DE102013200698A1

DE102013200698A1 - Spulenanordnung mit zwei Spulen

Info

Publication number: DE102013200698A1
Application number: DE102013200698.5A
Authority: DE
Inventors: Alexander Graf; Florian Weinl; Michael Pantke
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2014-07-24
Also published as: US20150354991A1; EP2946174A1; CN104903684A; WO2014111218A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spulenanordnung, insbesondere für einen Positionssensor, mit einer ersten Spule (1) und einer zweiten Spule (2), die miteinander elektrisch verbunden sind und im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die erste Spule (1) eine in Längsrichtung (X) der Spulenanordnung zunehmende Wicklungsdichte aufweist, wohingegen die zweite Spule (2) eine in die Längsrichtung (X) der Spulenanordnung abnehmende Wicklungsdichte aufweist. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf einen Positionssensor mit einer solchen Spulenanordnung und auf ein Herstellungsverfahren für eine solche Spulenanordnung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spulenanordnung mit einer ersten Spule und einer zweiten Spule, die miteinander elektrisch verbunden sind und im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die erste Spule eine in Längsrichtung der Spulenanordnung zunehmende Wicklungsdichte aufweist. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf einen Positionssensor, sowie auf ein Herstellungsverfahre der Spulenanordnung.
Es sind unterschiedliche Ausführungsformen berührungsloser linearer Positionssensoren bekannt. Die wichtigsten Vertreter nutzen Magnetfelder zur Sensierung. Darunter fallen Sensoren welche den Halleffekt oder das Induktionsgesetz nutzen. Letztere lassen sich wiederum entsprechend ihres Wirkprinzips in zwei Gruppen einteilen. Beiden gemein ist eine Anordnung aus Spule und Geberelement, welches in der ersten Gruppe elektrisch leitend sein muss und in der zweiten Gruppe ein weichmagnetisches Material sein muss.
Die erste Gruppe, Wirbelstromsensoren, nutzt die Induktion um ein Gegenfeld in einem elektrisch leitenden Material aufzubauen welches das Anregungsfeld dämpft. Das Geberelement wird genutzt um den Dämpfungsgrad proportional zum Weg zu verändern. Die benötigte Energie, um das Anregungsfeld dennoch aufrecht zu erhalten, kann als Messgröße genutzt werden. Hierbei tritt das den Weg gebende Element (Geberelement) nicht in die Spule ein.
Die zweite Gruppe unterscheidet sich hiervon dadurch, dass das Magnetfeld in der Spule direkt durch das weichmagnetische Geberelement beeinflusst wird. Gemessen wird hierbei die Induktivität der Spule, wobei es unterschiedliche Methoden gibt. Bei einem Tauchspulensensor beruht die Positionssensierung auf der Ausnutzung der relativen Permeabiliät weichmagnetischen Eisens und der damit verknüpften Tatsache, dass sich die Induktivität einer Spule proportional zur relativen Permeabilität des Spulenkerns verhält. Der Spulenkern wird dabei als weggebendes Element genutzt, was zu einer Veränderung der Induktivität und damit zu einer dem Weg proportionalen Messgröße führt. Genutzt werden hierfür einfache lineare Spulen oder einfache Spulen in mehreren Kammern zur Beeinflussung der Sensitivität. Sensoren nach dem LVDT-(Linear Variable Differential Transformer) oder PLCD-(Permanentmagnetic Linear Contactless Displacement) Prinzip können als ein Differentialtransformator beschrieben werden. Es werden hierbei eine Primärspule und zwei Sekundärspulen verwendet, wobei diese längs des zu sensierenden Weges angeordnet sind. Die lange Primärspule sitzt in der Mitte zwischen den kurzen Sekundärspulen an den beiden Enden des Sensors. Alle drei Spulen sitzen auf einem weichmagnetischen Stab, welcher parallel zum Messweg angeordnet ist. Mit Hilfe eines Magneten, der als Geberelement dient, kann die Feldverteilung der Primär- auf die Sekundärspulen beeinflusst werden.
Nachteilig an diesen bekannten Sensoren ist, dass sie sehr aufwendig aufgebaut sind. Demgegenüber ist der in der Schrift DE 38 01 779 C2 beschriebene Positionssensor bzw. die dem Sensor zu Grunde liegende Spulenanordnung einfach aufgebaut und benötigt im Wesentlichen lediglich zwei koaxiale Spule, mit einem innerhalb der Spulen bewegbaren, magnetisch leitenden Geberelement. Hierbei weist eine der Spulen in Längsrichtung eine veränderliche Wicklungsdichte auf.
Es hat sich herausgestellt, dass ein derartig aufgebauter Positionssensor für präzise Anwendungen wenig geeignet ist, da er eine zu geringe Messgenauigkeit aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Spulenanordnung bereitzustellen, mittels welcher ein hochgenauer Positionssensor realisierbar ist. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, einen solchen Sensor bereitzustellen, sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche Spulenanordnung. Die Aufgabe wird durch eine Spulenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und durch einen Positionssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Besonders bevorzugte Ausführungen hiervon sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar.
Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Spulenanordnung, insbesondere für einen Positionssensor. Die Spulenanordnung weist eine erste Spule und eine zweite Spule auf, welche miteinander elektrisch verbunden sind und welche im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die erste Spule über eine in Längsrichtung der Spulenanordnung zunehmende Wicklungsdichte verfügt. Hinzu kommt nun, dass die zweite Spule über eine in Längsrichtung der Spulenanordnung abnehmende Wicklungsdichte auf.
Demgemäß nimmt die Wicklungsdichte der ersten Wicklung in Längsrichtung der Spulenanordnung zu, während gleichzeitig die Wicklungsdichte der zweiten Wicklung in diese Längsrichtung abnimmt. Die Wicklungsdichten der Spulen entwickeln sich entlang der Spulenlängsrichtung somit gegensinnig. Hierdurch dient die zweite Spule nicht mehr nur als Referenzspule für die erste Spule, stattdessen ist nun auch die Induktivität der zweiten Spule von der Position eines magnetisch leitenden Geberelementes abhängig, wenn die Spulenanordnung in einem Positionssensor mit einem solchen Geberelement eingesetzt wird. Somit ergibt sich eine deutliche Verbesserung der Messauflösung des Positionssensors bzw. der Spulenanordnung und ein hochgenauer Positionssensor ist mittels dieser Spulenanordnung realisierbar. Unter der Wicklungsdichte ist hierbei insbesondere die Anzahl der Wicklungen pro Längeneinheit in Längsrichtung der Spulenanordnung zu verstehen.
Insbesondere wird eine Änderung der Wicklungsdichte durch eine Zu- bzw. Abnahme der radialen Anzahl der Wicklungslagen bewirkt. Somit bleibt der Füllfaktor der Spulen in Längsrichtung der Spulenanordnung konstant, wodurch eine konstant gute Messauflösung des Positionssensors bzw. der Spulenanordnung in Längsrichtung bewirkt wird. Die Spulen sind jeweils insbesondere orthozyklisch gewickelt, wodurch ebenfalls ein besonders guter Füllfaktor erreichbar ist. Außerdem weisen die Spulen besonders bevorzugt einen gegenläufigen Wicklungssinn auf. Sie bauen damit bei elektrischer Bestromung ein sich gegenseitig beeinflussendes Magnetfeld auf.
Die Verteilung der elektrischen Spannung innerhalb der Spulenanordnung bei elektrischer Bestromung derselben ist abhängig vom ohmschen und induktiven Anteil der Spulen. Ein den Spulen zugeordnetes, magnetisch leitendes Geberelement nimmt dabei wesentlichen Einfluss auf die Induktivität der einzelnen Spulen, wobei dieser Einfluss durch die sich ändernde Wicklungsdichte entlang der Spulenlängsrichtung von der Position des Gerberelementes abhängig ist. Somit kann durch eine Auswertung der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Spulen der Spulenanordnung auf die Position des Geberelementes bezüglich der Spulenanordnung geschlossen werden.
In einer bevorzugten Ausführung nimmt die Wicklungsdichte der ersten Spule in Längsrichtung der Spulenanordnung im Wesentlichen in dem Maße zu, wie die Wicklungsdichte der zweiten Spule abnimmt. Somit ändern sich zwar die Wicklungsdichte jeder einzelnen Spule, die Gesamtwicklungsdichte bleibt jedoch konstant. Die Spulenanordnung kann hierdurch äußerst kompakt ausgeführt sein, mit einem in Längsrichtung konstanten Außendurchmesser.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ändert sich die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule linear. Die lineare Änderung kann hierbei lediglich innerhalb eines Längsabschnittes der Spulenanordnung in Längsrichtung vorhanden sein oder sich über die gesamte Länge der Spulenanordnung in Längsrichtung erstrecken. Bei einer linearen Änderung der Wicklungsdichte hängt die Induktivität im Wesentlichen linear von der Position eines magnetisch leitenden Geberelements bezüglich der Spulenanordnung ab, wodurch dann besonders einfach von der Induktivität der Spulenanordnung auf die Position des Geberelementes bezüglich der Spulenanordnung geschlossen werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ändert sich die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule abschnittsweise sprunghaft. Mit anderen Worten verfügt die Spulenanordnung über mindestens zwei Längsabschnitte in Spulenlängsrichtung, welche an den unmittelbar aneinander angrenzenden Seiten unterschiedliche Wicklungsdichten aufweisen. Hierdurch ändert sich die Induktivität der Spulenanordnung sprunghaft, wenn ein magnetisch leitendes Geberelement bezüglich der Spulenanordnung vom einem der Längsabschnitte in den anderen der Längsabschnitte bewegt wird. Diese sprunghafte Änderung der Induktivität ist sehr deutlich erfassbar, wodurch die Position des Geberelementes beim Passieren der Dichtenänderung, d.h. des Übergangs zwischen den Längsabschnitten, sehr deutlich und genau feststellbar ist. Somit können insbesondere ein oder mehrere Referenzpunkte entlang der Spulenlängsrichtung durch einen oder mehrere Übergänge zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Längsabschnitte, aufweisend unterschiedliche Wicklungsdichten, markiert werden. Außerdem können mehrere bzw. eine Vielzahl Längsabschnitte mit zueinander unterschiedlichen Wicklungsdichten vorgesehen sein, die in Spulenlängsrichtung eine inkrementelle Änderung der Wicklungsdichte bewirken. Hierdurch ist die Lage des magnetisch leitenden Geberelementes bezüglich der Spulenanordnung deutlich inkrementell erkennbar. Je mehr derartige Längenabschnitte vorhanden sind, desto genauer kann die Lage des Geberelementes in Längsrichtung dann inkrementell ermittelt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ändert sich die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule in einem ersten Längsabschnitt der Spulenanordnung, wobei diese Änderung insbesondere linear ist. In einem an den ersten Abschnitt unmittelbar anschließenden zweiten Längsabschnitt ist die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule konstant. Und in einem an den zweiten Abschnitt unmittelbar anschließenden dritten Abschnitt ändert sich die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule, wobei diese Änderung ebenfalls insbesondere linear ist. Hierdurch wird eine hohe Messempfindlichkeit und einfache Auswertbarkeit der Spulenanordnung in dem ersten und dritten Längenabschnitt bewirkt, während eine relativ geringe Messempfindlichkeit in dem zweiten Längenabschnitt bewirkt wird. Dies ist dann insbesondere ein Längenabschnitt, innerhalb dessen keine genaue Messung erforderlich ist. Durch eine derartige Ausführung der Spulenanordnung kann auch eine Linearisierung der Sensorkennlinie bewirkt werden, beim Einsatz der Spulenanordnung in einem Positionssensor.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind die beiden Spulen elektrisch in Reihe direkt hintereinander geschaltet, mit einem Messabgriff zwischen den Spulen. Somit ist der Aufbau der Spulenanordnung besonders einfach. Die Spulen bilden hierbei einen Spannungsteiler.
In einer hierzu alternativen weiteren bevorzugten Ausführung sind die beiden Spulen jeweils elektrisch in Reihe mit einem Vergleichswiderstand geschaltet, wobei jede der Spulen zusammen mit dem jeweils in Reihe geschalteten Vergleichswiderstand einen Zweig einer Wheatstoneschen Messbrückenschaltung bildet. Dabei ist ein Messabgriff zwischen jeder der Spulen und dem zur Spule in Reihe geschalteten Vergleichswiderstand vorgesehen. Die beiden Spulen sind somit elektrisch parallel zueinander geschaltet, wobei jede der Spulen elektrisch in Reihe mit dem jeweiligen Vergleichswiderstand geschaltet ist. Hierdurch ist eine besonders genaue Auswertung der Position eines der Spulenanordnung zugeordneten magnetisch leitenden Geberelements möglich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist ein magnetisch leitendes Gehäuse vorgesehen, beispielsweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff, innerhalb dessen die Spulen angeordnet sind, zur magnetischen Beeinflussung des magnetischen Flusses innerhalb der Spulenanordnung. Hierdurch wird ein Transformatoreffekt innerhalb der Spulenanordnung durch die magnetische Beeinflussung des Gehäuses (erhöhter magnetischer Fluss innerhalb der Spulenanordnung) verstärkt und daher die Empfindlichkeit der Spulenanordnung bei einer Verwendung in einem Positionssensor erhöht.
Der erfindungsgemäße Positionssensor weist eine wie obig beschriebene erfindungsgemäße Spulenanordnung auf, sowie ein magnetisch leitendes Geberelement, welches entlang der Längsrichtung der Spulenanordnung als Positionsgeber beweglich angeordnet ist. Das Geberelement kann somit entweder in einem Innenraum der Spulenanordnung entlang der Spulenlängsrichtung beweglich angeordnet sein, insbesondere koaxial zu der Spulenanordnung, oder alternativ um ein Äußeres der Spulenanordnung entlang der Spulenlängsrichtung beweglich angeordnet sein, insbesondere koaxial zu der Spulenanordnung, also die Spulenanordnung ringförmig umschließend.
Durch entsprechende elektrische Bestromung zumindest einer der Spulen der Spulenanordnung kann auch eine magnetische Kraft auf das Geberelement in Längsrichtung der Spulenanordnung erzeugt werden, wodurch der Positionssensor auch als Aktor einsetzbar ist und somit als solcher alternativ bezeichnet werden kann. Diese Kraft ist an dem Geberelement abgreifbar und kann zur Manipulation von Vorrichtungen, beispielsweise Schaltelementen eines Fahrzeuggetriebes oder Ventilen, eingesetzt werden. Die erzeugte Kraft kann durch Vorsehen eines Magnetjoches erhöht und beeinflusst werden. Insbesondere kann die Formgebung des Magnetjoches so sein, dass der Positionssensor einen so genannter Proportionalmagneten bildet.
In einer bevorzugten Ausführung des Positionssensors ist die Spulenanordnung in Längsrichtung zumindest kreissegmentförmig ausgeführt, wobei das Geberelement als Winkelpositionsgeber entlang der Längsrichtung der Spulenanordnung zumindest kreissegmentförmig beweglich ist, sodass der Positionssensor einen Winkelpositionssensor bildet. Alternativ dazu ist die Spulenanordnung in Längsrichtung gerade ausgeführt, wobei das Geberelement als Linearpositionsgeber linear entlang der Längsrichtung der Spulenanordnung beweglich ist, sodass der Positionssensor einen Linearpositionssensor bildet.
Zur Erfassung der Position des Geberelements wird die Spulenanordnung besonders bevorzugt zunächst mit einem oder mehreren Spannungssprüngen bestromt. Anschließend wird dann die Sprungantwort der Spulenanordnung (Strom- und/oder Spannungsverlauf) ausgewertet und schließlich hieraus die Position des Geberelements ermittelt. Die Sprungantwort der Spulenanordnung ist von der Position des Geberelements abhängig, da dieses die Induktivität beider Spulen beeinflusst. Da bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Spulenanordnung beide Spulen eine sich gegenläufig verändernde Wicklungsdichte aufweisen, ändert sich die Sprungantwort besonders stark in Abhängigkeit der Position des Geberelementes, wodurch die Position des Geberelementes bezüglich der Spulenanordnung besonders genau auswertbar ist.
Als besonders bevorzugte Verfahren zur Ansteuerung des Positionssensors bzw. Erfassung der Position des Geberelementes in dem Positionssensor haben sich die in den Schriften DE 102005018012 A1 und DE 102008043340 A1 und DE 102011083007 A1 der Anmelderin offenbarte Verfahren erwiesen.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für die obig genannte erfindungsgemäße Spulenanordnung ist gekennzeichnet durch einen ersten Herstellungsschritt, bei welchem die erste, radial innenliegende Spule gewickelt wird, und durch einen zweiten Herstellungsschritt, bei welchem die zweite, radial außenliegende Spule gewickelt wird, und durch einen dritten Herstellungsschritt, bei welchem die erste Spule mit der zweiten Spule elektrisch verbunden wird. Die Herstellungsschritte erfolgen bevorzugt in dieser zeitlichen Staffelung. Durch dieses Herstellungsverfahren ergibt sich eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung der Spulenanordnung. In dem zweiten Herstellungsschritt erfolgt die Wicklung der zweiten Spule bevorzugt derart, dass die einander gegenüberliegenden Enden der Wicklungslagen der ersten und zweiten Spule direkt aneinander anliegen. Somit werden Leerstellen in der Spulenanordnung vermieden und der Füllfaktor der gesamten Spulenanordnung optimiert.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, aus denen weitere bevorzugte Ausbildungen der Erfindung entnehmbar sind. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
1, eine erste bevorzugte Ausführung der Spulenanordnung;
2, eine zweite bevorzugte Ausführung der Spulenanordnung;
3, eine dritte bevorzugte Ausführung der Spulenanordnung;
4, eine bevorzugte Ausführung der Spulenanordnung mit einem Gehäuse;
5, eine erste bevorzugte elektrische Verschaltung der Spulenanordnung;
6, eine zweite bevorzugte elektrische Verschaltung der Spulenanordnung;
7a–c, bevorzugte Ansteuerverfahren der Spulenanordnung;
8a–c, bevorzugte Herstellungsschritte zur Herstellung einer Spulenanordnung.
In den Figuren sind gleiche oder zumindest funktionsgleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1, 2 und 3 zeigen jeweils eine Spulenanordnung mit einer ersten Spule 1 und einer zweiten Spule 2 in einem Längsschnitt entlang der Spulenlängsrichtung X. Eine untere Hälfte der Spulen 1, 2 ist der Übersicht halber nicht dargestellt. Die Spulenlängsrichtung X bildet bevorzugt gleichzeitig eine Symmetrieachse der Spulenanordnung. Die Spulen 1, 2 bilden somit einen gemeinsamen Hohlzylinder um die Spulenlängsrichtung X. Die erste Spule 1 bildet eine radial innere Spule, während die zweite Spule 2 eine radial äußere Spule bildet. Die Spulen 1, 2 sind somit im Wesentlichen koaxial zu der Spulenlängsrichtung X ineinander angeordnet. In der zweiten Spule 2 sind beispielhaft die einzelnen Wicklungen der Spule 2 dargestellt. Sie verlaufen orthogonal zur Zeichnungsebene der Figuren. Die Wicklungen der Spulen 1, 2 sind, wie gezeigt, bevorzugt orthozyklisch zueinander angeordnet, um den Füllfaktor der Spulen 1, 2 zu maximieren. Hieraus ist auch ersichtlich, dass die Spulen 1, 2 aus mehreren radialen Lagen von Wicklungen bestehen. Die Schritte zu bevorzugten Herstellung der Spulenanordnung sind 8a–c und der zugehörigen Beschreibung entnehmbar.
Ein den Spulen 1, 2 zugeordnetes magnetisch leitendes Geberelement ist mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet. Das Geberelement 3 ist entlang der Spulenlängsrichtung X beweglich ausgeführt. Da es magnetisch leitend ausgeführt ist, beeinflusst es die Induktivität der beiden Spulen 1, 2. Hierzu besteht das Gerberelement 3 beispielsweise aus Weicheinsen oder sonstigem ferromagnetischem Material. Zusammen mit der Spulenanordnung ergibt sich somit ein Positionssensor, mittels dessen eine Position des Geberelementes 3 bezüglich der Spulenanordnung, insbesondere eine Position entlang der Spulenlängsrichtung X, ermittelbar ist. Im gezeigten Fall ist das Geberelement 3 in einem Innenraum der Spulen 1, 2 im Wesentlichen koaxial zu diesen angeordnet. Alternativ dazu kann es ringförmig um ein Äußeres der Spulen 1, 2 im Wesentlichen koaxial zu diesen angeordnet sein.
Die erste Spule 1 weist eine in Spulenlängsrichtung X zunehmende Wicklungsdichte auf (von links nach rechts gesehen). Die zweite Spule 2 weist in diese Spulenlängsrichtung X hingegen eine in Spulenlängsrichtung X abnehmende Wicklungsdichte auf (von links nach rechts gesehen). Hierbei ist unter der Wicklungsdichte die Anzahl der Wicklungen pro Längeneinheit in Spulenlängsrichtung X zu verstehen. Somit ändern sich die Wicklungsdichten der Spulen 1, 2 entlang der Spulenlängsachse X gegenläufig. Eine auf das Spulenvolumen bezogene Wicklungsdichte (Wicklungen pro Spulenvolumen) kann in einer bevorzugten Ausbildung daher in Spulenlängsrichtung X weiterhin konstant bleiben, was anhand der beispielhaft gezeigten Wicklungen der zweiten Spule 2 ersichtlich ist. Außerdem kann in einer weiteren bevorzugten Ausführung die Gesamtwicklungsdichte der Spulenanordnung – also beider Spulen 1, 2 zusammen – (Wicklungen pro Längeneinheit in Spulenlängsrichtung X) konstant bleiben, indem die Spulen 1, 2 so gewickelt sind, dass die Wicklungsdichte der ersten Spule 1 in Spulenlängsrichtung X in dem Maße zunimmt, wie die Wicklungsdichte der zweiten Spule 2 abnimmt.
Im Falle der Ausführung nach 1 ändert sich die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule 1, 2 jeweils linear in Spulenlängsrichtung X. Somit ändert sich die Induktivität der ersten und der zweiten Spule 1, 2 im Wesentlich proportional zur Position des Geberelementes 3 entlang der Spulenlängsrichtung X. Hierdurch ist eine einfache Auswertung der Position möglich. Die erste Spule 1 weist dabei eine im Wesentlichen konusförmige Außenfläche auf, während die zweite Spule 2 eine im Wesentlichen konusförmige Innenfläche aufweist, welche an der konusförmigen Außenfläche der zweiten Spule 2 direkt anliegt.
Im Falle der Ausführung nach 2 ändert sich die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule 1, 2 jeweils sprunghaft. Die Spulen 1, 2 weisen jeweils unterschiedliche Längsabschnitte 4 auf (in 2 jeweils insgesamt 4 Längsabschnitte), innerhalb deren die Wicklungsdichte in Spulenlängsrichtung X konstant bleibt. Jeder Längsabschnitt 4 weist im Vergleich zum direkt benachbarten Längsabschnitt 4 eine andere Wicklungsdichte auf. Wenn das Geberelement 3 einen Übergang Ü von einem Längsabschnitt zu einem direkt anschließenden anderen Längsabschnitt 4 passiert, ändert sich hierdurch sprunghaft die Induktivität der Spulen 1, 2, was einfach und eindeutig feststellbar ist. Somit kann sehr robust festgestellt werden, an welchem Übergang Ü der Längsabschnitte 4 sich das Geberelement 3 gerade befindet. Um eine feinere Erkennung der Position des Geberelementes 3 zu bewirken, werden eine Vielzahl an Längsabschnitten 4 und damit Übergängen Ü bereitgestellt.
Eine sprunghafte Änderung der Wicklungsdichte in Spulenlängsrichtung X kann auch zur Darstellung von Referenzpunkten dienen. Beispielsweise kann bei der Ausführung der Spulenanordnung nach 1 eine sprunghafte Änderung der Wicklungsdichte in der axialen Mitte der Spulen 1, 2 vorgesehen sein, um eine Mittelposition des Geberelementes 3 zu kennzeichnen und das Erreichen dieser Mittelposition leicht erfassbar zu machen. Somit können auch definierte Endposition oder andere definierte Referenzpositionen beliebig erzeugt werden.
Im Falle der Ausführung nach 3 weisen die Spulen 1, 2 jeweils drei Längsabschnitte 4a, 4b, 4c auf, wobei sich die Wicklungsdichte im ersten und dritten Längsabschnitt 4a, 4c linear ändert, während sie im zweiten Längsabschnitt 4b konstant bleibt. Am Übergang Ü zwischen den Längsabschnitten 4a, 4b, 4c ist die Wicklungsdichte jeweils gleich. Somit ändert sich die Wicklungsdichte beim Übergang Ü im gezeigten Fall nicht sprunghaft. Es kann allerdings auch hier vorgesehen sein, dass sich die Wicklungsdichte an einem oder mehreren der Übergange Ü sprunghaft ändert. Da die Wicklungsdichte im zweiten Längenabschnitt 4b konstant ist, ändert sich die Induktivität kaum, wenn das Geberelement 3 innerhalb des zweiten Längenabschnittes 4b bewegt wird, entsprechend erschwert ist die Erkennung der Position des Geberelements 3 in diesem Längenabschnitt 4b. Somit können durch gezielt Verteilung von Längenabschnitten mit konstanter Wicklungsdichte und Längenabschnitten mit sich ändernder Wicklungsdichte Bereiche erzeugt, innerhalb welchen die Erfassung der Position des Geberelementes 3 sehr genau erfolgt und Bereiche erzeugt werden, innerhalb welchen die Erfassung der Position des Geberelementes 3 weniger genau erfolgt. Außerdem ist hierdurch eine Linearisierung der Sensorkennlinie möglich. Das bedeutet, dass die Induktivität der Spulenanordnung des Positionssensors linear von der Position des Geberelementes 3 bezüglich der Spulenanordnung entlang der Spulenlängsrichtung X abhängig ist.
Die Spulenanordnung gemäß 4 verfügt über ein Spulengehäuse 5, welches magnetische leitend ist. Hierdurch wird der magnetische Fluss im Inneren der Spulenanordnung im Bereich des Geberelementes 3 deutlich verbessert. Die Genauigkeit der Spulenanordnung zur Erfassung der Position des Geberelementes 3 ist hierdurch deutlich gesteigert. Die Spulen 1, 2 in 4 entsprechen denjenigen aus 1. Das Gehäuse 5 kann jedoch selbstverständlich bei jeder Art von erfindungsgemäßer Spulenanordnung eingesetzt werden, so auch beispielsweise bei den Ausführungen nach 2 oder 3. Das Gehäuse 5 kann auch gezielt als Magnetjoch ausgeführt sein. Somit kann eine durch das magnetische Feld der Spulen 1, 2 erzeugte Kraft auf das Geberelement 3 verstärkt bzw. hervorgerufen werden, wenn die Spulenanordnung entsprechend elektrisch bestromt wird. Der aus der Spulenanordnung und dem Geberelement 3 gebildete Positionssensor kann dann als Aktor dienen, indem die auf das Geberelement 3 wirkende Magnetkraft zur Betätigung einer Vorrichtung, wie beispielsweise einem Ventil oder einem Fahrzeuggetriebeschaltelement, genutzt wird.
5 und 6 zeigen jeweils eine bevorzugt elektrisch geschaltete Ausführungen der Spulenanordnung bzw. des Positionssensors. Bei der Ausführung nach 5 sind die beiden Spulen 1, 2 elektrisch direkt hintereinander in Reihe geschaltet, wobei zwischen den Spulen ein Messabgriff 6, also ein elektrischer Messanschluss, vorgesehen ist. Die in Reihe geschalteten Spulen 1, 2 sind hierbei zwischen zwei elektrischen Potentialen geschaltet, im Detail einer Spannungsquelle Ub und einer Erdung oder Masse Gnd. Eine der Spulen 1, 2 befindet sich also zwischen dem Messabgriff 6 und der Spannungsquelle Ub und die andere der Spulen 1, 2 befindet sich zwischen dem Messabgriff 6 und der Erdung oder Masse Gnd. Ein durch die Spulen 1, 2 fließender elektrischer Strom ist mit i bezeichnet. Die Spulenanordnung bildet durch die Reihenschaltung einen Spannungsteiler. Dementsprechend teilt sich die Gesamtspannung zwischen Ub und Gnd auf die Spulen 1, 2 auf, und zwar in Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes der Spulen. Dieser ist bei einer Bestromung der Spulen 1, 2 mit einem Spannungssprung bzw. mit Wechselspannung wiederrum von der Induktivität der jeweiligen Spule 1, 2 abhängig, welche andererseits von der Position des Geberelements 3 bezüglich der Spulenanordnung abhängt. Somit lässt sich anhand des Spannungspotentials am Messabgriff 6 die Position des Geberelementes 3 feststellen.
Bei der Ausführung nach 6 sind die Spulen 1, 2 jeweils elektrisch in Reihe mit einem Vergleichswiderstand 7 geschaltet. Einer oder beide der Vergleichswiderstände 7 können einen änderbaren elektrischen Widerstand (ohmscher Widerstand) aufweisen, beispielsweise handelt es sich hierbei um Potentiometer. Die Reihenschaltungen aus Vergleichswiderstand 7 und Spule 1, 2 sind zueinander parallel zwischen zwei elektrischen Potentialen geschaltet, im Detail einer Spannungsquelle Ub und einer Erdung oder Masse Gnd. Somit bilden jede Reihenschaltung aus Vergleichswiderstand 7 und Spule 1, 2 einen separaten Zweig einer so genannten Wheatstoneschen Messbrückenschaltung, wobei jeweils ein Messabgriff 6 zwischen jeder der Spulen 1, 2 und dem dazu in Serie geschalteten Vergleichswiderstand 7 vorgesehen ist. Hierdurch teilt sich der durch die Spulenanordnung fließende elektrische Gesamtstrom i auf die beiden Zweige auf. Innerhalb jedes Zweiges wird durch die jeweilige Spule 1, 2 und den Vergleichswiderstand 7 ein Spannungsteiler gebildet. Somit bildet sich ähnlich zur Ausführung nach 5 in Abhängigkeit der Induktivität der Spule 1, 2 ein bestimmtes Spannungspotential an jedem Messabgriff 6 aus. Das resultierende Spannungspotential zwischen den beiden Messabgriffen 6 ist mit dU bezeichnet. Anhand von dU kann dann die Position des Geberelementes 3 bezüglich der Spulenanordnung ermittelt werden.
Sofern einer oder beide der Vergleichswiderstände 7 einen änderbaren elektrischen Widerstand aufweisen, kann dieser Widerstand so eingestellt werden, dass dU im Wesentlichen den Wert null annimmt (= kein Spannungspotential zwischen den Messabgriffen 6) und dann anhand des eingestellten Wertes des Widerstands die Position des Geberelementes 3 bezüglich der Spulenanordnung ermittelt werden. Gegebenenfalls erfolgen dann mehrere Spannungssprünge, um dU bei jedem Spannungssprung sukzessive näher auf den Wert null einzustellen.
Die 7a bis 7c zeigen jeweils Möglichkeiten zur elektrischen Bestromung (Ansteuerung) der Spulenanordnung, beispielsweise der elektrisch verschalteten Spulenanordnung nach 5 oder 6. Auf der Ordinatenachse ist die elektrische Spannung U aufgetragen, auf der Abszissenachse ist die Zeit ti aufgetragen.
Gemäß 7a wird die Spulenanordnung mit einer rein positiven Spannung elektrisch bestromt, die einen im Wesentlichen rechteckförmigen zeitlichen Verlauf aufweist (positive Rechteckschwingung), also mit möglichst steilen Flanken. Gemäß 7b wird die Spulenanordnung mit einer Wechselspannung elektrisch bestromt, die ebenfalls einen rechteckförmigen zeitlichen Verlauf aufweist, und gemäß 7c wird die Spulenanordnung mit einer Wechselspannung elektrisch bestromt, die einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf aufweist. Alternativ kann beispielsweise auch ein sägezahnförmiger zeitlicher Verlauf der Spannung gewählt werden. Außerdem kann die Spannung rein negativ oder rein positiv sein oder Wechselanteile aufweisen. Durch Wechselanteile kann die Problematik der magnetischen Remanenz in den Spulen 1, 2 abgeschwächt oder sogar gänzlich beseitigt werden, da hierdurch die nach einem Spannungsimpuls in jeder Periode T zurückbleibenden magnetischen Felder in den Spulen 1, 2 zumindest zum Teil durch einen nachfolgenden, entgegengesetzten Spannungsimpuls in der nachfolgenden Periode T abgeschwächt oder ausgelöscht werden.
Der Tastgrad der Spannungsschwingungen, also das Verhältnis zwischen Impulsdauer t und Periodendauer T kann geeignet gewählt werden. Im dargestellten Fall beträgt der Tastgrad ca. 50%, was jedoch nur beispielhaft ist.
In 8a bis 8c sind bevorzugte Herstellungsschritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung dargestellt. In einem ersten Herstellungsschritt (8a) wird die erste Spule 1 gewickelt, welche die radial innere Spule der Spulenanordnung bildet. Hierbei wird zuerst eine innerste Lage der Wicklungen schraubenförmig entlang der Spulenlängsrichtung X aufgewickelt, beispielsweise auf einem zylinderförmigen Trägerelement (nicht gezeigt), das in der Spulenanordnung verbleibt oder nach deren Herstellung entnommen wird. Die ersten sechs Reihen der ersten Wicklungslage sind in 8a beispielhaft im Querschnitt dargestellt. Anschließend wird die zweite Lage der Wicklungen in entgegengesetzter Richtung zur ersten Lage schraubenförmig entlang der Spulenlängsrichtung X aufgewickelt, radial beabstandet zu der ersten Lage. Die Herstellung der weiteren Wicklungslagen erfolgt hierzu analog, d.h. jede Lage wird in entgegengesetzter Richtung zu der direkt vorhergehenden Wicklungslage schraubenförmig entlang der Spulenlängsachse X gewickelt. Um einen möglichst großen Füllfaktor der Spulen 1, 2 zu erreichen, sind die Wicklungen dabei orthozyklisch angeordnet.
Je nachdem, wie sich die Wicklungsdichte in Spulenlängsrichtung X ändern soll (sprunghaft ansteigend, linear ansteigen, etc.), sind die Wicklungslagen in Spulenlängsrichtung X unterschiedlich lang ausgeführt. Zur Erzeugung eines linearen Anstiegs der Wicklungsdichte, nimmt die Länge l der Wicklungslagen der ersten Spule 1 kontinuierlich ab, d.h. jede Wicklungslage ist um einen vorgegebenen Betrag kürzer, als die direkt vorhergehende Wicklungslage. Zur Erzeugung von mehreren Längsabschnitten mit jeweils gleichen Wicklungsdichten nimmt die Länge l der Wicklungslagen sprunghaft ab, d.h. es werden beispielsweise direkt hintereinander zwei oder mehr Wicklungslagen mit einer identischen Wicklungslänge gewickelt und anschließend eine dritte und eine vierte Wicklungslage mit einer untereinander identischen, jedoch zur ersten und zweiten Lage kürzeren Länge l gewickelt, wodurch sich ein Übergang der Wicklungsdichte am verkürzten Ende der dritten und vierten Wicklungslage ergibt.
Im in 8a gezeigten, beispielhaften Fall nimmt die Wicklungsdichte der ersten Spule 1 im Wesentlichen linear zu. Somit verkürzt sich die Länge l jeder einzelnen Wicklungslage gegenüber der unmittelbar vorhergehenden Lage kontinuierlich und zwar so lange, bis die gewünschte Anzahl an Wicklungen oder der gewünschte Außendurchmesser erreicht ist.
In einem zweiten Herstellungsschritt (8b) wird die zweite Spule 2 gewickelt, welche die radial äußere Spule der Spulenanordnung bildet. Hierzu wird ebenfalls zunächst eine innerste Lage der Wicklungen schraubenförmig entlang der Spulenlängsrichtung X aufgewickelt. Anschließend wird die zweite Lage in dazu entgegengesetzte Richtung schraubenförmig entlang der Spulenlängsrichtung X aufgewickelt, radial beabstandet zu der ersten Lage. Die Herstellung der weiteren Wicklungslagen erfolgt hierzu analog, d.h. jede Lage wird in entgegengesetzter Richtung zu der direkt vorhergehenden Wicklungslage schraubenförmig entlang der Spulenlängsachse X gewickelt. Um einen möglichst großen Füllfaktor zu erreichen, sind die Wicklungen orthozyklisch angeordnet. Im Gegensatz zu der ersten Spule 1 nimmt die Wicklungslänge l der zweiten Spule allerdings zu und zwar bevorzugt in dem Maße, in welchem die Wicklungslänge der ersten Spule 1 abnimmt. Außerdem erfolgt die Wicklung der Lagen der zweiten Spule 2 bevorzugt derart, dass die einander zugewandten Enden der Wicklungslagen der ersten und der zweiten Spule 1, 2 direkt aneinander anliegen. Hierdurch werden Lücken in der Spulenanordnung vermieden und der Füllfaktor optimiert. Um eine möglichst homogene Spulenanordnung mit einem hohen Füllfaktor zu erhalten, sind die Drähte der Spulen 1, 2 grundsätzlich möglichst gleich dick ausgeführt.
In einem dritten Herstellungsschritt (8c) werden die beiden fertig gewickelten Spulen 1, 2 elektrisch miteinander verbunden. Dies kann, wie in 8c dargestellt, durch elektrische Kontaktierung zweier benachbarter freier Enden der Drähte der Spulen 1, 2 direkt an der Spulenanordnung erfolgen (mittels des Verbindungsleiters 8) oder alternativ derart, dass die freien Enden Drähte der Spulen 1, 2 elektrisch in eine direkt benachbarte oder entfernt beabstandete Elektronik geführt werden, wo Sie entsprechend der gewünschten Verschaltung (siehe 5 und 6) elektrisch verbunden werden, ggf. zusammen mit anderen elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen.
Es sei angemerkt, dass sich durch die in 8c gezeigte elektrische Verbindung der Spulen 1, 2 mittels des Verbindungsleiter 8 die in 5 veranschaulichte Reihenschaltung der Spulen 1, 2 ergibt. Der Verbindungsleiter 8 ist dementsprechend zur Bildung des Messabgriffs 6 elektrisch kontaktierbar ausgeführt (angedeutet durch den rechten Pfeil), während die verbleibenden Enden der Spulendrähte mit jeweils einem elektrischen Potential elektrisch kontaktierbar ausgeführt sind (angedeutet durch die beiden linken Pfeile).
Die zeitliche Staffelung des ersten, zweiten und dritten Herstellungsschrittes ist bevorzugt in dieser Reihenfolge, also erfolgt bevorzugt zuerst der erste Schritt, dann der zweite Schritt und schließlich der dritte Schritt. Durch die aufgezeigten Herstellungsschritte ergibt sich ein einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Spulenanordnung.
Bezugszeichenliste

1: erste Spule
2: zweite Spule
3: Geberelement
4, 4a–c: Längsabschnitt
5: Gehäuse
6: Messabgriff
7: Vergleichswiderstand
8: Verbindungsleiter
dU: resultierendes elektrisches Spannungspotential
Gnd: elektrische Erdung, Masse
i: elektrischer Strom
l: Länge einer Wicklungslage
t: Impulsdauer
T: Periodendauer
ti: Zeit
U: elektrische Spannung
Ub: elektrische Spannungsquelle
X: Spulenlängsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3801779 C2 [0005]
DE 102005018012 A1 [0023]
DE 102008043340 A1 [0023]
DE 102011083007 A1 [0023]

Claims

Spulenanordnung, insbesondere für einen Positionssensor, mit einer ersten Spule (1) und einer zweiten Spule (2), die miteinander elektrisch verbunden sind und im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die erste Spule (1) eine in Längsrichtung (X) der Spulenanordnung zunehmende Wicklungsdichte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spule (2) eine in die Längsrichtung (X) der Spulenanordnung abnehmende Wicklungsdichte aufweist.
Spulenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Wicklungsdichte der ersten Spule (1) in Längsrichtung der Spulenanordnung im Wesentlichen in dem Maß zunimmt, wie die Wicklungsdichte der zweiten Spule (2) abnimmt.
Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei sich die Wicklungsdichten der ersten und zweiten Spule (2) linear ändern.
Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule (2) abschnittsweise sprunghaft ändern.
Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich die Wicklungsdichte der ersten und zweiten Spule (1, 2) in einem ersten Längsabschnitt (4a) ändert, insbesondere linear, und in einem an den ersten Längsabschnitt (4a) anschließenden zweiten Längsabschnitt (4b) konstant ist, und sich in einem an den zweiten Längsabschnitt anschließenden dritten Längsabschnitt (4c) ändert, insbesondere linear.
Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste und zweite Spule (2) elektrisch in Reihe direkt hintereinander geschaltet sind, mit einem Messabgriff (6) zwischen den Spulen (1, 2).
Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste und zweite Spulen (1, 2) jeweils in Reihe mit einem Vergleichswiderstand (7) geschaltet sind, und wobei jede der Spulen (1, 2) mit dem in Reihe geschalteten Vergleichswiderstand (7) einen Zweig einer Wheatstoneschen Messbrückenschaltung bildet, und wobei jeweils ein Messabgriff (6) zwischen jeder Spule (1, 2) und dem dazu in Reihe geschalteten Vergleichswiderstand (7) vorgesehen ist.
Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein magnetisch leitendes Gehäuse (5) vorgesehen ist, innerhalb dessen die Spulen (1, 2) angeordnet sind, zur magnetischen Beeinflussung des magnetischen Flusses innerhalb der Spulenanordnung.
Positionssensor, mit einer Spulenanordnung (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen und mit einem magnetisch leitenden Geberelement (3), welches entlang der Längsrichtung (X) der Spulenanordnung als Positionsgeber beweglich angeordnet ist.
Positionssensor nach Anspruch 9, wobei die Spulenanordnung (1, 2) in Längsrichtung (X) zumindest kreissegmentförmig ausgeführt ist und das Geberelement (3) entlang der Spulenanordnung (1, 2) zumindest kreissegmentförmig beweglich ist, als Winkelpositionsgeber, sodass der Positionssensor einen Winkelpositionssensor bildet.
Positionssensor nach Anspruch 9, wobei die Spulenanordnung (1, 2) in Längsrichtung gerade ausgeführt ist und das Geberelement linear entlang der Längsrichtung der Spulenanordnung (1, 2) beweglich ist, als Linearpositionsgeber, sodass der Positionssensor einen Linearpositionssensor bildet.
Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in einem ersten Herstellungsschritt die erste, radial innenliegende Spule (1) gewickelt wird, und wobei in einem zweiten Herstellungsschritt die zweite, radial außenliegende Spule (2) gewickelt wird, und wobei in einem dritten Herstellungsschritt die erste Spule (1) mit der zweiten Spule (2) elektrisch verbunden wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei im zweiten Herstellungsschritt die Wicklung der zweiten Spule (2) derart erfolgt, dass die einander gegenüberliegenden Enden der Wicklungslagen der ersten und zweiten Spule (1, 2) direkt aneinander anliegen.