DE102016201759B4

DE102016201759B4 - Verfahren zur Magnetfeldmessung und zur Bewegung eines Körpers in einem Magnetfeld sowie dessen Anwendung als Magnetfeldsensor und als Elektromotor

Info

Publication number: DE102016201759B4
Application number: DE102016201759.4A
Authority: DE
Inventors: Oliver Vogel; Reinhardt Erli; Bastian Motzer; Jürgen Ulm
Original assignee: HOCHSCHULE HEILBRONN
Current assignee: HOCHSCHULE HEILBRONN
Priority date: 2016-02-05
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2036-02-06
Also published as: DE102016201759A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewegung eines Körpers in einem Magnetfeld, das sich sowohl zur Messung von Magnetfeldern als auch zum Antrieb eines Elektromotors nutzen lässt. Bei dem Verfahren wird ein zeitlich variierender Strom als Verschiebungsstrom über eine vom Körper beabstandete Elektrode durch den Körper geleitet, während der Körper einem konstanten oder zeitlich variierenden Magnetfeld ausgesetzt wird. Durch die Magnetfeldkomponente senkrecht zur Stromrichtung in dem Körper wird dieser durch die Lorenzkraft relativ zur Elektrode bewegt. Bei der Anwendung als Magnetfeldsensor kann dadurch eine Kapazitätsänderung zwischen dem Körper und der Elektrode erzeugt und gemessen werden, aus der sich die Größe des Magnetfeldes ableiten lässt. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Realisierung von halbleiterlosen Magnetfeldsensoren, die sich auch bei sehr hohen Temperaturen einsetzen lassen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Magnetfeldmessung und zur Bewegung eines Körpers in einem Magnetfeld, der zumindest in einem Bereich elektrisch leitfähig ausgebildet und in einem Abstand zu einer Elektrode relativ zur Elektrode beweglich gelagert ist, durch den eine elektrische Kapazität zwischen der Elektrode und dem Körper gebildet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Magnetfeldsensor sowie Elektromotoren, die das Verfahren nutzen.
Sowohl die Messung von Magnetfeldern als auch mit Hilfe von Magnetfeldern arbeitende Antriebe spielen in vielen technischen Bereichen eine wichtige Rolle. Zur Magnetfeldmessung kommen bisher hauptsächlich Sensoren auf Basis von Hallelementen oder nach dem Induktionsprinzip arbeitende Sensoren zum Einsatz. Hallelemente sind Halbleitersensoren, die in der Regel nur für Magnetfeldmessungen bei Temperaturen bis ca. 80°C geeignet sind. Damit scheiden jedoch viele messtechnische Anwendungen im Hochtemperaturbereich aus. Auch aufgrund steigender Halbleiterpreise besteht ein Bedarf an alternativen Sensoren bzw. Sensorsystemen für Magnetfeldmessungen, die ohne Halbleiter auskommen.
Auf dem Bereich der Antriebstechnik erfahren Kommutatormotoren, elektronisch kommutierte Motoren (EC-Motoren) und Asynchronmotoren eine hohe industrielle Verbreitung. Kommutatormotoren benötigen eine leitende Verbindung zum Läufer. EC-Motoren erfordern zum Betrieb eine permanentmagnetische Erregung. Asynchronmotoren arbeiten nach dem Induktionsprinzip. Im Läufer wird ein magnetisch wirksamer Strom vom Stator induziert. EC-Motoren und Asynchronmotoren benötigen zum Betrieb jeweils ein umlaufendes Statorfeld (Dreiphasensystem).
Die US 6,160,338 A befasst sich mit einer Transportvorrichtung zum kontaktlosen Transport eines Wafers. Bei dieser Transportvorrichtung wird über zwei auf einer Seite des Wafers voneinander beabstandete Elektroden ein Verschiebungsstrom über den Wafer geleitet, der in Wechselwirkung mit einem externen Magnetfeld eine Kraft auf den Wafer ausgeübt wird, um diesen in einer gewünschten Richtung zu bewegen.
Die US 8,407,905 B1 beschreibt eine Anordnung mit wenigstens einem magnetischen Kompass, mit dem eine Magnetfeldkomponente eines externen Magnetfeldes gemessen werden kann. Hierzu wird ein zwischen zwei Elektroden angeordneter, beweglicher elektrischer Leiter mit einem Stromfluss beaufschlagt, der in Wechselwirkung mit dem externen Magnetfeld eine Lorentzkraft erzeugt. Durch diese Lorentzkraft wird der elektrische Leiter aus einer Ruhelage ausgelenkt und diese Auslenkung über eine Änderung einer Kapazität zwischen den zwei Elektroden gemessen.
Die US 2005/0248340 A1 beschreibt einen Magnetfeldsensor, bei dem ein gegenüber einer Elektrode beweglicher elektrischer Leiter mit einem Stromfluss beaufschlagt wird, der in Wechselwirkung mit einem externen Magnetfeld eine Lorenzkraft erzeugt. Die Größe der entsprechenden Magnetfeldkomponente kann dann über die Messung der Kapazität zwischen dem elektrischen Leiter und der Elektrode erfasst werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Magnetfeldmessung und zur Bewegung eines Körpers in einem Magnetfeld anzugeben, das sowohl die Realisierung von Magnetfeldsensoren ermöglicht, die sich auch im Hochtemperaturbereich einsetzen lassen, als auch von Elektromotoren, die ohne magnetische Werkstoffe und ohne ein Drehfeld auskommen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1, 6 und 7 gelöst. Die Patentansprüche 9, 12 und 13 geben einen auf Basis des Verfahrens arbeitenden Magnetfeldsensor sowie auf Basis des Verfahrens arbeitende Elektromotoren an. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens, des Magnetfeldsensors sowie der Elektromotoren sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein Körper in einem Magnetfeld bewegt, der zumindest in einem Bereich elektrisch leitfähig ausgebildet und in einem Abstand zu einer Elektrode relativ zur Elektrode beweglich gelagert ist. Unter einer beweglichen Lagerung ist hierbei zu verstehen, dass zumindest ein Teil des Körpers noch eine zumindest begrenzte Bewegung ausführen kann. Eine bewegliche Lagerung kann damit einerseits beispielsweise durch ein Loslager realisiert werden, andererseits aber bei einem elastischen Körper auch durch ein Festlager auf einer Seite des Körpers, wodurch die gegenüberliegende Seite aufgrund der Elastizität des Körpers noch eine Bewegung ausführen kann. Der Abstand ist dabei so gewählt, dass durch den Abstand eine elektrische Kapazität zwischen der Elektrode und dem Körper gebildet wird. Bei dem Verfahren wird über diese elektrische Kapazität ein bekannter, zeitlicher variierender Strom als Verschiebungsstrom über die Elektrode durch den elektrisch leitfähigen Bereich des Körpers geleitet, während der Körper dem Magnetfeld ausgesetzt wird. Das Magnetfeld kann hierbei ein konstantes oder zeitlich variierendes Magnetfeld sein und muss eine Magnetfeldkomponente senkrecht zur Stromrichtung im elektrisch leitfähigen Bereich des Körpers aufweisen. Durch diese Magnetfeldkomponente senkrecht zur Stromrichtung wird auf den Körper eine Lorenzkraft ausgeübt, die zur Bewegung des Körpers relativ zur Elektrode führt.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird somit eine kapazitive Ankopplung des Körpers an wenigstens eine Elektrode genutzt, um über die Kapazität zwischen der Elektrode und dem Körper einen Verschiebungsstrom durch den Körper zu leiten, durch in dem Magnetfeld eine Lorenzkraft auf den Körper ausgeübt wird, die zur Bewegung des Körpers relativ zur Elektrode führt. Diese Technik lässt sich dann sowohl zur Magnetfeldmessung als auch als Antriebstechnik für einen Elektromotor einsetzen, wie im Folgenden noch näher erläutert wird.
Für den Einsatz des Verfahrens zur Messung von Magnetfeldern wird die Größe der senkrecht zur Stromrichtung des Verschiebungsstroms im elektrisch leitfähigen Bereich des Körpers wirkenden Magnetfeldkomponente über die Änderung der Kapazität zwischen dem Körper und der Elektrode bestimmt. Die auf den Körper wirkende Lorenzkraft bewirkt eine Bewegung des Körpers relativ zur Elektrode, wodurch sich die elektrische Kapazität zwischen der Elektrode und dem Körper ändert. Diese Änderung der Kapazität kann über eine geeignete Schaltung, beispielsweise eine Brückenschaltung, gemessen werden. Daraus lässt sich die für diese Bewegung erforderliche Kraft und somit die Lorenzkraft ableiten, aus der wiederum bei bekanntem Strom die Größe der Magnetfeldkomponente berechnet werden kann. Eine rückstellende Kraft des beweglich gelagerten Körpers ist bei der Auswertung der Messung zu berücksichtigen. Alternativ kann auch vorab eine Abhängigkeit der Änderung der Kapazität von der Größe der Magnetfeldkomponente zur Kalibrierung des Sensors erfasst werden, auf die dann bei dem Einsatz des Sensors zurückgegriffen wird. Der Magnetfeldsensor kann sowohl ein statisches als auch ein zeitlicher veränderliches Magnetfeld messen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des für die Magnetfeldmessung eingesetzten Verfahrens oder des entsprechenden Magnetfeldsensors wird als beweglich gelagerter Körper ein elektrisch leitfähiger Biegebalken eingesetzt, der an einem der Elektrode gegenüberliegenden Ende fest eingespannt ist. Der Biegebalken kann dabei vollständig aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen oder auch nur teilweise, beispielsweise eine elektrisch leitfähige Schicht tragen. Dies gilt allgemein bei dem vorgeschlagenen Verfahren auch bei einem anders ausgebildeten Körper. Der elektrisch leitfähige Bereich muss dabei jeweils so ausgebildet sein, dass er einen Verschiebungsstrom senkrecht zur gewünschten Bewegungsrichtung und entsprechenden Magnetfeldkomponente ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der bewegliche Körper so zwischen zwei Elektroden angeordnet, dass sich bei einer durch die Lorenzkraft erzeugten Bewegung des Körpers die Kapazität zwischen der ersten Elektrode und dem Körper vergrößert und gleichzeitig die Kapazität zwischen der zweiten Elektrode und dem Körper verkleinert. Dadurch lassen sich die Kapazitätsänderung und damit die Größe der zu vermessenden Magnetfeldkomponente mit höherer Genauigkeit erfassen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist sowohl die Elektrode selbst als auch der elektrisch leitfähige Bereich des Körpers als Kammstruktur ausgebildet, welcher der Elektrode gegenüberliegt. Die beiden Kammstrukturen werden dabei ineinander greifend angeordnet, so dass durch die entsprechend größeren, sich gegenüberliegenden Flächen eine größere Kapazität gebildet wird. Die größere Kapazität ermöglicht eine empfindlichere Messung.
Die Messung der Änderung der Kapazität zwischen der Elektrode und dem Körper kann auf beliebige Weise gemäß dem Stand der Technik erfolgen. Hierbei bieten sich besonders Brückenschaltungen für die Messung der Kapazität bzw. der Änderung der Kapazität an.
Der nach dem Verfahren arbeitende Magnetfeldsensor weist entsprechend wenigstens eine Elektrode und einen relativ zur Elektrode beweglich gelagerten Körper auf, der zumindest einen elektrisch leitfähigen Bereich aufweist. Der Körper ist so relativ zur Elektrode gelagert, dass zwischen dem Körper bzw. dem elektrisch leitfähigen Bereich des Körpers und der Elektrode eine elektrische Kapazität gebildet wird, über die über die Elektrode ein Verschiebungsstrom durch den elektrisch leitfähigen Bereich des Körpers geleitet werden kann. Der Magnetfeldsensor weist weiterhin eine Messschaltung auf, über die der Verschiebungsstrom über die Kapazität durch den Körper geleitet und eine Änderung der Kapazität gemessen werden kann.
Bei einer Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens zum Antrieb des Rotors eines Elektromotors stellt der Körper den Rotor des Elektromotors dar, der zwischen den beiden Polen als Elektroden drehbar gelagert ist. Zwischen jedem Pol und dem Rotor ist ein Spalt, durch den eine Kapazität zwischen Pol und Rotor gebildet wird. Über diese Kapazität wird dann ein entsprechender Verschiebungsstrom durch den Rotor geleitet. Gleichzeitig wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das in axialer Richtung des Rotors wirkt und an den beiden Polen gegensätzliche Magnetfeldkomponenten aufweist. Ein derartiges Magnetfeld kann mit einer Spulenanordnung erzeugt werden. Durch den senkrecht zur axialen Richtung verlaufenden Verschiebungsstrom durch den Rotor in Verbindung mit den an beiden Polen gegensätzlich wirkenden Magnetfeldkomponenten wird eine gleichgerichtete Lorenzkraft auf den Rotor ausgeübt, die den Rotor in Drehung versetzt.
Bei einer weiteren Anwendung wird das Verfahren zum Antrieb des Antriebskörpers eines Linearmotors eingesetzt. Der Körper stellt dabei den Antriebskörper dar, der zwischen den beiden Polen als Elektroden des Linearmotors entlang einer Bewegungsachse verschiebbar gelagert wird. Der Antriebskörper weist eine kammartige Struktur auf, die beidseitig oder auch einseitig, jeweils zu einem oder beiden Polen hin gerichtet, ausgebildet sein kann. Die Zähne dieser Kammstruktur müssen dabei nicht zwangsläufig einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, sondern können auch mit anderen Querschnitten gebildet sein. Als zeitlich veränderlicher Strom wird ein Wechselstrom über die Pole durch den Antriebskörper geleitet und der Antriebskörper gleichzeitig wenigstens einem magnetischen Gleich- oder Wechselfeld ausgesetzt wird. Bei einer kreisförmig geschlossenen Bewegungsachse kann in dieser Anwendung auch ein Kreismotor realisiert werden.
Das Magnetfeld wird bei beiden vorgenannten Anwendungen vorzugsweise mit wenigstens einer Spule erzeugt, die parallel oder in Reihe zum Anker bzw. Antriebskörper des Elektromotors geschaltet ist. Dadurch erfolgt die Umpolung des Magnetfeldes jeweils synchron mit der Umpolung der für die Erzeugung des Verschiebungsstromes erforderlichen Wechselspannung, so dass die Richtung der Lorenzkraft und damit die Drehrichtung des Rotors oder Bewegungsrichtung des Antriebskörpers erhalten bleibt.
Der entsprechend nach dem Verfahren arbeitende Rotations-Elektromotor weist einen Rotor zwischen zwei Polen, eine zur Erzeugung des Verschiebungsstromes durch die Pole und den Rotor ausgebildete elektrische Einrichtung sowie eine Spulenanordnung zur Erzeugung des für die Drehung erforderlichen magnetischen Wechselfeldes auf.
Der Linearmotor weist zwei sich gegenüber liegende Pole und einen zwischenliegenden, elektrisch leitfähigen Antriebskörper auf, der entlang einer Bewegungsachse verschiebbar gelagert ist. Zwischen jedem Pol und dem Antriebskörper ist ein Spalt vorhanden, durch den eine Kapazität zwischen Pol und Antriebskörper gebildet wird, über die ein Verschiebungsstrom durch den Antriebskörper geleitet werden kann. Der Motor umfasst weiterhin eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Gleich- oder Wechselfeldes, das senkrecht zur Bewegungsachse und senkrecht zu einer Richtung des Verschiebungsstroms durch den Antriebskörper wirkt.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und dessen Einsatz in einem Sensor und einem Aktor generiert eine zeitlich veränderliche Spannung im Luftspalt zwischen einer Elektrode und dem beweglich gelagerten Körper einen Verschiebungsstrom, um einen Stromkreis zwischen der Elektrode und dem beweglich gelagerten Körper zu schließen und einen Stromfluss durch den Körper zu ermöglichen. Der sich einstellende Stromfluss durch die elektrisch leitenden Bauelemente (bspw. Biegebalken und Elektroden, Pole und Rotor bzw. Antriebskörper mit Kammstruktur) erzeugt in Wechselwirkung mit einem externen Magnetfeld eine Lorenzkraft. Die Lorenzkraft übt eine mechanische Kraft auf den beweglich gelagerten Körper aus. Im Falle des Sensors wirkt die Kraft auf das Wirkelement, beispielsweise den Biegebalken, welcher im elastischen Bereich gebogen wird. Im Falle des Motors wirkt die Kraft auf ein Übertragungselement, den Rotor, der sich dreht, oder den Antriebskörper mit Kammstruktur, der eine lineare Bewegung vollführt. Ein gemäß dem Verfahren arbeitender Sensor lässt sich in einem weiten Temperaturbereich, von sehr tiefen Temperaturen bis in den Hochtemperaturbereich, einsetzen. Er lässt sich ohne Halbleitermaterialien realisieren und bietet aufgrund seiner Einfachheit großes Potential zur Miniaturisierung. Er lässt sich auch kostengünstig fertigen.
Der gemäß dem Verfahren arbeitende Motor benötigt keine ferromagnetischen Werkstoffe. Die eingesetzten Werkstoffe müssen nur eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Damit lässt sich auch der Motor in einem sehr weiten Temperaturbereich einsetzen. Die Drehzahl des Rotations-Motors hängt von der Frequenz des Wechselstroms ab. Eine rechteckförmige Ansteuerung kann zu sehr hohen Drehzahlen führen. Da keinerlei Verbindungen zwischen Rotor und Stator bzw. zwischen den Polen und dem Antriebskörper erforderlich sind, ist eine hohe Lebensdauer des Motors zu erwarten. Der Wirkungsgrad des Motors ist relativ hoch, da keine Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste auftreten. Der Motor kann auch in nicht leitende Flüssigkeiten eingebracht und dort betrieben werden. Wird der Rotations-Motor in Flüssigkeit betrieben, so können die Rotorzähne eine Pumpwirkung ausüben. Durch Kombination mit einem zweiten Rotor kann auf diese Weise eine Zahnradpumpe realisiert werden. Auch der Motor bietet ein hohes Potential zur Miniaturisierbarkeit und lässt sich kostengünstig herstellen.
Eine andere Anwendung bildet die Bestimmung der Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit. Die Flüssigkeit bildet ein Dielektrikum, das die Größe des Verschiebungsstroms in den beweglichen Körper und somit dessen Auslenkung oder Drehzahl beeinflusst. Damit kann über die Auslenkung des Körpers eines in die Flüssigkeit eingebrachten Magnetfeldsensors oder über die Drehzahl eines in die Flüssigkeit eingebrachten Rotations-Elektromotors bei bekanntem Magnetfeld – oder über eine Änderung gegenüber dem Verhalten in Luft – die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit bestimmt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren wird in der Anwendung als Magnetfeldsensor und als Elektromotor im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein erstes Beispiel eines nach dem Verfahren arbeitenden Magnetfeldsensors;
2 ein zweites Beispiel eines nach dem Verfahren arbeitenden Magnetfeldsensors;
3 ein drittes Beispiel eines nach dem Verfahren arbeitenden Magnetfeldsensors;
4 vier Beispiele für Brückenschaltungen, wie sie in einem nach dem Verfahren arbeitenden Magnetfeldsensor eingesetzt werden können;
5 ein Beispiel für einen nach dem Verfahren arbeitenden Elektromotor in Teilansicht;
6 das Beispiel der 5 in seitlicher Darstellung; und
7 ein Beispiel für einen nach dem Verfahren arbeitenden Linearmotor in Teilansicht.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich vorteilhaft in einem Magnetfeldsensor zur Magnetfeldmessung einsetzen. 1 zeigt hierzu ein Beispiel für einen derartigen Magnetfeldsensor, der das vorgeschlagene Verfahren nutzt. Der Sensor besteht aus einem durch ein Festlager ortsfest gelagerten, elektrisch leitfähigen Leiterstab 1, der im vorliegenden Beispiel als Biegebalken ausgebildet ist, und zwei Elektroden 2, zwischen denen der bewegliche Teil des Biegebalkens 1 angeordnet ist. Die Elektroden sind in einer Messbrücke mit den Widerständen R₁ und R₂ verschaltet. Die Messbrücke wird mit einer zeitlich veränderlichen Brückeneingangsspannung O_E betrieben. Zwischen dem Leiterstab 1 und den beiden Elektroden 2 ist jeweils ein Luftspalt 3 vorhanden. Durch diesen Luftspalt 3 wird ein Kondensator bzw. eine Kapazität C₁, C₂ zwischen dem Leiterstab 1 und der jeweiligen Elektrode gebildet wird, in welchem sich ein Verschiebungsstrom
einstellt. Die beiden Kapazitäten C₁, C₂ sind in der 1 gestrichelt angedeutet. Die Eingangsspannungsquelle treibt den zeitlich veränderlichen Strom I durch den ortsfest gelagerten Leiterstab 1, die Elektroden 2 und den Luftspalt 3. Der Strom I wird in die Zweigströme I₁ und I₂ geteilt, deren Größen sich in Abhängigkeit der beiden Kapazitäten C₁, C₂ einstellen. Das zu messende Magnetfeld B durchdringt den Leiterstab 1 senkrecht zur Stromrichtung. In Verbindung mit dem Magnetfeld und dem Strom durch den Leiterstab wirkt auf diesen eine Lorenzkraft, die den Leiterstab 1 in der Betrachtungsebene der 1 einseitig auslenkt, wie dies durch den Doppelpfeil angedeutet ist. Mit der Auslenkung des Leiterstabs (nach links oder nach rechts) kann die Polarität bzw. Magnetfeldrichtung erkannt werden. Mit der Auslenkung verbunden wird der Luftspalt 3 zwischen den Elektroden 2 und dem Leiterstab 1 und damit die Kapazität der Sensoren C₁ und C₂ gemäß C = ε A / d verändert. Dabei stellt A die Kondensatorfläche zusammengesetzt aus dem entsprechenden Teil des Leiterstabes 1 und der gegenüberliegenden Elektrode 2 und d den Abstand zwischen Leiterstab 1 und Elektrode 2 dar. In der 1 ist eine Anordnung ersichtlich, in welcher die Auslenkung des Leiterstabes eine Spaltänderung und damit verbunden eine Kapazitätsänderung bewirkt. Diese Kapazitätsänderung kann über die Messung der Ausgangsspannung U_A bestimmt und daraus die Stärke des einwirkenden Magnetfeldes berechnet werden.
2 zeigt eine weitere beispielhafte Möglichkeit der Realisierung eines Magnetfeldsensors auf Basis des vorgeschlagenen Verfahrens. Mit dieser Anordnung werden mögliche Nachteile aufgrund statischer Anziehungskräfte zwischen Biegebalken und Elektrode der Ausgestaltung der 1 umgangen. Der Magnetfeldsensor umfasst wieder in gleicher Weise wie bei der Ausgestaltung der 1 einen Leiterstab 1 sowie zwei Elektroden 2, die über eine entsprechende Messbrücke mit den Widerständen R₁ und R₂ verschaltet sind. Auch hier wird die Messbrücke wiederum mit einer zeitlich veränderlichen Brückeneingangsspannung U_E betrieben. Im Unterschied zur Ausgestaltung der 1 sind die beiden Elektroden 2 und der Leiterstab 1 so ausgebildet und angeordnet, dass sich bei einer Auslenkung des Leiterstabs, der wiederum als Biegebalken ausgeführt sein kann, nicht der Spalt 3 zwischen dem Leiterstab 1 und den beiden Elektroden 2 sondern die jeweilige Kondensatorfläche und somit wiederum die Kapazität C₁ und C₂ ändert. Diese Kapazitätsänderung wird durch eine Veränderung der Überdeckung der beteiligten Kondensatorflächen zwischen Leiterstab 1 und Elektroden 2 erreicht, wie dies aus der 2 ersichtlich ist. Auch hier sind für die Richtung der Auslenkung des Biegebalkens die Bestromungsrichtung einerseits und die Richtung der einwirkenden Magnetfeldkomponente andererseits entscheidend. Da die Bestromungsrichtung bekannt ist, kann auf Basis der Auslenkung auf die Polarität des Magnetfeldes geschlossen werden. Die Größe des Magnetfeldes bzw. der auf den Leiterstab senkrecht zur Stromrichtung wirkenden Magnetfeldkomponente kann wiederum durch Messung der Ausgangsspannung U_A bestimmt werden.
Die in den 1 und 2 dargestellte Struktur des Magnetfeldsensors kann auf mehrere Biegebalken und Elektroden erweitert werden, um damit die Empfindlichkeit der Sensoranordnung zu erhöhen. 3 zeigt hierbei ein Beispiel, bei dem die Elektrode und der gegenüberliegende Leiterstab bzw. bewegliche Körper jeweils eine Kammstruktur aufweisen. Beide Kämme greifen dabei ineinander. Die Zähne der Kammstruktur des beweglichen Körpers sind dabei wiederum als ortsfeste Biegebalken ausgebildet. Elektrode und gegenüberliegender Körper sind in einer geeigneten Messbrücke verschaltet, wie dies bereits in Verbindung mit den 1 und 2 erläutert wurde.
Zusätzlich zur Polarität kann mit allen der Anordnungen auch die Magnetfeldrichtung ermittelt werden, wenn mehrere derartige Sensoren in unterschiedlicher Orientierung eingesetzt werden.
Die Messung der Kapazitätsänderung kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. 4 zeigt in den Teilabbildungen a bis c drei Möglichkeiten für Messbrücken, die zur Erfassung der beiden Kapazitäten C₁ und C₂ der 1 und 2 eingesetzt werden können. Die sich einstellende Ausgangsspannung U_A steht dabei für die Auswertung zur Verfügung. Spezielle Auswerteschaltungen sind in der Figur nicht dargestellt. Diese können gemäß dem Stand der Technik ausgeführt sein und gegebenenfalls mittels Differenzverstärker und AD-Wandler die Brückenspannung verstärken und aufbereiten. Durch Anwendung des Differenzprinzips wird die Empfindlichkeit der Brückenschaltung erhöht. In den Teilabbildungen 4a bis 4c sind die Kapazitäten entsprechend gekoppelt dargestellt. Die Brückenschaltung kann auch ohne Anwendung des Differenzprinzips betrieben werden, wie dies aus 4d ersichtlich ist. Es versteht sich von selbst, dass dies nur wie einige wenige beispielhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten für die Messung der Kapazitäten sind. Es stehen weitere Möglichkeiten im Stand der Technik zur Verfügung, eine derartige Kapazitätsänderung zu messen.
Die Brückeneingangsspannung muss nicht in jedem Falle eine Sinusfunktion abbilden. Es sind auch Spannungs- und Stromrampen denkbar, solange die Eingangsspannung eine zeitlich veränderliche Größe darstellt. Die Größen Spannung und Strom sind in den Abbildungen als Effektivwerte dargestellt.
Neben der Anwendung in einem Magnetfeldsensor lässt sich das vorgeschlagene Verfahren auch in einem Aktor nutzen. Dies wird in Verbindung mit den 5 bis 7 nochmals näher erläutert. 5 zeigt hierbei eine Rotor-Stator-Anordnung mit einer Wechselspannungsquelle als Spannungsversorgung. Der Stator besteht aus den beiden Polen 4, zwischen denen der Rotor 5 auf einer Welle 6 montiert ist. Der Rotor 5 weist über seinen Umfang eine nach außen gerichtete Kammstruktur auf. Die beiden Pole 4 und der Rotor 5 sind elektrisch leitfähig. Die Wechselspannungsquelle erzeugt eine Wechselspannung u(t), durch den ein elektrischer Strom i(t) durch beide Pole 4 und Rotor 5 getrieben wird. Im Luftspalt zwischen den Polen 4 und dem Rotor 5 entsteht ein Verschiebungsstrom gemäß
Die Hierzu erforderliche Luftspalt-Kapazität 7 ist im oberen Teil der 5 angedeutet. Dieses Funktionsprinzip des dargestellten Innenläufers ist auch umkehrbar und damit bei einem Außenläufer anwendbar.
Die Fläche A des entsprechenden Kondensators wird beidseitig jeweils von Rotor 5 und Pol 4 gebildet. Der Stromkreis ist damit geschlossen. Zum Betrieb des Motors wird in axialer Richtung ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt, das auf den Rotor 5 einwirkt. Die Richtung des Magnetfeldes ist an beiden Polen gegensätzlich gewählt. Dies ist schematisch in der Seitenansicht der 6 mit den Pfeilen angedeutet. Durch dieses Magnetfeld und den Stromfluss durch den Rotor 5 entsteht eine gleichgerichtete Lorenzkraft, welche den Rotor 5 bewegt.
Das Magnetfeld kann mit einer Spule oder Spulenanordnung erzeugt werden, die vorzugsweise entweder in Reihe (Reihenschluss) mit dem Anker oder parallel zum Anker (Nebenschluss) geschaltet wird. In beiden Fällen bleibt die Drehrichtung des Motors erhalten, da sich mit einem Wechsel der Bestromungsrichtung durch den Anker auch die Feldrichtung der Erregerspule gleichzeitig mit ändert. Die Spulenanordnung einschließlich magnetischen Rückschluss ist in den 5 und 6 nicht dargestellt. Die Spulenanordnung kann vorzugsweise eine planare Ausgestaltung aufweisen bis hin zu einer mit den üblichen Technologien gewickelten Spule. Sie kann beispielsweise an der Stirnseite des Rotors angeordnet sein.
7 zeigt ein weiteres Beispiel für die Anwendung des Verfahrens in einem Aktor, in diesem Fall zur Realisierung eines Linearmotors. Der bewegliche Körper ist hierbei wiederum der Antriebskörper 8 bzw. Läufer dieses Elektromotors, der eine kammartige Struktur aufweist. Im vorliegenden Beispiel ist die kammartige Struktur beidseitig, jeweils zu den Polen 4 hin, vorhanden. Eine einseitige Ausbildung der Kammstruktur ist jedoch auch möglich. Der Stator besteht aus den beiden Polen 4, die mit einer Wechselspannungsquelle als Spannungsversorgung verbunden sind. Zwischen den beiden Polen 4 ist der Antriebskörper 8 mit einem Loslager entlang einer durch den Doppelpfeil angedeuteten Achse (Bewegungsachse) verschiebbar gelagert. Die beiden Pole 4 und der Antriebskörper 8 sind elektrisch leitfähig. Die Wechselspannungsquelle erzeugt eine Wechselspannung u(t), durch den ein elektrischer Strom i(t) durch beide Pole 4 und Antriebskörper 8 getrieben wird. Im Luftspalt zwischen den Polen 4 und dem Antriebskörper 8 entsteht dabei wie bei dem Rotations-Motor der 5 und 6 ein Verschiebungsstrom. Die Hierzu erforderlichen Luftspalt-Kapazitäten 7 sind in 7 angedeutet.
Zum Betrieb des Motors wird in Richtung senkrecht zur Bewegungsachse und zur Stromrichtung des Verschiebungsstroms entweder ein zeitlich veränderliches Magnetfeld oder ein konstantes Magnetfeld erzeugt, das auf den Antriebskörper 8 einwirkt. Die Richtung des Magnetfeldes ist schematisch in 7 beispielhaft mit den Kreuzen angedeutet, die ein in die Zeichenebene hinein gerichtetes Magnetfeld repräsentieren. Durch dieses Magnetfeld und den Stromfluss durch den Antriebskörper 8 entsteht eine Lorenzkraft, welche den Antriebskörper 8 entlang der Bewegungsachse bewegt.
Das zeitlich veränderliche Magnetfeld kann wiederum mit einer Spule oder Spulenanordnung erzeugt werden, die vorzugsweise entweder in Reihe (Reihenschluss) mit dem Antriebskörper oder parallel zum Antriebskörper (Nebenschluss) geschaltet wird. In beiden Fällen bleibt die Bewegungsrichtung des Motors erhalten, da sich mit einem Wechsel der Bestromungsrichtung durch den Antriebskörper auch die Feldrichtung der Erregerspule gleichzeitig mit ändert. Die Spulenanordnung einschließlich magnetischem Rückschluss ist in 7 nicht dargestellt. Die Spulenanordnung kann vorzugsweise eine planare Ausgestaltung aufweisen bis hin zu einer mit den üblichen Technologien gewickelten Spule.
Ein konstantes Magnetfeld kann auch mit einem Permanentmagneten erzeugt werden. Bei Nutzung eines konstanten Magnetfeldes oszilliert der Antriebskörper mit der Frequenz der angelegten Wechselspannung entlang der Bewegungsachse. Diese Ausgestaltung ermöglicht damit die Realisierung eines oszillatorischen Antriebs.
Bezugszeichenliste

1: Ortsfest gelagerter Leiterstab
2: Elektrode
3: Luftspalt
4: Pol
5: Rotor
6: Welle
7: Luftspalt-Kapazität
8: Antriebskörper

Claims

Verfahren zur Messung der Größe einer Magnetfeldkomponente, bei dem – ein Körper (1), der zumindest in einem Bereich elektrisch leitfähig ausgebildet ist, in einem Abstand zu einer Elektrode (2) relativ zur Elektrode (2) beweglich gelagert wird, durch den eine elektrische Kapazität zwischen der Elektrode (2) und dem Körper (1) gebildet wird, – ein zeitlich variierender Strom als Verschiebungsstrom über die Elektrode (2) durch den elektrisch leitfähigen Bereich des Körpers (1) geleitet wird, – während der Körper (1) einem konstanten oder zeitlich variierenden Magnetfeld ausgesetzt wird, das die zu messende Magnetfeldkomponente senkrecht zur Stromrichtung im elektrisch leitfähigen Bereich des Körpers (1) aufweist, – so dass durch Wechselwirkung des Verschiebungsstroms mit der Magnetfeldkomponente eine Lorentzkraft auf den Körper (1) ausgeübt und der Körper (1) durch die Lorentzkraft relativ zur Elektrode (2) bewegt wird, und – eine durch die Bewegung des Körpers (1) relativ zur Elektrode (2) hervorgerufene Änderung der Kapazität zwischen der Elektrode (2) und dem Körper (1) gemessen und daraus die Größe der Magnetfeldkomponente bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Körper (1) ein elektrisch leitfähiger Biegebalken eingesetzt wird, der an einem der Elektrode (2) gegenüberliegenden Ende fest eingespannt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) so zwischen der Elektrode (2) und einer weiteren Elektrode (2) angeordnet wird, dass sich bei einer durch die Lorentzkraft erzeugten Bewegung des Körpers (1) die Kapazität zwischen der Elektrode (2) und dem Körper (1) vergrößert und eine weitere Kapazität zwischen der weiteren Elektrode (2) und dem Körper (1) verkleinert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (2) und der der Elektrode (2) gegenüber liegende elektrisch leitfähige Bereich des Körpers (1) als ineinander greifende Kammstrukturen ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Kapazität über eine Brückenschaltung gemessen wird.
Verfahren zum Antrieb des Rotors (5) eines Elektromotors, bei dem der Rotor (5), der zumindest in einem Bereich elektrisch leitfähig ausgebildet ist, in einem Abstand zu einer Elektrode (2) relativ zur Elektrode (2) beweglich gelagert wird, durch den eine elektrische Kapazität zwischen der Elektrode (2) und dem Rotor (5) gebildet wird, – ein zeitlich variierender Strom als Verschiebungsstrom über die Elektrode (2) durch den elektrisch leitfähigen Bereich des Rotors (5) geleitet wird, – während der Rotor (5) einem konstanten oder zeitlich variierenden Magnetfeld ausgesetzt wird, das eine Magnetfeldkomponente senkrecht zur Stromrichtung im elektrisch leitfähigen Bereich des Rotors (5) aufweist, – so dass durch Wechselwirkung des Verschiebungsstroms mit der Magnetfeldkomponente eine Lorentzkraft auf den Rotor (5) ausgeübt und der Rotor (5) durch die Lorentzkraft relativ zur Elektrode (2) bewegt wird, – wobei der Rotor (5) zwischen der Elektrode und einer weiteren Elektrode als Pole (4) des Elektromotors um eine Rotorachse rotierbar gelagert wird, als zeitlich veränderlicher Strom ein Wechselstrom über die Pole (4) durch den Rotor (5) geleitet und der Rotor (5) gleichzeitig wenigstens einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, das an einem der Pole (4) eine Magnetfeldrichtung parallel zur Rotorachse aufweist und an dem anderen Pol (4) entgegengerichtet ist.
Verfahren zum Antrieb des Antriebskörpers (8) eines Linearmotors, bei dem der Antriebskörper (8), der zumindest in einem Bereich elektrisch leitfähig ausgebildet ist, in einem Abstand zu einer Elektrode (2) relativ zur Elektrode (2) beweglich gelagert wird, durch den eine elektrische Kapazität zwischen der Elektrode (2) und dem Antriebskörper (8) gebildet wird, – ein zeitlich variierender Strom als Verschiebungsstrom über die Elektrode (2) durch den elektrisch leitfähigen Bereich des Antriebskörpers (8)) geleitet wird, – während der Antriebskörper (8) einem konstanten oder zeitlich variierenden Magnetfeld ausgesetzt wird, das eine Magnetfeldkomponente senkrecht zur Stromrichtung im elektrisch leitfähigen Bereich des Antriebskörpers (8) aufweist, – so dass durch Wechselwirkung des Verschiebungsstroms mit der Magnetfeldkomponente eine Lorentzkraft auf den Antriebskörper (8) ausgeübt und der Antriebskörper (8) durch die Lorentzkraft relativ zur Elektrode (2) bewegt wird, – wobei der Antriebskörper (8) zwischen der Elektrode und einer weiteren Elektrode als Pole (4) des Linearmotors entlang einer Bewegungsachse verschiebbar gelagert wird, als zeitlich veränderlicher Strom ein Wechselstrom über die Pole (4) durch den Antriebskörper (8) geleitet und der Antriebskörper (8) gleichzeitig wenigstens einem magnetischen Gleich- oder Wechselfeld ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Wechselfeld mit wenigstens einer Spule erzeugt wird, die elektrisch parallel oder in Reihe zum Rotor (5) oder Antriebskörper (8) geschaltet ist.
Magnetfeldsensor mit wenigstens – einer Elektrode (2), und – einem relativ zur Elektrode (2) beweglich gelagerten Körper (1), der zumindest einen elektrisch leitfähigen Bereich aufweist, – wobei zwischen dem elektrisch leitfähigen Bereich und der Elektrode (2) ein Spalt (3) vorhanden ist, durch den eine elektrische Kapazität zwischen der Elektrode (2) und dem Körper (1) gebildet wird, über die ein Verschiebungsstrom durch den Körper (1) geleitet werden kann, und – wobei der Körper (1) so gelagert ist, dass durch eine Magnetfeldkomponente senkrecht zum Verschiebungsstrom eine Lorentzkraft auf den Körper (1) wirkt, die durch Wechselwirkung des Verschiebungsstroms mit der Magnetfeldkomponente erzeugt wird und durch die der Körper (1) relativ zu der Elektrode (2) bewegt wird und damit die Kapazität zwischen der Elektrode (2) und dem Körper (1) ändert, und mit – einer Messschaltung zur Erfassung einer Änderung der Kapazität.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) so zwischen der Elektrode (2) und einer weiteren Elektrode (2) angeordnet wird, dass sich bei einer durch die Lorentzkraft erzeugten Bewegung des Körpers (1) die Kapazität zwischen der Elektrode (2) und dem Körper (1) vergrößert und eine weitere Kapazität zwischen der weiteren Elektrode (2) und dem Körper (1) verkleinert.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (2) und der der Elektrode (2) gegenüber liegende elektrisch leitfähige Bereich des Körpers (1) als ineinander greifende Kammstrukturen ausgebildet sind.
Elektromotor mit wenigstens – zwei sich gegenüber liegenden Polen (4) und – einem zwischenliegenden, elektrisch leitfähigen Rotor (5), der um eine Rotorachse drehbar gelagert ist, – wobei zwischen jedem Pol (4) und dem Rotor (5) ein Spalt vorhanden ist, durch den eine Kapazität zwischen Pol (4) und Rotor (5) gebildet wird, über die ein Verschiebungsstrom durch den Rotor (5) geleitet werden kann, und mit – einer Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes, das an den Polen (4) parallel zur Rotorachse wirkt und an den beiden Polen (4) gegensätzliche Magnetfeldkomponenten aufweist.
Elektromotor mit wenigstens – zwei sich gegenüber liegenden Polen (4) und – einem zwischenliegenden, elektrisch leitfähigen Antriebskörper (8), der entlang einer Bewegungsachse verschiebbar gelagert ist, – wobei zwischen jedem Pol (4) und dem Antriebskörper (8) ein Spalt vorhanden ist, durch den eine Kapazität zwischen Pol (4) und Antriebskörper (8) gebildet wird, über die ein Verschiebungsstrom durch den Antriebskörper (8) geleitet werden kann, und mit – einer Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Gleich- oder Wechselfeldes, das senkrecht zur Bewegungsachse und senkrecht zu einer Richtung des Verschiebungsstroms durch den Antriebskörper (8) wirkt.
Elektromotor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes durch eine Anordnung einer oder mehrerer elektrischer Spulen gebildet wird.
Elektromotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren elektrischen Spulen elektrisch parallel oder in Reihe zum Rotor (5) oder Antriebskörper (8) geschaltet sind.