenseitig beeinflussen, im Extremfall bis zur Berührung der beiden beispielsweise würfelförmigen Stabmagnete 2a, b gegeneinander, so dass sie an ihrer Kontaktfläche 9 z. B. miteinander verklebt werden können, so ergibt sich ein unsymmetrisches Magnetfeld wie in 3b dargestellt: Die Thorusform der Magnetfeldlinien 8a bzw. 8b ist bei jedem der beiden einzelnen Verbundmagnete 2ab nur noch jeweils zur Hälfte vorhanden, grob betrachtet etwa nur jeweils auf der vom angenäherten anderen Verbundmagneten 2ba abgewandten Seite, während im Bereich dazwischen eine starke Abwandlung des Magnetfeldes aufgetreten ist:
In der etwa vektoriell resultierenden Summenrichtung aus den beiden einzelnen Polrichtungen 6ab der Verbundmagnete 2ab entsteht, in der vom Verbundmagneten 4ab wegweisenden Summenrichtung, der Nutzrichtung 7, eine starke Feldstärke, dagegen in der in dieser Richtung zum Magnetverbund 4 hinweisenden Richtung ein sehr schwaches Magnetfeld.
In Nutzrichtung 7 ist damit bereits eine Verstärkung des Magnetfeldes erzielt worden, jedoch ist das Streufeld in allen anderen Richtungen, und zwar in allen Richtungen um die Längsrichtung 10, die Abfolgerichtung der einzelnen Verbundelemente 1ab hintereinander, immer noch sehr groß und vor allem in alle Richtungen gleich groß.
4 zeigt, wie dies behoben werden kann durch eine Ausbildung des Magnetverbundes 4 in symmetrischer Form, nämlich flächensymmetrisch zu der auf der Längsrichtung 10 des Magnetverbundes lotrecht stehenden Querebene 10': Zu diesem Zweck ist an dem Magnetverbund gemäß 3b auf der linken Seite ein weiterer Magnet 2c angesetzt, so dass die Polrichtung 6a des mittleren Verbundmagneten 2a auf dieser Querebene 10' liegt, während die Polrichtungen 6b, 6c der seitlich außen anschließenden Verbundmagnete 2b 2c eine in Längsrichtung 10 liegende Polrichtung 6b, 6c aufweisen, die jedoch gegeneinander, nämlich zum mittleren Verbundmagneten 2a hin, gerichtet sind.
Wie 4 zeigt, ergibt sich damit ein Magnetfeld, welches in Nutzrichtung 7, in welche bei dieser Anordnung auch die Polrichtung 6a des mittleren Verbundmagneten 2a weist, deutlich verstärkt ist und auf dieser Seite die Streufelder als starker Doppel-Thorus ausgebildet sind, während auf der davon abgewandten Seite der Längsrichtung 10 des Verbundmagneten 4 das Streufeld nur noch extrem schwach ausgebildet ist.
Damit eignet sich ein solcher Magnetverbund 4 bspw. besonders gut als Gebermagnet 3 für einen Positionssensor 11, dessen Sensorelement in aller Regel gerade verlaufend und langgestreckt ist, in dem der Magnetverbund 4 mit seiner Nutzrichtung 7 radial und querverlaufend zu der Erstreckungsrichtung des Positionssensors 11 angeordnet wird.
5 zeigt ebenfalls einen aus drei Verbundmagneten 2a–c bestehenden Magnetverbund 4, bei dem die Polrichtung 6a des mittleren Verbundmagneten 2a jedoch in Längsrichtung 10 des Magnetverbundes 4 liegt.
Die Polrichtungen 6b, 6c der beiden seitlich daran anschließenden Verbundmagnete 2b, 2c liegen quer zur Längsrichtung 10 und damit parallel zur Querebene 10' des Magnetverbundes 4, was insofern wiederum eine symmetrische Anordnung zur Mittelebene 10' ergibt, jedoch sind die Polrichtungen 6b, 6c der beiden äußeren Verbundmagnete 2b, 2c gegenläufig zueinander ausgerichtet.
Dies ergibt ein Magnetfeld, bei dem auf einer Seite der Längsrichtung 10 ein starker, auf der Querebene 10' liegender Teil-Thorus als Magnetfeld ausgebildet wird, während auf der Gegenseite nur ein sehr schwacher und am Magnetverbund 4 eng anliegender Restthorus verbleibt. An den Stirnseiten des Magnetverbundes 4 ist jeweils ein Streufeld als Teilthorus ausgebildet, die zueinander um die Querebene 10' symmetrisch sind.
Dadurch entsteht in einer Nutzrichtung 7, die parallel aber entgegengesetzt zur Polrichtung 6a des mittleren Verbundelementes 2a liegt, abseits des Magnetverbundes 4 auf einer Seite der Längsrichtung 10 ein starkes Magnetfeld, welches sich besonders dazu eignet, in diesem Bereich einen Winkelsensor 12 anzuordnen, dessen Messachse 12', um die herum die Winkellage des Magnetfeldes vom Winkelsensor 12 gemessen werden soll, abseits der Längsrichtung 10 des Magnetverbundes 4 die Polebene des Magnetverbundes kreuzt, insbesondere lotrecht kreuzt, die durch die Polrichtungen 6a–c der Verbundmagnete 2a–c des Magnetverbundes 4 definiert wird.
Die Magnetverbunde 4 der 4 und 5 zeigen dabei trotz ihrer unterschiedlichen Gestaltung die Gemeinsamkeit, dass fortlaufend entlang der Längsrichtung 10 im Magnetverbund die Polrichtung vom einen zum nächsten der aneinander anschließenden Verbundmagnete sich jeweils im gleichen Drehsinn ändert, bspw. beginnend vom rechten Verbundmagneten 2b zum linken Verbundmagneten 2c um jeweils 90° entgegen dem Uhrzeigersinn. Die 6a und b zeigen Abwandlungen der Bauformen gemäß 4 und 5:
6a ist eine Abwandlung der Lösung gemäß 5, in der der mittlere Magnet 2a durch ein Verbundelement aus vorzugsweise magnetisierbarem Material, hilfsweise auch nicht magnetisierbarem Material, ersetzt ist. Wie ersichtlich, wird dabei das Nutzfeld symmetrisch um die Längsrichtung 10 herum ausgebildet, also keine Seite der Längsrichtung dabei bevorzugt oder verstärkt.
6b ist eine Abwandlung der Lösung der 4, in der ebenfalls der mittlere Verbundmagnet 2a durch ein Verbundelement 4a aus magnetisierbarem oder hilfsweise nicht magnetisierbarem Material ersetzt ist, wodurch sich ein um die Längsrichtung 10 in alle Richtungen gleich stark ausgebildeter Doppel-Thorus als Magnetfeld ergibt. Die 7 zeigen prinzipielle Varianten zur Anordnung der Verbundmagnete 2a–c und deren Polrichtungen 6a–c analog zur Lösung der 4, also jeweils mit der Polrichtung 6a des mittleren Verbundmagneten 5a in Richtung der Querebene 10' des Magnetverbundes 4: 7b entspricht dabei der Anordnung der Polrichtungen gemäß 4, und ebenso die 7c, während bei 7a die Polrichtungen der äußeren Magnete nicht gegeneinander sondern voneinander weggerichtet sind, was jedoch nur einen relativ geringen Einfluss auf das magnetische Nutzfeld und insbesondere nicht dessen Richtung hat. Die 7b und 7c zeigen weiterhin, dass zusätzlich zu den Polrichtungen auch die Abmessungen der einzelnen Verbundmagnete 5a, b, c variiert werden können in Abhängigkeit von ihrer Ausrichtung und der gewünschten Richtung des Nutzfeldes: Das Magnetfeld wird nämlich in Nutzrichtung um so stärker ausgeprägt, je länglicher der mittlere Verbundmagnet 5a in Richtung seiner Polachse 6a ist, was bei 7b verwirklicht ist. Umgekehrt wird das Streufeld minimiert, je breiter die an den mittleren Verbundmagneten 5a sich seitlich anschließenden Verbundmagnete 5b, c in der Richtung quer zu ihren Polachsen 6b, 6c gestaltet sind, wie beispielsweise in den anschließenden realistischen Feldliniendarstellung der Lösung gemäß 8 dargestellt.
7c zeigt eine Lösung mit hinsichtlich der Abmessungen der beiden seitlichen Verbundmagnete 5b, c nicht identischen Abmessungen, was in speziellen Anwendungsfällen zur unsymmetrischen Gestaltung des Magnetfeldes notwendig sein kann.
Eine wichtige zusätzliche Variante zeigt 7d, in der die Polrichtungen 6b, 6c – bei der grundsätzlichen Lösung gemäß 4 – nicht genau auf der Längsrichtung 10 des Magnetverbundes 4 liegen, sondern schrägstehend, jeweils etwas abgelenkt in die Richtung, in die auch die Polrichtung 6a des mittleren Verbundmagneten 5a weist. Dadurch kann nochmals eine Steigerung des Magnetfeldes in Nutzrichtung 7 bewirkt werden.
Denn ein Vergleich der Feldlinien der 8 mit der der 4 zeigt, dass zwar die Streufelder ihre Form geringfügig ändern, aber nicht stärker sondern eher schwächer werden, und das Streufeld auf der von der Nutzrichtung 7 genau gegenüberliegenden Seite sogar eine wesentlich geringere räumliche Ausdehnung erfährt.
In Benutzrichtung 7 dagegen ist das Magnetfeld gleich stark ausgebildet.
Gleichzeitig jedoch ist bei der Lösung gemäß 8 die Erstreckung des Magnetverbundes 4 in Längsrichtung 10 wesentlich geringer, etwa würfelförmig, gegenüber der Ausdehnung in 4, was den Vorteil hat, dass ein Magnetverbund gemäß 8 in die den dafür vorgesehenen geringen Bauraum für Gebermagnete 4 bei z. B. Positionssensoren 11 problemlos untergebracht werden kann, was mit dem langgestreckten Verbundmagnet 4 der 4 nicht immer möglich ist:
In 9a ist lediglich das mittlere Verbundelement 4a ein Verbundmagnet 5a, während die beiden sich außen daran anschließenden Verbundelemente 4b, c bspw. aus magnetisierbarem Material bestehen, aber selbst keine Dauermagnete sind.
Dementsprechend entsteht eine um die Längsrichtung 10 rotationssymmetrische Ausbildung eines Magnetfeldes.
9b dagegen entspricht der Lösung gemäß 8 mit drei entsprechend dimensionierten Verbundmagneten 5a–c in der Mitte des Magnetverbundes, an dessen Stirnseiten zusätzlich jeweils ein weiteres Verbundelement 4d, e in Form z. B. eines magnetisierbaren Flussleitstückes angeordnet ist.
Bei der Lösung gemäß 9c sind bei in von 9b stirnseitig außen an den Magnetverbund statt Verbundelementen 4d, e verbundenen Magnete 5d, e angesetzt, deren Polrichtungen 6d, e wiederum parallel zur Querebene 10', aber jeweils entgegengesetzt zur Polrichtung 6a des mittleren Verbundmagneten 5a verlaufen.
Die 10 zeigen im Prinzip Darstellungen von Anordnungen von Polrichtungen ausgehend von derjenigen der 9b, c, die der Prinzipdarstellung in 10a entspricht.
Bei 10c sind demgegenüber die Polrichtungen, die in Richtung der Querebene 10' verlaufen, jeweils in die gleiche Richtung weisend angeordnet, und in 10b sind stattdessen die in Längsrichtung 10 verlaufenden Polrichtungen jeweils von der Mitte nach außen gerichtet. Der Unterschied zwischen den Lösungen der 10c und 10d besteht ebenfalls darin, dass die in Längsrichtung liegenden Polrichtungen von der Orientierung im einen Fall zur Mitte und im anderen Fall nach außen gerichtet sind.
Die Lösungen der 11 sind gegenüber den Lösungen der 10 jeweils um einen an jeder Stirnseite des Magnetverbundes 4 jeweils um einen weiteren Verbundmagneten 5f, g erweiterte Lösungen, deren Polrichtung in Längsrichtung 10 verlaufend entweder jeweils zur Mitte oder jeweils nach außen gerichtet angeordnet sind.
Einen Verlauf der Feldlinien einer zu 11a ähnlichen Lösung zeigt 12, wobei dort die Polrichtungen der Verbundmagnete 5a, d, e, deren Porichtungen 6a, d, e parallel zur Querebene 10' verlaufen, bezüglich der mittleren Polebene gegenläufig sind, und darüber hinaus die Polrichtungen der anderen Verbundmagnete, die jeweils auch in Richtung der Längsrichtung 10 liegen, abwechselnd gegenläufig zueinander gewählt sind.
13 zeigt eine gegenüber 12 nochmals erweiterte Bauform, bei der zusätzlich an den Stirnseiten nochmals Verbundelemente aus magnetisierbarer Material angeordnet sind.
Bezugszeichenliste

1: Sensor
2, 2', 2'': Dauermagnet
3: Gebermagnet
4: Magnetverbund
4a, b: Verbundelemente
5a, b: Verbundmagnete
6'', 6', 6, 6a, b: Polrichtungen
7: Nutzrichtung
8'', 8', 8: Feldlinie
9: Kontaktfläche
10: Längsrichtung
10': Querebene
11: Positionssensor
12: Winkelsensor
12': Messachse

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

US 005514961 [0018]
US 006271660 [0024]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. C. Mallinson, One-Sided Fluxes A Magnetic Curiosity, JEEE Transactions an Magnets, 9, 678–682, 1973 [0030]
K Halbach, Nuclear Instruments and Methods, 169,1, 1980 [0031]

Claims

Magnetfeld-sensitiver Sensor (1) mit einem Dauermagneten (2) als Geberelement dadurch gekennzeichnet, dass – der Dauermagnet (2) ein Magnetverbund (4) aus mehreren magnetisierbaren oder nicht magnetisierbaren Verbundelementen (4a, b..) ist, darunter mehrere Verbundmagnete (5a, b..), – wobei die Verbundmagnete (5a, b) mit voneinander abweichenden Polrichtungen (6a, b) so nahe zueinander angeordnet sind, dass sich ihre Magnetfelder gegenseitig beeinflussen.
Magnetfeld-sensitiver Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundmagnete (5a, b) so angeordnet sind, dass sich die Feldstärke des Magnetverbundes (4) in der gewünschten Nutzrichtung (7) deutlich erhöht und gleichzeitig die Feldstärke in den anderen Richtungen, insbesondere allen anderen Richtungen, den Streurichtungen, reduziert.
Magnetfeld-sensitiver Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Dauermagneten (2) mit drei Verbundmagneten (5a, b) – das mittlere Element in Polrichtung (6) möglichst lang im Verhältnis quer zur Polrichtung ist, mindestens doppelt so lang, besser mindestens dreimal so lang, besser mindestens viermal so lang und – die daran anschließenden äußeren Verbundmagnete (5a, b) quer zu ihrer Polrichtung möglichst lang gegenüber der Abmessung in Polrichtung sind, insbesondere möglichst doppelt so breit, besser dreimal so breit, besser viermal so breit.
Magnetfeld-sensitiver Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Magnetverbund (4) eine ungerade Anzahl von Verbundelementen (4a, b...), insbesondere drei Verbundelemente (4a, b...) aufweist, und/oder – die Verbundelemente (4a, b...) in einer geraden Reihe angeordnet sind, deren Verlauf die Längsrichtung (10) definiert, und sich insbesondere gegenseitig berühren, und/oder – die Verbundelemente (4a, b...) kraftschlüssig miteinander verbunden oder in einem insbesondere nicht magnetisierbaren Gehäuse (8) gehalten und/oder anschließend vergossen sind. (4b und 7b)
Magnetfeld-sensitiver Sensor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – bezüglich des mittleren Verbundelementes (4a) die beidseits analog sich nach außen anschließenden Verbundmagnete (4b, c) Polrichtungen (6b, c) in Längsrichtung (10), aber entgegengesetzt zueinander, verlaufend aufweisen, und/oder – das mittlere Verbundelement (4a) ein Verbundmagnet (5a) mit einer Polrichtung (6a) quer zur Löschungsrichtung (10), also in Richtung der Querebene (10') ist. (6b und 7a)
Magnetfeld-sensitiver Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – bezüglich des mittleren Verbundelementes (4a) die beidseits analog sich nach außen anschließenden Verbundelemente (4b, c) Verbundmagnete (5b, c) mit Polrichtungen parallel zur Querebene (10') des Magnetverbundes (4) sind, jedoch mit gegenläufiger Polrichtung (6b, c), und/oder – das mittlere Verbundelement (4a) ein Verbundmagnet (5a) mit einer Polrichtung in Längsrichtung (10) des Magnetverbundes (4) ist.
Magnetfeld-sensitiver Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – in der Aufsicht auf die Polebene, in der die Pol-Richtungen liegen, sich in Längsrichtung (10) des Magnetenverbund (4) von einem zum nächsten Verbundelement die Polrichtung jeweils im gleichen Sinne ändert, insbesondere um jeweils 90° ändert, und/oder – bezogen auf die durch die Mitte des mittleren Verbundelementes (4a) verlaufende Querebene des Magnetverbundes beidseits an aneinander entsprechenden Stellen Magnete oder magnetisierbare Verbundelemente angeordnet sind. (4b)
Magnetfeld-sensitiver Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Sensor ein Streckensensor ist und einen Magnetverbund aufweist, bei dem die Polrichtung (6) der dem mittleren Verbundelements (4a) am nächsten liegenden Verbundmagnete (5a, b) quer zur Querebene des Magnetverbundes (4a, b...) verlaufen und insbesondere die Längsrichtung des Magnetverbundes (4a, b...) parallel zur Messrichtung des Sensors verläuft, und/oder – die dem mittleren Verbundelement (4a) nächstliegenden Magnete mit ihrer Polrichtung (6..) zur Querebene geneigt und in Richtung auf das Sensorelement hin ausgerichtet sind (6b). (6b:)
Magnetfeld-sensitiver Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Sensor (1) ein Winkelsensor (12) ist und einen Magnetverbund (4a, b..) aufweist, bei dem die Polrichtungen der dem mittleren Verbundelement (4a) am nächsten liegenden Verbundmagnete (5a, b) parallel verlaufend zur Querebene (10) des Magnetverbundes (4a, b...) liegen, und/oder – der Magnetverbund zumindest auf der der Nutzrichtung abgewandten Seite, insbesondere in allen Streurichtungen, Flussleitstücke aus magnetisierbarem Material aufweist.
Magnetverbund aus mehreren Einzelmagneten, dadurch gekennzeichnet, dass – der Magnetverbund (4) mehrere, insbesondere magnetisierbare, Verbundelemente (4a, b...) umfasst, darunter mehrere Verbundmagnete (5a, b), – wobei die Verbundmagnete (5a, b) in Längsrichtung betrachtet mit voneinander abweichenden Polrichtungen (6..) zueinander angeordnet sind.
Magnetverbund aus mehreren Einzelmagneten nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass – die voneinander abweichenden Polrichtungen (6..) zueinander so angeordnet sind, dass sich die Feldstärke in der gewünschten Nutzrichtung (7) deutlich erhöht und gleichzeitig dessen Fernwirkung in den Streurichtungen, also insbesondere allen anderen Richtungen, reduziert wird, und/oder – bei einem Positionssensor (11) die Längsrichtung (10) des Magnetverbundes (4) parallel zur Längserstreckung des Sensorelementes, insbesondere des Wellenleiters, angeordnet ist und insbesondere die Polrichtung (6, ...) des mittleren Verbundmagneten (5b) quer zur Verlaufsrichtung des Sensorelementes und insbesondere auf dieses hin gerichtet angeordnet ist.
Magnetverbund aus mehreren Einzelmagneten nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass – der Sensor (1) ein Drehwinkelsensor ist und das Verbundelement (4a, b) mit seiner Längsrichtung (10) parallel zu einer Tangentialrichtung um die Drehachse des Winkelsensors angeordnet ist, und – insbesondere die Polrichtung (6..) des mittleren Magneten in Längsrichtung (10) des Verbundmagneten (5a, b) angeordnet ist.