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Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Kolben-Zylinder-Anordnung nach den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 10.
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In Kupplungsbetätigungssystemen in Kraftfahrzeugen werden Linearwegmesssysteme eingesetzt, um die Position eines, von einem Kupplungsgeberzylinder umgebenen Kolbens des Kupplungsbetätigungssystems zu erfassen. Als Sensorsysteme werden in solchen Linearwegmesssystemen Wegsensoren eingesetzt, welche beispielsweise als Hall-Effekt-Sensor oder als AMR/GMR-Sensoren ausgebildet sind. Hall-Effekt-Sensoren tasten dabei das von dem, am Kolben befestigten Magneten aufgespannte Magnetfeld ab, um die Position des Kolbens zu detektieren. Der Kolben ist dabei axial beweglich im Zylinder gelagert, während der Hall-Effekt-Sensor außen am Kupplungsgeberzylinder befestigt ist. Ein solches Linearwegmesssystem ist aus der
DE 10 2012 219 183 A1 bekannt.
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Bei den Hall-Effekt-Sensoren wird als Target ein Magnet benutzt, welcher über eine definierte Wegstrecke (Messweg) ein vorgegebenes Magnetfeld liefern muss. Da die Seltenen-Erd-Magnete sehr teuer sind, wird die Länge der Magneten immer auf ein Minimum reduziert. Hierdurch ergeben sich Schwachstellen im Randbereich des Messweges, wo die Feldstärke des Magnetfeldes am Sensor stark absinkt. Problematisch beim Einsatz ist nicht nur der Abfall der Magnetfeldstärke an den Enden, sondern gegebenenfalls auch in der Mitte des Magneten. Dieser Nachteil könnte durch längere Magneten behoben werden, was aber insbesondere bei der Verwendung von Seltene-Erd-Magneten sehr kostspielig ist.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Sensorsystem anzugeben, welches kostengünstig herstellbar ist und trotzdem ein genaues Ausgangssignal bei einer linearen Wegmessung liefert.
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Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Magnet in einer sich in Bewegungsrichtung erstreckenden Ausdehnung durch mindestens einen Flussleitkörper erweitert ist. Durch die Anbringung des Flussleitkörpers an dem Magneten wird ein Magnetfeld erzeugt, das eine magnetische Flussdichte aufweist, die der eines längeren Magneten entspricht. Dadurch wird zuverlässig in einem vorgegebenen Abstand zwischen Magneten und Sensor ein bestimmtes Minimalmagnetfeld erzeugt, so dass der Sensor optimal arbeiten kann. Aufgrund der Verwendung dieses Flussleitkörpers können kleinere Seltene-Erd-Magnete verwendet werden, wodurch sich kostengünstig die für die Linearwegmessung notwendigen Magnete als Target verwenden lassen.
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Vorteilhafterweise ist der Flussleitkörper an mindestens einem Ende des Magneten befestigt. Dadurch wird die effektive Magnetlänge vergrößert, da der Flussleitkörper durch den als Permanentmagneten ausgebildeten Magneten magnetisiert wird. Der Flussleitkörper fungiert somit als Verlängerung des eigentlichen Magneten.
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In einer Ausgestaltung bildet der Flussleitkörper ein Zwischenstück zwischen zwei räumlich getrennten Magneten. Durch die Verwendung dieses Magneten als Zwischenstück wird eine Verlängerung der magnetischen Feldstärke des aufgespannten Magnetfeldes erreicht.
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In einer weiteren Ausführungsform liegen die beiden räumlich getrennten Magneten beidseitig an dem Zwischenstück an. Dadurch dient das Flussleitstück gleichzeitig als Abstandshülse zur Befestigung und Halterung der Magneten. Gleichzeitig wird ein Einbrechen des Magnetfeldes in der Mitte der Gesamtweglänge des zusammengesetzten Magneten erheblich reduziert.
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In einer Variante weisen die räumlich getrennten Magneten entgegengesetzte Magnetisierungsrichtungen auf. Dabei werden bei der Ausbildung des Flussleitkörpers als Zwischenstück Kräfte kompensiert, die durch die gegensätzliche Orientierung der an dem Flussleitkörper angrenzenden Magneten entstehen. Durch diese Kompensation ist eine einfachere Handhabung dieser Magneteinheit in dem Sensorsystem möglich. Darüber hinaus ziehen sich die beiden Magnete und das dazwischenliegende Flussleitstück an, da an der Oberfläche des ferromagnetischen Materials des Dauermagneten ein entgegengesetzt orientiertes Magnetfeld generiert wird.
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In einer Ausgestaltung sind die Magneten und der Flussleitkörper in Bewegungsrichtung alternierend zu einer Kette angeordnet, wobei beide Enden der Kette mit einem Flussleitkörper abschließen. Diese Kombination aus multiplen axial gegensätzlich magnetisierten Magneten, welche durch die als Flussleitkörper ausgebildeten Abstandshalter voneinander getrennt sind, ist eine beliebige Verlängerung der Magneteinheit möglich, so dass die Länge des als Target in dem Sensorsystem verwendeten Magneteinheit je nach Anwendungsfall beliebig gewählt werden kann.
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In einer Ausführungsform ist der Magnet aus einem Ferritmaterial gebildet und ist vorzugsweise als ein Hartferrit ausgebildet. Bei der Verwendung dieser Hartferrite, welche vorzugsweise über das als Flussleitkörper wirkende Zwischenstück miteinander gekoppelt sind, kann auf die Verwendung einer zusätzlichen Abstandshülse verzichtet werden, wodurch ein zusätzlicher Prozessschritt bei der Herstellung des Magneten entfällt. Darüber hinaus handelt es sich bei Hartferriten um ein sehr kostengünstiges Material, deren Einsatz bei dem vorgestellten Sensorsystem sehr vorteilhaft ist.
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In einer Alternative besteht der Magnet aus einem Seltenen-Erd-Material, welcher beidseitig von je einem Flussleitkörper abgeschlossen ist. Da der Seltene-Erd-Magnet die beidseitig angeordneten ferromagnetischen Flussleitkörper magnetisiert, entsteht eine vergrößerte effektive Magnetlänge, was zu einer besonders kostengünstigen Realisierung führt.
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In einer weiteren Ausgestaltung besteht der Flussleitkörper aus einem ferromagnetischen Material und ist vorzugsweise aus Eisen gebildet. Dieses ist ein sehr kostengünstiges Material, welches die Herstellung des Sensorsystems hinsichtlich der Preisgestaltung weiter verbessert.
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Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere für ein Kupplungsbetätigungssystem in einem Kraftfahrzeug, mit einem Kolben, welcher axial beweglich im Inneren eines Zylinders gelagert ist und einem Sensorsystem, welches einen am Kolben positionierten Magneten und mindestens einen am Zylinder befestigten Sensor umfasst. Bei einer Kolben-Zylinder-Anordnung, bei welcher eine besonders kostengünstige Realisierung erreicht wird, ist das Sensorsystem nach mindestens einem der in dieser Schutzrechtsanmeldung erläuterten Merkmale ausgebildet.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Einige davon sollen anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 Prinzipdarstellung eines Kupplungsbetätigungssystems,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Magneteinheit in dem Kupplungsbetätigungssystem gemäß 1,
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Magneteinheit in dem Kupplungsbetätigungssystem gemäß 1,
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Magneteinheit in dem Kupplungsbetätigungssystem gemäß 1,
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5 ein Ausführungsbeispiel für eine Magneteinheit mit einem Seltene-Erd-Magneten,
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6 eine vergleichende Darstellung des Verlaufes der magnetischen Feldstärke bei Seltene-Erd-Magneten gemäß 5,
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7 ein Ausführungsbeispiel für einen Ferritmagneten,
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8 Darstellung der magnetischen Feldstärke einer Magneteinheit mit einem Hartferritmagneten.
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Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist ein Kupplungsbetätigungssystem 1 dargestellt, wie es heute in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt. Ein solches Kupplungsbetätigungssystem 1 weist einen als Gehäuse ausgebildeten Geberzylinder 2 auf, in dem ein Kolben 3 axial beweglich gelagert ist. Der Kolben 3 wird von dem Kupplungspedal 4 betätigt. Über eine Hydraulikleitung 5 ist der Geberzylinder 2 mit einem Nehmerzylinder 6 verbunden, welcher eine Kupplung 7 betätigt. Die Verstellung der Position der Kupplung 7 erfolgt aufgrund des Antriebes des Kolbens 3 durch das Kupplungspedal 4. Der Geberzylinder 2 und die Kupplung 7 mit dem Nehmerzylinder 6 sind dabei räumlich getrennt im Kraftfahrzeug angeordnet. Außen an dem Geberzylinder 2 ist ein Sensor, beispielsweise ein Hall-Effekt-Sensor 8 angeordnet, welcher eine Auswerteschaltung umfasst und mit einem Steuergerät 9 verbunden ist. Der Hall-Effekt-Sensor 8 liegt einer Magneteinheit 9 gegenüber, der innerhalb des Geberzylinders 2 am Kolben 3 befestigt ist.
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Diese Magneteinheit 9 kann dabei mehrere Ausgestaltungen annehmen. Gemäß 2 ist ein Dauermagnet 10 mittig zwischen zwei, aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Flussleitkörpern 11, 12 angeordnet und bildet mit den Flussleitkörpern 11, 12 eine kompakte Magneteinheit. Dabei schließen die ferromagnetischen Flussleitkörper 11, 12 direkt an die Außenwände des Dauermagneten 10 an. Die den Dauermagneten 10 einschließenden Flussleitkörper 11, 12 werden von dem Magnetfeld des Dauermagneten 10 durchsetzt und weisen somit eine magnetische Flussdichte B auf, welche einem Dauermagneten entspricht, der länger ist der tatsächlich verwendete Dauermagnet 10.
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In 3 ist der ferromagnetische Flussleitkörper als Zwischenstück 13 zwischen zwei Dauermagneten 14, 15 angeordnet, wobei dieser gleichzeitig als Abstandshalter für die Dauermagnete 14, 15 dient. Die an den ferromagnetischen Flussleitkörper anschließenden Dauermagnete 14, 15 können dabei sowohl gegensätzlich magnetisiert als auch gleichgerichtet magnetisiert sein.
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In 4 ist eine weitere Ausführungsform einer Magneteinheit 16 für die Kupplungsbetätigungseinrichtung 1 gezeigt, wo ferromagnetische Flussleitkörper 11 und Dauermagneten 10 immer alternierend hintereinander angeordnet sind und somit die Magneteinheit 16 mit einer beliebigen Länge bilden. Die beiden Enden der so gestalteten Kette der Magneteinheit 16 werden dabei jeweils von einem ferromagnetischen Flussleitkörper 11 gebildet.
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Im Zusammenhang mit 5 soll eine der vorgeschlagenen Magneteinheiten unter Verwendung eines Seltene-Erd-Magneten 17 betrachtet werden, welcher beispielsweise als NdFeB-Magnet ausgebildet ist. Es werden vier verschiedene Beispiele betrachtet, in denen der NdFeB-Magnet 17 stabförmig ausgebildet ist und eine Höhe von beispielsweise 10 mm aufweist. In den Darstellungen A, B und C variiert der NdFeB-Magnet 17 allerdings in seiner Länge. In der Darstellung A ist der NdFeB-Magnet 17 20 mm lang und besteht vollständig aus dem Seltene-Erd-Material. Der Magnet in der Darstellung B besteht ebenfalls vollständig aus dem Seltene-Erd-Material und ist 25 mm lang. Der in der Darstellung C gezeigte NdFeB-Magnet 17 besitzt eine Länge von 30 mm. In der Darstellung D weist der NdFeB-Magnet lediglich eine Länge von 20 mm auf. Allerdings ist dieser beidseitig durch jeweils einen Flussleitkörper von 5 mm Länge verlängert.
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In 6 ist die, durch den Hallsensor 8 detektierte magnetische Flussdichte B der im Zusammenhang mit 5 erläuterten, verschieden dimensionierten NdFeB-Magneten 17 über dem Weg der Magneteinheit 16 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass eine Magneteinheit, die ebenfalls 30 mm lang ist, aber nur effektiv 20 mm Magnetmaterial umfasst, eine vergleichbare magnetische Flußdichte B über dem Weg des Magneten erreicht, wie der 25 mm lange seltene-Erden-Magnet gemäß Darstellung C in 4.
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7 zeigt ist ein Ausführungsbeispiel einer Magneteinheit 18, bei welcher als Dauermagnet Ferritmagneten, vorzugsweise Hartferrite, verwendet werden. Der Flußleitkörper 19 bildet dabei ein Zwischenstück zwischen zwei Hartferritmagneten 20, 21, die entgegengesetzt zueinander magnetisiert sind. Der aus Eisen bestehende Flußleitkörper 19 dient als Abstandshülse für die beiden Hartferritmagneten 20, 21 und als Halterung der Hartferritmagneten 20, 21. Die Verwendung dieses ferromagnetischen Flussleitkörpers 19 als Zwischenstück reduziert ein Einbrechen des Magnetfeldes in der Mitte der Magneteinheit 18, was aus 8 ersichtlich ist, wo die magnetische Flussdichte B ebenfalls über dem Weg des Magneten dargestellt ist, welcher gemäß Kurve E ohne den Flussleitkörper und gemäß Kurve F mit dem Flussleitkörper versehen ist. Durch die Verwendung des ferromagnetischen Zwischenstücks reduziert sich ein Linearitätsfehler des, von dem Hall-Effekt-Sensor 8 ausgegebenen Sensorsignals, da das Magnetfeld in der Mitte der Weglänge annähernd stabil bleibt.
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Außerdem werden bei dem in 7 vorgeschlagenen Ausführungsbeispiel die Kräfte der entgegengesetzt magnetisierten Hartferritmagneten 20, 21, die durch die gegensätzliche Orientierung entstehen, bei der Verwendung des dazwischen stehenden Flussleitkörpers 19 kompensiert. Darüber hinaus ziehen sich die beiden Hartferritmagneten 20, 21 und der als Zwischenstück ausgebildete Flussleitkörper 19 an, so dass eine bessere Haftung der Magneteinheit 18 unterstützt wird.
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Durch die Verwendung von ferromagnetischen Abstandshaltern und/oder die Erweiterungen des ursprünglichen Magnetmaterials durch Flussleitstücke ist es möglich, die Magnetlänge von Seltene-Erd-Magneten für lineare Wegsensoren zu verkürzen. In Verbindung mit Hartferritmagneten ermöglicht die vorgeschlagene Lösung eine verbesserte Integration eines Zwei-Magneten-Konzeptes in einem Kolben des durch das Kupplungspedal betätigten Kupplungsbetätigungssystems, wodurch der Einbruch der magnetischen Feldstärke oberhalb des durch den Flussleitkörper gebildeten Zwischenraums reduziert wird.
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In Verbindung mit seltene-Erden-Magneten besteht der Vorteil, je nach Preisentwicklung der seltene-Erden-Magneten einen erheblichen Wettbewerbsvorteil zu erzielen. Bei der Verwendung von Ferritmagneten werden einige Probleme gelöst, die den Einsatz von Ferritmagneten fördern. So kann eine kurze, maximal herstellbare Länge nun durch zwei Magneten gelöst werden, wobei ein gewünschter Messweg detektiert werden kann. Die Integration dieser Halbferritmagneten wird deutlich vereinfacht, da der Abstand zwischen beiden Magneten vergrößert werden kann. Die Magneten stoßen sich nicht länger ab, was eine deutliche Vereinfachung der Auslegung zur Folge hat.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kupplungsbetätigungssystem
- 2
- Geberzylinder
- 3
- Kolben
- 4
- Kupplungspedal
- 5
- Hydraulikleitung
- 6
- Nehmerzylinder
- 7
- Kupplung
- 8
- Hall-Effekt-Sensor
- 9
- Magneteinheit
- 10
- Dauermagnet
- 11
- Flussleitkörper
- 12
- Flussleitkörper
- 13
- Zwischenstück
- 14
- Dauermagnet
- 15
- Dauermagnet
- 16
- Magneteinheit
- 17
- NdFeB-Magnet
- 18
- Magneteinheit
- 19
- Flussleitkörper
- 20
- Hartferritmagnet
- 21
- Hartferritmagnet
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012219183 A1 [0002]
