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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Magnetisieren von Wellen.
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Stand der Technik
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Stand der Technik bei der Magnetisierung von kraftübertragenden Bauteilen (z. B. Wellen) zur Nutzung magnetostriktiver Messtechnik (z. B. Drehmomentmessung) ist die direkte elektrische Kontaktierung. Über diese Kontaktierung werden entsprechende Stromimpulse durch das Bauteil geleitet um die für die magnetostriktive Messtechnik notwendige remanente Magnetisierung zu erzeugen (NCTE Patente:
EP 1774271 B1 ,
EP 1902287 B1 ). Dieses Verfahren ist als Puls Current Magnetic Encoding (PCME) bekannt.
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Das derzeit eingesetzte Verfahren weist jedoch die im Folgenden genannten Nachteile auf.
- 1. Aus der Vielzahl unterschiedlicher Bauteil- bzw. Wellengeometrien ergibt sich eine ebenso große Vielzahl unterschiedlicher Kontakte. D. h., die Kontaktierungsvorrichtung muss an jede Wellengeometrie spezifisch angepasst und gefertigt werden.
- 2. Aufgrund der hohen erforderlichen Magnetisierungsströme im kA-Bereich entstehen an den Übergangsstellen von den Kontakten zur Welle Brandmarken (Schweißpunkte). Diese begrenzen zum einen die Lebensdauer der Kontakte auf wenige hundert Magnetisierungsvorgänge. Zum anderen können sich diese Brandmarken auf den Wellen negativ auf das Korrosionsverhalten und tribologische Eigenschaften auswirken.
- 3. In vielen Fällen führen konstruktive Merkmale der zu magnetisierenden Bauteile wie Verzahnungen, Lagersitze, Verjüngungen/Verdickungen zu einem erheblichen Konstruktionsaufwand für die Kontaktierung.
- 4. In einigen Fällen verhindern funktionale Schichten auf der Welle (Korrosionsschutz, Optik, elektrische Isolation, Erhöhung der Oberflächenhärte etc.) eine elektrische Kontaktierung.
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Angesichts dieser Nachteile des Stands der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit der eine Magnetisierung einer Welle durchgeführt werden kann, die einen oder mehrere der genannten Nachteile überwindet.
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Beschreibung der Erfindung
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Die genannten Nachteile lassen sich vermeiden, wenn auf die direkte elektrische Kontaktierung der Welle verzichtet werden kann. Falls das zu magnetisierende Bauteil bzw. die Welle eine Vollwelle ist, kann eine Hohlbohrung des zu magnetisierenden Bauteils bzw. der Welle erfolgen. Die Erfindung stellt eine Vorrichtung und eine Verfahren zur berührungslosen magnetischen Kodierung von Hohlwellen zur Herstellung von magnetostriktiven Sensorwellen zu Verfügung.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Magnetisieren eines Bauteils, insbesondere einer Hohlwelle, welche einen inneren ersten elektrischen Leiter; einen äußeren zweiten elektrischen Leiter, der als Hohlleiter ausgebildet ist; und eine magnetische Abschirmung umfasst; wobei der erste elektrische Leiter zumindest teilweise in dem zweiten elektrischen Leiter angeordnet ist, und wobei die magnetische Abschirmung einen ersten Abschnitt aufweist, der zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter angeordnet ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine berührungslose Magnetisierung des Bauteils erfolgen. Durch die Leiter können gleichzeitig oder nacheinander Strompulse geschickt werden, wobei die Stromrichtung des Stroms durch den ersten elektrischen Leiter entgegengesetzt zur Stromrichtung des Stroms durch den zweiten elektrischen Leiter ist. Insbesondere kann aufgrund der magnetischen Abschirmung der jeweilige Betrag der Stromstärke gleich sein, sodass beispielsweise eine Rückführung des Stroms nach Durchlaufen des ersten Leiters über den zweiten Leiter in entgegengesetzter Richtung erfolgen kann. Aus den physikalischen Gesetzen der Elektrodynamik ist bekannt, dass das durch einen stromführenden Leiter erzeugte, ihn umgebende Magnetfeld nur von der aufsummierten durch die gesamte Leiterquerschnittsfläche fließenden Stromstärke abhängt, und nicht von der speziellen Leiterquerschnittsform oder der Stromdichteverteilung. Das bedeutet, dass bei gleichem Hin- und Rückstrom durch die zwei Leiter (unabhängig von deren jeweiliger Querschnittsform) die erzeugten Magnetfelder zwar von der Richtung entgegensetzt, jedoch von der betragsmäßigen Stärke gleich sind. Die magnetische Abschirmung schwächt das magnetische Feld des zentralen Leiters, was nur im Falle eines zeitlich veränderlichen Stroms möglich ist. Durch einen zeitlich veränderlichen Strom werden zeitlich veränderliche Magnetfelder erzeugt, die wiederum zeitlich veränderliche elektrische Wirbelfelder generieren, was in der magnetischen Abschirmung Wirbelströme bewirkt. Dadurch kann Energie in der magnetischen Abschirmung in Wärme umgewandelt werden, und es kann zu einer Ungleichheit der durch den inneren und den äußeren Leiter erzeugten auf das zu magnetisierenden Bauteil wirkenden Magnetfelder kommen. Dadurch wird eine Magnetisierung des Bauteils erst möglich. Für die Abschirmung kommen vorzugsweise hochpermeable oder hochleitfähige Materialien in Frage, die z. B. Kupfer, Aluminium, Eisen, oder Stahl als Bestandteil umfassen können, oder auch verschiedene Eisenlegierungen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dahingehend weitergebildet werden, dass der erste elektrische Leiter und der zweite elektrische Leiter an einem jeweiligen Endbereich eine gemeinsame elektrische Kontaktstelle aufweisen können. Dies bedeutet, dass der zweite Leiter für den ersten Leiter die Rückleitung zur Stromquelle darstellt und das Ende des zentralen Leiters mit dem Ende des Hohlleiters verbunden ist, so dass dort ein elektrischer Kontakt zwischen beiden Leitern besteht. Das hat den Vorteil, dass die Vorrichtung ein distales Ende aufweist, welches die Kontaktstelle umfasst, wodurch die Vorrichtung beispielsweise stabförmig ausgebildet sein kann, und die Vorrichtung deshalb einfach in einen Hohlraum eingebracht werden kann, etwa in eine nur teilweise axial aufgebohrte Welle eingeführt werden kann, um eine Magnetisierung des Bauteils (z. B. Welle) durchzuführen. Insbesondere ist keine vollständige Durchführung von Leitern durch das Bauteil erforderlich, sondern der Strom kann in eine Öffnung hinein und durch die gleiche Öffnung wieder heraus geführt werden.
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Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die Vorrichtung weiterhin einen inneren dritten elektrischen Leiter und einen äußeren vierten elektrischen Leiter, der als Hohlleiter ausgebildet ist, umfassen kann; wobei der dritte elektrische Leiter zumindest teilweise in dem vierten elektrischen Leiter angeordnet ist, und wobei die magnetische Abschirmung einen zweiten Abschnitt aufweist, der zwischen dem dritten und dem vierten elektrischen Leiter angeordnet ist. Diese Weiterbildung ermöglicht es, in benachbarten Bereichen des zu magnetisierenden Bauteils voneinander verschiedene Magnetisierungen durchzuführen, insbesondere Magnetisierungen mit unterschiedlichen Magnetfeldrichtungen durchzuführen, beispielsweise gegenläufige Magnetfelder.
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Dabei können der zweite und der dritte elektrische Leiter eine gemeinsame elektrische Kontaktstelle aufweisen, und der erste und der vierte elektrische Leiter können eine gemeinsame Kontaktstelle aufweisen. Auf die Weise kann der zweite Leiter für den ersten Leiter die Rückleitung zur Stromquelle darstellen, und der vierte Leiter kann für den dritten Leiter die Rückleitung zur Stromquelle darstellen.
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Auf die genannte Weise können auch mehr als zwei Bereiche magnetisiert werden, indem ein oder mehrere weitere Leiter/Hohlleiterpaare hinzugefügt und entsprechend kontaktiert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung können der erste und der zweite elektrische Leiter an einem jeweiligen distalen Endbereich die gemeinsame elektrische Kontaktstelle aufweisen, der zweite und der dritte elektrische Leiter können an einem proximalen Endbereich des zweiten und an einem distalen Endbereich des dritten Leiters die gemeinsame elektrische Kontaktstelle aufweisen, und der erste und der vierte elektrische Leiter können an einem proximalen Endbereich des ersten und an einem distalen Endbereich des vierten die gemeinsame Kontaktstelle aufweisen. In dieser Ausgestaltung wird der Strom beispielsweise zunächst durch den inneren, dritten Leiter und anschließend durch den äußeren, zweiten Leiter geführt, danach durch den inneren, ersten Leiter und den äußeren, vierten Leiter wieder zurückgeführt. Dies hat den Vorteil, dass mit einem Strompuls zwei Bereiche mit verschiedener Magnetisierungsrichtung erzeugt werden können. Weiterhin ist die Vorrichtung kompakt, und sie kann beispielsweise stabförmig ausgestaltet sein. Sie kann mit der Kontaktstelle des ersten und zweiten Leiters voran in den Hohlraum des Bauteils eingebracht werden. Insbesondere ist keine vollständige Durchführung von Leitern durch das Bauteil erforderlich, sondern der Strom kann in eine Öffnung hinein und durch die gleiche Öffnung wieder heraus geführt werden.
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Nach einer anderen Weiterbildung können der erste und der dritte Leiter auf einer geraden Linie angeordnet sein. Somit sind enge und/oder sich lang erstreckende Hohlräume zugänglich, um eine berührungslose Magnetisierung durchzuführen.
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Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt der magnetischen Abschirmung eine Einheit bilden können, und ggf. mit Durchführungen für die elektrischen Kontaktstellen versehen sein können; oder dass andererseits der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt der magnetischen Abschirmung jeweils separate Einheiten bilden können. Dies stellt eine einfache Ausgestaltung der magnetischen Abschirmung dar.
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Der bzw. die Hohlleiter und/oder die magnetische Abschirmung bzw. die magnetischen Abschirmungen können jeweils im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders aufweisen. Auf diese Weise wird eine für die Herstellung und bei der Verwendung der Vorrichtung praktikable Form zur Verfügung gestellt.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Magnetisieren eines Bauteils, insbesondere einer Hohlwelle, mit den Schritten: Einbringen wenigstens einen elektrischen Leiters in einen Hohlraum des Bauteils, insbesondere in die Hohlwelle; Erzeugen wenigstens eines ersten Strompulses durch den wenigstens einen elektrischen Leiter; und Entfernen des wenigstens einen elektrischen Leiters aus dem Bauteil, insbesondere der Hohlwelle. Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber den Magnetisierungsverfahren nach dem Stand der Technik besteht darin, dass keine Strominjektion in das Bauteil erfolgen muss, sondern dass die Magnetisierung berührungslos erfolgt. Falls z. B. eine Hohlwelle für Sensoren mit einem magnetisierten Bereich eingesetzt werden soll, reicht das Einbringen eines Stromleiters innerhalb der Hohlwelle, durch den der Stromimpuls zur Magnetisierung geleitet wird. Aufgrund der Unabhängigkeit der Feldstärke von der Stromdichteverteilung muss für unterschiedliche Durchmesser lediglich die Stromstärke angepasst werden, der Leiterquerschnitt ist für die Feldverteilung nicht von Bedeutung. Durch den Wegfall der elektrischen Kontaktierung zwischen Sensorwelle und Stromquelle gegenüber dem Stand der Technik ist die Sensorwelle diesbezüglich wartungsfrei, da es keine Brandmarken/Schweißpunkte gibt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann dahingehend weitergebildet werden, dass die folgenden weiteren zwischen dem Erzeugen des wenigstens einen ersten Strompulses und dem Entfernen des wenigstens einen elektrischen Leiters durchzuführende Schritte vorgesehen sind: Einbringen einer magnetischen Abschirmung in den Hohlraum des Bauteils (insbesondere in die Hohlwelle), zwischen den Leiter und dem Bauteil (insbesondere Hohlwelle), in einem Teilbereich des Bauteils (insbesondere Hohlwelle); Erzeugen wenigstens eines zweiten Strompulses durch den wenigstens einen elektrischen Leiter, wobei die Stromrichtung des wenigstens einen zweiten Strompulses entgegengesetzt zur Stromrichtung des wenigstens einen ersten Strompulses ist; und Entfernen der magnetischen Abschirmung aus dem Bauteil (insbesondere Hohlwelle). Indem die Abschirmung nur in einen Teilbereich der Hohlwelle angeordnet wird, kann eine gegenläufige Magnetisierung in zwei Teilbereichen des Bauteils erzielt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann andererseits dahingehend weitergebildet werden, dass das Einbringen wenigstens eines elektrischen Leiters in den Hohlraum des Bauteils (insbesondere in die Hohlwelle), das Einbringen einer erfindungsgemäßen Magnetisierungsvorrichtung oder einer ihrer Weiterbildungen in den Hohlraum des Bauteils (insbesondere Hohlwelle), umfasst; das Erzeugen wenigstens eines Strompulses durch den wenigstens einen elektrischen Leiter das Erzeugen wenigstens eines Strompulses durch die Leiter der Magnetisierungsvorrichtung umfasst; und das Entfernen des wenigstens einen elektrischen Leiters aus dem Hohlraum des Bauteils (insbesondere Hohlwelle), das Entfernen der Magnetisierungsvorrichtung aus dem Hohlraum des Bauteils (insbesondere Hohlwelle) umfasst.
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Das Verfahren kann weitergebildet werden, indem der folgende weitere und vor allen anderen Schritten durchzuführende Schritt vorgesehen ist: Bohren des Bauteils zum Herstellen des Hohlraums, insbesondere Bohren einer Vollwelle entlang einer axialen Richtung zum Herstellen der Hohlwelle, wobei das Bauteil, insbesondere die Vollwelle, vollständig oder nur teilweise durchbohrt wird. Eine beispielhafte Vollwelle, die als etwa als magnetostriktiver Drehmomentsensor ausgebildet werden soll, kann z. B. entlang der zentralen Achse aufgebohrt werden, um darin die Magnetisierungsvorrichtung einzubringen, wobei je nach baulichen Gegebenheit und Verwendung des Sensors eine vollständige oder auch nur eine teilweise Durchbohrung sinnvoll sein kann.
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Weitere Merkmale und beispielhafte Ausführungsformen sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung erschöpfen. Es versteht sich weiterhin, dass einige oder sämtliche der im Weiteren beschriebenen Merkmale auch auf andere Weise miteinander kombiniert werden können.
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Zeichnungen
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1 veranschaulicht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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2 veranschaulicht einen Strom- und Magnetfeldstärkeverlauf in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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3 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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4 veranschaulicht einen Strom- und Magnetfeldstärkeverlauf in einem Teilbereich der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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5 veranschaulicht einen qualitativen radialen Strom- und Magnetfeldstärkeverlauf in einem Teilbereich der ersten oder zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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6A veranschaulicht einen ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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6B veranschaulicht einen zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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6C veranschaulicht eine Magnetisierung der Hohlwelle nach Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen
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1 veranschaulicht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Magnetisierungsvorrichtung
100 umfasst in dieser Ausführungsform einen ersten, inneren Leiter
110, der beispielsweise als Volldraht
110 aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Metall, ausgebildet sein kann. Weiterhin umfasst die Vorrichtung
100 einen zweiten, äußeren Leiter
120, der beispielsweise eine kreisförmige zylindrische Form haben kann und um den ersten Leiter
110 herum angeordnet ist. Der Strom fließt beispielsweise durch den ersten Leiter nach rechts und durch den zweiten Leiter zurück nach links. Die Enden der beiden Leiter
110 und
120 können in dieser Ausführungsform miteinander elektrisch leitend verbunden sein, so dass in einem Endbereich
150 der Vorrichtung
100 eine Stromumkehr erfolgt. Weiterhin ist eine magnetische Abschirmung zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter vorgesehen. Im Fall von gepulstem Strom, also zeitabhängigem Stromverlauf, werden zeitlich variable Magnetfelder erzeugt, welche wiederum zeitlich variable elektrische Felder induzieren. Die magnetische Abschirmung
130 zwischen den beiden Leitern bewirkt, dass diese induzierten elektrischen Felder darin Wirbelströme erzeugt, die letztlich zu einer Absorption von Feldenergie führt. Dies erfolgt jedoch nur für den inneren Leiter, da der äußere Hohlleiter in seinem Inneren feldfrei ist. Deshalb wird das auf eine Hohlwelle
190 einwirkende Magnetfeld des Inneren Leiters durch die Abschirmung
130 abgeschwächt. Die magnetische Abschirmung
130 muss so gewählt werden, dass das magnetische Feld des zentralen Leiters abgeschwächt wird (was im Falle von Gleichstrom nicht möglich ist). Eine optimale Schichtdicke d lässt sich nach
abschätzen, und als Materialen für die Abschirmung kommen hochpermeable oder hochleitfähige Werkstoffe in Frage, wie etwa Cu, Fe, Al etc., oder FeCo, FeNi, FeSi Legierungen. Die Vorrichtung
100 kann mit dem Endbereich
150 voran in eine Hohlwelle, insbesondere in eine nur teilweise hohle Welle eingebracht werden, da der Stromkreis über die Kontaktierung der beiden Leiter selbst geschlossen wird und somit keine Leiter vollständig durch die Welle geführt werden müssen.
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2 veranschaulicht einen Strom- und Magnetfeldstärkeverlauf in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittdarstellung senkrecht zur Achse der Welle 190. Der innere Pfeil im Uhrzeigersinn gibt die Magnetfeldrichtung des Magnetfeldes an, das durch den inneren Leiter 110 mit einer Stromrichtung erzeugt wird, die in Papierebene hineingeht. Entsprechend gibt der äußere Pfeil entgegen dem Uhrzeigersinn die Magnetfeldrichtung des Magnetfeldes an, das durch den äußeren Leiter 120 mit einer Stromrichtung erzeugt wird, die aus der Papierebene herauskommt. Die magnetische Abschirmung 130 kann insbesondere aus einer Kombination aus verschiedenen elektrisch/magnetisch leitfähigen Werkstoffen hergestellt sein. Durch die Abschirmung wird das innere Feld gedämpft und die Hohlwelle entsprechend der Feldrichtung des äußeren Feldes remanent magnetisiert.
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3 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese zweite Ausführungsform 300 ist zur Erzeugung von zwei gegenläufigen Magnetisierungsbereichen in einem Prozessschritt geeignet. Da der magnetostriktive Effekt in Stahl zu relativ geringen Feldstärkeänderung im Bereich von 1 μT bis 1 mT erfolgt, ist in der Regel eine Differentialmessung erforderlich. Die Erzeugung eines einzigen Magnetisierungsbereiches reicht daher in der Praxis nicht aus, es müssen daher wenigstens zwei Bereiche erzeugt werden. Für die Erzeugung von zwei gegenläufigen Bereichen müssen zwei gegenläufige Stromimpulse so erzeugt werden, dass sich deren erzeugtes Feld nicht gegenseitig aufhebt. Eine mögliche Realisierung zeigt die Anordnung in 3. Der Strom fließt in dieser Anordnung zunächst zentral über einen zentralen Leiter 310 in die Hohlwelle 390 und wird dann an der mittigen Übergangsstelle in einen Hohlleiter 321 umgeleitet. Am Ende dieses Hohlleiters 321 wird der Strom wieder über einen weiteren mittigen zentralen Leiter 311 zurückgeführt und an der Übergangsstelle wieder auf einen äußeren weiteren Hohlleiter 320 umgeleitet. Zwischen dem Hohlleiter und dem zentralen Leiter ist die magnetische Abschirmung angeordnet. Die erste Ausführungsform nach 1 stellt im Wesentlichen die linke Hälfte der in 3 gezeigten Anordnung nach der zweiten Ausführungsform dar, wobei lediglich die Endbereiche der Leiter unmittelbar miteinander gekoppelt sind, ohne dass der Strom dabei noch über einen weiteren äußeren und inneren Leiter geführt wird.
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4 veranschaulicht analog zu 2 den Strom- und Magnetfeldstärkeverlauf in dem in der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung hinzugekommenen Abschnitt in einer Schnittdarstellung senkrecht zur Achse der Welle 390. Der innere Pfeil entgegen dem Uhrzeigersinn gibt die Magnetfeldrichtung des Magnetfeldes an, das durch den inneren Leiter 311 mit einer Stromrichtung erzeugt wird, die aus der Papierebene herauskommt. Entsprechend gibt der äußere Pfeil im Uhrzeigersinn die Magnetfeldrichtung des Magnetfeldes an, das durch den äußeren Leiter 321 mit einer Stromrichtung erzeugt wird, die in die Papierebene hineingeht. Die magnetische Abschirmung 330 kann einstückig oder für jeden Magnetisierungsbereich separat vorgesehen sein.
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5 veranschaulicht einen qualitativen radialen Stromdichte- und Magnetfeldstärkeverlauf in einem Teilbereich der ersten oder zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es ist hier angenommen, dass die Stromdichte gleichmäßig über die gesamte Leiterfläche verteilt ist, also jeweils im Innern des inneren und des äußeren Leiters konstant ist. Die entsprechende zugehörige Magnetfeldverteilung im Innern der Hohlwelle zeigt, dass außerhalb des äußeren (Hohl-)Leiters ein von Null verschiedenes Magnetfeld vorhanden ist, was im DC Fall nicht möglich ist.
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6 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Magnetisierung einer Hohlwelle 690. Für Sensoren mit einem magnetisierten Bereich reicht ein Stromleiter 610 innerhalb der Hohlwelle, durch den der Stromimpuls zur Magnetisierung geleitet wird. Aufgrund der Unabhängigkeit der Feldstärke von der Stromdichteverteilung muss für unterschiedliche Durchmesser lediglich die Stromstärke angepasst werden, der Leiterquerschnitt ist für die Feldverteilung nicht von Bedeutung. Bei der Erzeugung von zwei gegenläufigen Magnetisierungsbereichen kann dies erfindungsgemäß in zwei Prozessschritten erfolgen. Die Hohlwelle 690 wird durch einen Stromfluss durch den Leiter wie soeben beschrieben magnetisiert; es entsteht ein erster Magnetisierungsbereich (6A). Danach erfolgt das Einbringen der magnetischen Abschirmung 630 und eine Umkehr der Stromrichtung (6B). Als Ergebnis entsteht eine Hohlwelle 690 mit zwei gegenläufig magnetisierten Bereichen 681, 682 (6C).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1774271 B1 [0002]
- EP 1902287 B1 [0002]
