DE102010024168A1

DE102010024168A1 - Positions- oder/und Kraftsensor

Info

Publication number: DE102010024168A1
Application number: DE102010024168A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2011-12-22
Also published as: DE102010024168A8; DE112011100903A5; US9140535B2; CN102947679A; US20130088216A1; CN102947679B; WO2012019602A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines beweglichen, magnetisierbaren Körpers (1) relativ zu einem wenigstens eine Polwicklung aufweisenden Stator (2). Erfindungsgemäß sind Einrichtungen (12–14) zur Erfassung eines Messsignals vorgesehen, das von der durch die Position des Körpers (1) beeinflussten Induktivität der Polwicklung abhängig ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines beweglichen, magnetisierbaren Körpers relativ zu einem wenigstens eine Polwicklung aufweisenden Stator.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue derartige Sensorvorrichtung zu schaffen, die Bestimmungen von Positionen und ggf. Kräften mit höherer Genauigkeit als hierzu bisher eingesetzte Dehnmessstreifen oder dergleichen ermöglicht.
Die diese Aufgabe lösende Vorrichtung nach der Erfindung ist durch Einrichtungen zur Erfassung eines Messsignals gekennzeichnet, das von der durch die Position des Körpers beeinflussten Induktivität der Polwicklung abhängig ist.
Bei vorbestimmtem funktionalen Zusammenhang zwischen dem Messsignal und der Position lässt sich so die Position ermitteln.
Der Körper kann ferner gegen eine elastische Rückstellkraft bewegbar sein und die Vorrichtung einen Kraftsensor bilden, der zur Kraftmessung einen vorbestimmten funktionalen Zusammenhang zwischen der Rückstellkraft und der Position des Körpers nutzt.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Stator mehrere Polwicklungen auf, deren Wicklungsachsen sich von dem Stator sternförmig erstrecken, wobei der genannte Körper den Stator umgibt, vorzugsweise ringförmig oder kugelförmig. In letzterem Fall lassen sich radiale Verschiebungspositionen des Körpers relativ zum Stator ermitteln.
Vorzugsweise ist der Körper unter Änderung der genannten Position in einer durch die Polwicklungsachsen mehrerer Polwicklungen des Stators aufgespannten Ebene beweglich.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Körper durch ein den Stator umgebendes Rohr gebildet und der Stator weist mehrere Polwicklungen mit zur Rohrachse senkrechten Polwicklungsachsen auf. Insbesondere sind drei Polwicklungen vorgesehen, deren Polwicklungsachsen miteinander jeweils einen Winkel von vorzugsweise 120° einschließen. Maßgebend für die Induktivität der Polwicklungen ist dann ihr jeweiliger Abstand zur Rohrinnenwand.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Stator mehrere im Stern verschaltete Polwicklungen auf. Vorteilhaft lassen sich auf diese Weise aufgrund einer erfolgenden Spannungsteilung relative Unterschiede zwischen den Induktivitäten der Polwicklungen zur Positionsermittlung nutzen.
Die Einrichtungen zur Erfassung des Messsignals sind vorzugsweise zur Auswertung des sich bei wechselnder Spannungsbeaufschlagung der Polwicklungen ändernden Potentials am Sternpunkt vorgesehen.
Insbesondere können die Polwicklungen zur Belegung mit Spannungsimpulsen in der Art des Betriebs eines Synchronmotors durch Impulsweitenmodulation vorgesehen sein. In diesem Fall lassen sich zyklisch Potentialsprünge am Sternpunkt erzeugen, deren Höhe von der jeweiligen Position des Körpers relativ zum Stator abhängt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Stator in der Längsmitte des Rohres angeordnet sein und das Rohr ist an seinen Enden unter Erzeugung radialer Rückstellkräfte elastisch gehalten. Verschwenkungen des Rohres um eine zur Rohrachse senkrechte Mittelachse können dann das Messergebnis nur wenig verfälschen.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Körper auf einer ring- oder kugelförmigen, den Stirnflächen mehrerer Polwicklungen gegenüberliegenden Innenfläche eine Vorsprünge oder/und Ausnehmungen aufweisende Strukturierung auf.
Insbesondere kann diese Strukturierung periodisch und vorzugsweise um die Innenfläche umlaufend ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist eine Strukturierung derart ausgebildet, dass sich ein von der Drehposition des Körpers um die Ring- oder Kugelachse abhängiges Messsignal ergibt, so dass die Bestimmung von Drehpositionen um die Ringachse oder von Torsionskräften möglich ist. Anstelle einer Strukturierung oder zusätzlich wäre auch eine Magnetanordnung auf der genannten Innenfläche möglich, durch die sich infolge Änderung des Sättigungsgrades der Magnetisierung der Polwicklungen unterschiedliche Induktivitäten der Polwicklungen ergeben.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann abhängig von dem Messsignal unter Erzeugung eines gewünschten, durch den Stator auf den Körper ausgeübten Magnetkraft die Bestromung der wenigstens einen Polwicklung steuerbar sein. Auf diese Weise ließe sich z. B. ein berührungsloses Drehlager für einen ring- oder kugelförmigen Körper bilden.
Anwendungsmöglichkeiten der beschriebenen Vorrichtung bestehen z. B. bei Handgriffen gezogener oder geschobener Fahrzeuge, wobei über eine Messung der ausgeübten Handkraft z. B. eine Steuerung eines Hilfsantriebs erfolgt. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich für Joysticks.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden, sich auf dieses Ausführungsbeispiel beziehenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße, zur Bildung eines Kraftsensors dienende Vorrichtung in einer Querschnittsansicht,
2 die Vorrichtung von 1, wobei ein Außenkörper gegen einen von dem Außenkörper umgebenen Stator radial verschoben ist,
3 eine die relative Verschiebung von Außenkörper und Stator erläuternde Darstellung,
4 eine geschnittene Längsseitenansicht der Vorrichtung von 1, und
5 eine die Gesamtvorrichtung erläuternde Schemadarstellung.
Ein Stahlrohr 1 dient als Handgriff eines zu ziehenden oder zu schiebenden Wagens (nicht gezeigt), z. B. eines Golfcaddys. In dem Stahlrohr 1, das einen magnetisierbaren Körper bildet, ist in dessen Längsmitte ein Stator 2 untergebracht.
Der ein Blechpaket 3 umfassende Stator 2 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel drei Polwicklungen 4 auf, deren Achsen 5 miteinander einen Winkel von 120° einschließen. Die Achsen 5 spannen eine zur Rohrachse 10 senkrechte Ebene auf.
Wie aus 4 hervorgeht, ist das Stahlrohr 1 an seinen Enden durch Federn 6 gegen einen feststehenden, mit dem genannten Wagen verbundenen Rohrkern 7 abgestützt. Jeweils drei Federn 6 können entsprechend den Polwicklungen 4 angeordnet sein. Solange auf das Stahlrohr 1 keine radialen Kräfte einwirken, befinden sich alle drei Stirnseiten der Polwicklungen 4 im gleichen Spaltabstand zur gegenüberliegenden Innenwand des Stahlrohrs 1. Anstelle von Federn käme auch eine elastisch unter Änderung ihrer Dicke verformbare Zwischenschicht in Betracht.
Bei Ausübung einer Kraft auf das den Handgriff bildende Stahlrohr 1, z. B. in Richtung des in 2 gezeigten Pfeils 8, verschiebt sich das Stahlrohr 1 relativ zu dem Stator 2 parallel zu der durch die drei Polwicklungsachsen 5 aufgespannten Ebene. Diese Ebene ist in 3 als xy-Ebene dargestellt.
Bei dieser Verschiebung gelangt eine der drei Polwicklungen 4 mit ihrer Stirnseite näher an die Innenwand des Stahlrohrs 1 heran, während die Stirnseiten der beiden anderen Polwicklungen weiter von der Innenwand wegrücken. Die radiale Verschiebung des Stahlrohrs 1 gegen den Stator 2 beschreiben die bei 9 dargestellten drei Vektoren.
In der in 3 gezeigten xy-Ebene verschiebt sich die Rohrachse 10 von dem der Achslage von 1 entsprechenden Nullpunkt weg gemäß Richtungsvektor 11. Der Richtungsvektor 11 ergibt sich aus der Summe der drei in 2 bei 9 gezeigten Vektoren.
Indem der Stator 2 in der Längsmitte des Stahlrohrs 1 angeordnet ist, wirken sich Verkippungen des Stahlrohrs 1 um eine durch die Längsmitte führende, zur Rohrachse 10 senkrechte Achse nur wenig auf die jeweilige Weite des Luftspalts zwischen der Rohrinnenwand und der Stirnseite der Polwicklungen aus.
Wie aus 5 hervorgeht, sind die drei Polwicklungen 4 im Stern verschaltet. Eine Einrichtung 12 greift das jeweilige Potential am Sternpunkt 13 ab und wertet es aus. Eine Einrichtung 14 beaufschlagt die im Stern verschalteten Polwicklungen 3 mit Spannungsimpulsen in der Art der Spannungsbeaufschlagung einer elektrischen Synchronmaschine beim Betrieb nach dem Impulsweitenmodulationsverfahren.
Bei dieser zyklischen wechselnden Beaufschlagung der Polwicklungen 4 stellen sich unterschiedliche Potentiale am Sternpunkt ein. Diese Potentialunterschiede sind vom jeweiligen Verhältnis der Induktivitäten von je zwei der Polwicklungen 4 zueinander abhängig, dessen Größe wiederum davon abhängt, welchen Abstand die betreffenden Stirnflächen der Polwicklungen 4 zur Innenwand des Stahlrings 1 gerade einnehmen. Anhand gespeicherter Zusammenhänge zwischen den Potentialunterschieden und den genannten Abständen können die bei 9 gezeigten Verschiebungsvektoren ermittelt und so die gesamte relative Verschiebung zwischen Stahlrohr 1 und Stator 2 festgestellt werden.
Ist ferner der Zusammenhang zwischen der rückstellenden Kraft der Federn 6 und den Verschiebungsvektoren bekannt, so können aus den ermittelten Verschiebungsvektoren Betätigungskräfte einschließlich deren Richtung ermittelt werden.
Es versteht sich, dass bei Anordnung mehrerer Statoren 2 innerhalb des Stahlrohrs 1 im Abstand von der Längsmitte zusätzlich Verschiebungen des Stahlrohrs 1 um die o. g., zur Rohrachse senkrechte Achse bestimmt werden können.
Bei Anordnung von Magneten auf der Innenseite der Rohrwand ließen sich sogar Drehungen des Stahlrohrs 1 um die Rohrlängsachse ermitteln.
Durch den vorangehend beschriebenen Sensor ermittelte Handkräfte können z. B. zur Steuerung eines Hilfsantriebs oder zur Lageregelung der Zugstange eingesetzt werden.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines beweglichen, magnetisierbaren Körpers (1) relativ zu einem wenigstens eine Polwicklung (4) aufweisenden Stator (2), gekennzeichnet durch Einrichtungen (12–14) zur Erfassung eines Messsignals, das von der durch die Position des Körpers (1) beeinflussten Induktivität der Polwicklung (4) abhängig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) gegen eine elastische Rückstellkraft bewegbar ist und die Vorrichtung einen Kraftsensor bildet, der zur Kraftmessung einen vorbestimmten funktionalen Zusammenhang zwischen der Rückstellkraft und der Position des Körpers (1) nutzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) mehrere Polwicklungen (4) aufweist, deren Wicklungsachsen (5) sich von dem Stator (2) sternförmig erstrecken und dass der Körper (1) den Stator (2), vorzugsweise ring- oder kugelförmig, umgibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) unter Änderung der genannten Position in einer durch die Polwicklungsachsen (5) mehrerer Polwicklungen (4) des Stators (2) aufgespannten Ebene (xy) beweglich ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper durch ein den Stator (2) umgebendes Rohr (1) gebildet ist und der Stator (2) mehrere Polwicklungen (4) mit zur Rohrachse (10) senkrechten Polwicklungsachsen (5) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) drei Polwicklungen (4) aufweist, deren Polwicklungsachsen (5) miteinander jeweils einen Winkel von vorzugsweise 120° einschließen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) mehrere im Stern verschaltete Polwicklungen (4) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (12–14) zur Erfassung des Messsignals zur Auswertung des sich bei wechselnder Spannungsbeaufschlagung der Polwicklungen (4) ändernden Potentials am Sternpunkt (13) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Polwicklungen (4) zur Belegung mit Spannungsimpulsen in der Art des Betriebs eines elektrischen Synchronmotors durch Impulsweitenmodulation vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) in der Längsmitte des Rohrs (1) angeordnet ist und das Rohr (1) an seinen Enden unter Erzeugung radialer Rückstellkräfte elastisch gehalten ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper auf einer ring- oder kugelförmigen, den Stirnflächen mehrerer Polwicklungen gegenüberliegenden Innenfläche eine Vorsprünge oder/und Ausnehmungen umfassende Strukturierung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung periodisch und vorzugsweise um die Innenfläche umlaufend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung derart ausgebildet ist, dass sich ein von der Drehposition des Körpers um die Ring- oder Kugelachse abhängiges Messsignal ergibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des Messsignals unter Erzeugung einer gewünschten, durch den Stator auf den Körper ausgeübten Magnetkraft die Bestromung der wenigstens einen Polwicklung steuerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein berührungsloses Drehlager für einen ring- oder kugelförmigen Körper bildet.