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Die Erfindung betrifft ein magnetisches Kernelement, insbesondere zur Verwendung in einem Wegsensor mit einem Differenzialtransformator, einen Sensor mit dem erfindungsgemäßen Kernelement und ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kernelements.
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Viele Anwendungen zur Messwerterfassung werden mit magnetischen Sensoren durchgeführt. Dazu werden der eigentliche Sensor und ein Dauermagnet verwendet. Diverse magnetische Sensorprinzipien kommen zum Einsatz. Für die Wegmessung bzw. Positionserfassung hat sich seit Jahren ein Prinzip bewährt, das aus einem Differentialtransformator besteht. So ein Transformator ist typischerweise folgender maßen aufgebaut: Auf einem weichmagnetischen Kern wird eine langgestreckte Spule, die sog. Primärspule gewickelt. Außerhalb der Spulen befinden sich ein weiterer gleichartiger Kern, der den magnetischen Kreis schließt. Dieser Kern wird Rückschlusskern genannt.
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Die Primärspule dient dazu in dem weichmagnetischen Kern einen magnetischen Wechselfluss zu erzeugen. An den Enden des Kerns werden jeweils kurze Spulen gewickelt, die sog. Sekundärspulen. Diese Spulen dienen dazu die magnetischen Teilflüsse im Kern auszulesen. Diese Teilflüsse werden durch einen Dauermagneten erzeugt, der den magnetischen Fluss der Primärspule in zwei Teilflüsse im Kern aufteilt indem er den Kern lokal sättigt und dadurch für den magnetischen Wechselfluss im Kern unterbricht. Die Differenzen der in den Sekundärspulen induzierten Spannungen sind ein Maß für die Position des Magneten.
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Als Kerne werden häufig Streifen von Folien aus weichgeglühten Nickel-Eisen-Legierungen verwendet und übereinander zu einem Kern gestapelt. Die Folien haften von sich aus nicht aneinander und müssen daher für die weitere Verarbeitung zu einem Sensor so vorbereitet werden, dass sie als Stapel zusammenhalten.
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Diese kristallinen Werkstoffe haben neben ihren hervorragenden magnetischen Eigenschaften, wie hohe Permeabilität und niedrige Koerzitivfeldstärke, auch ein paar Nachteile. Dazu gehören die magnetostriktiven Eigenschaften. Die Magnetostriktion dieser Materialien ist ungleich Null. Mechanischer Stress würde deshalb die magnetischen Eigenschaften magnetischer Kerne aus diesen Materialien ändern. Die schließt u. a. aus, das Differentialtransformatoren mit Kunststoff umspritzt werden. Ferner hat es sich auch als nicht praktikabel erwiesen die Folien mittels eines Klebers zusammen zu kleben. Dies erhöht zum einen die Dicke des gesamten Stapels, weil die Klebeschicht zwischen den Folien einen gewissen Raum einnimmt. Des Weiteren haben sich Schwierigkeiten dahingehend ergeben, dass die Klickschichten bei höheren Temperaturen, beispielsweise bei der Herstellung des Sensors, als nicht stabil genug erwiesen haben. Auch haben sich andere Lösungen wie beispielsweise Kunststoffhüllen oder Kunststoffziehteile, in denen der Stapel hineingelegt und mit einer Folie abgeschlossen wird als unbeständig erwiesen. Insbesondere beim um Spritzen des Kerns mittels eines Kunststoffs platzten die Höhlen oder Kunststoffziehteile aufgrund des Spritzgussdruckes bzw. Temperatur des flüssigen Kunststoffs auf. Nachteilig war zudem der hohe Aufwand zum verpacken des Stapels.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Verpackungsmöglichkeit des Stapels aufzuzeigen, die mit möglichst geringem Aufwand durchführbar ist und insbesondere sich bei höheren Temperaturen und Drücken als beständig erweist.
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Die Erfindung wird gelöst gemäß einem magnetischen Kernelement mit den Merkmalen nach Anspruch 1.
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Es hat sich als besonders einfach und beständig erwiesen, den Stapel der Folien mittels einer Haltefolie zu umwickeln, insbesondere zum Schließen. Die Erfindung basiert dabei auf den Grundgedanken, dass die Haltefolie aus einem Stück aufgebaut ist und um den Stapel herumgewickelt wird. Dadurch erübrigen sich unnötige Fügestellen, die bspw. bei höheren Drücken und Temperaturen beim Umspritzen des magnetischen Kernelements aufgeplatzt sind. Im Vergleich zu den alternativen Lösungen, wie vorstehend beschrieben, hat die erfindungsgemäße Lösung zwar eine geringere mechanische Steifigkeit. Diese kann jedoch durch weitere konstruktive Gestaltung des Sensors, in die das Kernelement eingebaut wird, ausgeglichen werden. Die Verwendung einer Haltefolie ist daher zum einen besonders einfach und kostengünstig und zum anderen auch besonders haltefähig was Druck und Hitzebelastungen angeht.
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Die Haltefolien sind vorzugsweise vollständig um den Stapel der Folien herumgewickelt. Es ist jedoch auch denkbar, die Folien nicht vollständig um den Stapel herum zu wickeln. Wesentlich ist zum einen, dass die Folien so um den Stapel herum gewickelt sind, dass die Folien als Stapel aneinander verbleiben. Zum anderen ist es wesentlich, dass die Haltefolie so an dem Stapel ansetzt, dass es auch bei einer Einspritzung des Stapels mittels eines Kunststoffs sich nicht von dem Stapel löst.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Haltefolie mindestens eine Klebeschicht auf. Mittels der Klebeschicht wird auf besonders einfache Weise die Verbindung zwischen der Haltefolie und dem Stapel bzw. den Folien erreicht. Es ist besonders vorteilhaft, dass die Klebeschicht zu einer Seite der Haltefolie durchgängig ausgebildet ist. Denkbar ist es jedoch auch, die Klebeschicht nur partiell auf eine Oberfläche der Haltefolie anzubringen und nur Teilabschnitte des Stapels mit der Haltefolie zu verkleben.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Haltefolien nur um eine Achse des Stapels gewickelt und es bleibt mindestens eine Seite des Stapels von der Haltefolie unbedeckt. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass über die unbedeckte Seite Luft entweichen kann. Somit hat eine äußere Druckveränderung auf das Kernelement keine Auswirkung auf die Verbindung zwischen der Haltefolie und dem Stapel. Es hat sich nämlich bei geschlossenen Verpackungen herausgestellt, dass die Verpackungen nicht unter Einhaltung von Kostengesichtungspunkten so belastbar ausgeführt werden konnten, um auch Druckbelastungen unter Vakuum auszuhalten. Im Ergebnis sind die Verpackungen aufgeplatzt oder haben sich verformt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Haltefolie um die Längsachse des Stapels herum gewickelt und erstreckt sich im Wesentlichen entlang der längeren Seite des Stapels. Vorzugsweise weisen die Folien bzw. Stapel eine Streifenform auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Haltefolie nur einfach um den Stapel gewickelt, wobei die Ränder der Haltefolie in etwa auf der Mitte auf einer Stapeloberfläche aneinander angrenzen. Die Ausführungsform ist besonders materialsparend und einfach in der Herstellung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Haltefolie auf einer Seite des Stapels teilweise überlappend angeordnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Haltefolie derart um den Stapel gewickelt, dass mindestens zwei Lagen der Haltefolie auf jeder Stapeloberfläche vorgesehen sind. Diese und die vorstehende Weiterbildungen sind besonders stabil und können auch für höhere drücke und Temperaturen verwendet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Material der Folien so ausgewählt, dass es im Wesentlichen keiner magnetostriktiven Deformation unterliegt und / oder eine amorphe Struktur aufweist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine Verformung, insbesondere Verlängerung, der Folien bzw. Stapel auch bei äußerer magnetischer Einwirkung nicht stattfindet und somit die Verbindung zwischen dem Stapel und der Haltefolie nicht beeinträchtigt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung enthält die Haltefolie PET oder Polymide oder ist aus Kapton hergestellt. Für die Anwendungszwecke in einem Wegsensor haben sich diese Haltefolien als besonders günstig und beständig erwiesen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Stapel der Folien und die Haltefolien mit einem Kunststoff umspritzt. Das Umspritzen des Kernelements mittels eines Kunststoffs, beispielsweise ein Drucklast, ist besonders für das anbringen der Spulen vorteilhaft und erhöht die mechanische Belastbarkeit des Kernelements.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst gemäß einem Sensor, insbesondere Wegsensor, mit einem Kernelement nach einem der vorgenannten Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch weitergebildet, dass die Folien auf einer verfahrbaren Haltevorrichtung gestapelt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch weitergebildet, dass der Stapel mittels der Haltevorrichtung an die Haltefolie herangefahren wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch weitergebildet, dass die überstehenden Abschnitte gleichzeitig um die Haltefolie gewickelt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch weitergebildet, dass das Kernelement unter Vakuum ausgesetzt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kernelements,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kernelements, und
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kernelements.
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1 zeigt ein magnetisches Kernelement 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel zur Verwendung in einem Wegsensor mit einem Differentialtransformator. Das Kernelement 1 umfasst mehrere aufeinander gestapelte Folien 2 enthaltend ein magnetisches Material. Die Folien 2 bilden einen Stapel 3. Eine Haltefolie 4 ist um den Stapel 3 der Folien 2 derart herum angelegt, so dass die Folien 2 mittels der Haltefolie 4 in der zueinander gestapelten Position gehalten werden. Die in 1 dargestellte Ansicht zeigt den Querschnitt des Kernelements 1. Die Folien 2 sind vorzugsweise streifenförmig. Die Länge wesentlich länger ist als die Breite des Stapels 3. Somit hat das Kernelement 1 selbst auch eine Streifenform.
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Die Folien 2 sind aus einem Material hergestellt, bei dem sich mittels äußerer magnetischer Einwirkungen ein Wechselfluss innerhalb der Folien 2 bzw. des Kerns erreichen lässt. Die Dicke der Folien 2 liegt im Bereich von Mikrometern, typischerweise 20 µm. Das Kernelement 1 als solche hat üblicherweise eine Dicke von Bruchteilen von Millimetern, beispielsweise 0,5 mm, so dass zum Erreichen dieser Dicke des Kernelements 1 mehrere Dutzend von Folien 2 notwendig sind. Die Länge der Folien befindet sich im Bereich von mehreren Zentimetern, bspw. 3–5cm. Das Gewicht der Folien beträgt entsprechend nur Bruchteile von einem Gramm und ist sehr fein ausgestaltet. Die Herausforderung der Erfindung liegt unter anderem darin die Folien möglichst schonend und in einer ebenförmigen Stapelform zu verpacken.
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Das Material der Folien 2 derart ausgewählt oder hergestellt, dass es im Wesentlichen keiner magnetostriktiven Deformation unterliegt. Materialien, die für die Folien 2 verwendet werden können, sind beispielsweise Nickel-Eisen-Legierungen. In einer kristallinen Struktur kann dieses Materiali magnetostriktive Eigenschaften aufweisen, die ungleich Null ist. Es ist daher vorteilhaft, den Herstellprozess derart anzupassen, dass die Folien 2 eine amorphe Struktur aufweisen. Dies kann beispielsweise durch eine sehr abrupte Abkühlung der Folien 2 erreicht werden.
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Die Oberflächen der Folien 2 selbst sind nicht klebend, so dass die Folien 2 nicht aneinander haften. Es ist daher notwendig, dass die Folien 2 verpackt werden, so dass sie auch bei weiterer Verarbeitung die Stapelform beibehalten. Hierzu wird die Haltefolie 4 verwendet.
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Die Haltefolie 4 hat eine Klebeschicht, um mit den Folien 2 bzw. dem Stapel 3 geklebt zu werden. Die Haltefolie 4 ist um die Längsachse des Stapels 3 gewickelt. Die Enden bzw. kurzen Seiten des Stapels 3 werden nicht mittels der Haltefolie 4 bedeckt, so wie es in den Figuren dargestellt ist. Zwischen dem Stapel 3 und der Haltefolie 4 können kleine Freiräume 5 entstehen, die jedoch verschwinden, wenn das Kernelement 1 unter Vakuum gesetzt wird. Hierfür ist es vorteilhaft, dass die enden nicht von der Haltefolie 4 bedeckt werden, um einen Druckausgleich zu ermöglichen. Die Haltefolie kann aus Folien mit PET oder Polymide oder aus Kapton hergestellt sein.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 1 ist die Haltefolie 4 nur einfach um den Stapel gewickelt. Die Haltefolie ist derart dimensioniert, dass die Ränder 40 der Haltefolie in etwa auf der Mitte auf einer Stapeloberfläche 30 aneinander angrenzen. Die Anordnung der Fügestelle 41 der Ränder 40 ist unter anderem für die spätere Verarbeitung des Kernelements 1 relevant. Beim Umspritzen des Kernelements 1 mittels eines Kunststoffs ist es von Vorteil, dass Kernelement 1 an den Stapeloberflächen 30, 31 abzustützen. Es ist daher wichtig, dass die Seitenflächen der Haltefolie 4 geschlossen sind und keine Fügestellen aufweisen, die durch erhöhte Druckeinwirkung aufgehen könnten. Das erste Ausführungsbeispiel stellt eine beste Lösung hinsichtlich des Materialaufwands dar.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt, dass sich im wesentlichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel deckt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist die Haltefolie 4 an der Stapeloberfläche 30 zweifach bzw. zweilagig ausgeführt, so dass sich die Haltefolie 4 hier abschnittsweise überlappt. Diese Anordnung der Haltefolie 4 ist besonders einfach herstellbar, da hier keine genaue Positionstoleranz hinsichtlich der Anordnung der Haltefolie 4 im Bereich der oberen Stapeloberfläche 30 notwendig ist.
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Das dritte Ausführungsbeispiel aus 3 zeigt eine Erweiterung des zweiten Ausführungsbeispiels, bei der an beiden Stapeloberflächen 30, 31 die Haltefolie 4 zweilagig ausgeführt ist. Die Haltefolie 4 wird hierzu an einer Kante der Stapeloberfläche 30 angesetzt und in oder gegen den Uhrzeigersinn um die Längsachse des Stapels 3 gewickelt. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass zum einen eine ungefähre Positionierung der Haltefolie 4 auf der Stapeloberflächen 30 ausreicht (vgl. zweites Ausführungsbeispiel) und gleichzeitig aber auch die Folien sehr stark in der gestapelten Position gehalten werden. Die zu drei Seiten des Stapels 3 zweilagig ausgeführte Haltefolie 4 erhöht die Beständigkeit der Verpackung mittels der Haltefolie 4.
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Die Herstellung des Kernelements 1 kann wie folgt durchgeführt werden. Im ersten Schritt werden die Folien 2 zu einem Stapel 3 gestapelt. Beispielsweise können die Folien auf der Haltefolie als Untergrund gestapelt werden und / oder in einem Hohlraum, wo sie durch seitliche Begrenzungen zu einem Stapel gehalten werden. Nach der letzteren Variante wird die Haltefolie 4 an eine Stapeloberfläche 30, 31 angelegt. Anschließend werden überstehende Abschnitte der Haltefolie 4 um den Stapel 3 gewickelt.
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Vorteilhafterweise sollte der Stapel auf einer verfahrbaren Haltevorrichtung gestapelt werden um anschließend mittels der Haltevorrichtung an die Haltefolie 4 oder mit der Haltefolie verfahren werden zu können. Ferner kann das Kernelement dadurch stabiler ausgebildet werden, indem das Kernelement 1 unter Vakuum ausgesetzt wird.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorgenannten Ausführungsbeispiele, sondern umfasst auch weitere Varianten zum unbequem der Haltefolie 4 um den Stapel 3. Auch kann das Kernelement in einer Vielzahl von Sensoren eingesetzt werden, bei denen magnetische oder weichmagnetische Kernelemente zum Einsatz kommen. Ferner sind auch die Materialen der Folien 2 und Haltefolie 4 entsprechend an die Anforderungen anzupassen.
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Die Vorteile der Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen: geringe Kosten auf Grund eines geringen Materialeisatzes, geringe Kosten, da die Verpackung nur aus einem Material besteht, erhöhte Stabilität, insbesondere beim Umspritzen, da die Verpackung keine Schwachstellen wie schmale Klebe-/Schweißverbindungen benötigt, und geringe Investitionskosten, weil weder aufwändige Werkzeuge, noch teure Bearbeitungsmaschinen wie z.B. Schneidlaser benötigt werden
