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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibrations-Grenzstandsensor mit induktivem Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Vibrations-Grenzstandsensor mit induktivem Antrieb sind beispielsweise aus der
EP 2 209 110 B1 der Anmelderin bekannt. Die aus dem Stand der Technik bekannten Vibrations-Grenzstandsensoren mit induktivem Antrieb zeichnen sich dadurch aus, dass Sie im Vergleich zu Vibrations-Grenzstandsensoren mit piezoelektrischem Antrieb für höhere Umgebungstemperaturen geeignet sind.
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In einer aus der
EP 2 209 110 B1 bekannten Ausgestaltungsform ist ein Permanentmagnet über eine Magnetaufnahme mit einer schwingfähigen Membran mit einer daran angeordneten Schwinggabel gekoppelt und durch eine feststehend in einem Gehäuse des Vibrations-Grenzstandsensors angeordnete Spule zu Schwingungen anregbar. Die Spule ist auf einem Spulenträger in eine Spulenaufnahme zur Magnetfeldlenkung angeordnet und weist einen Spulenkern, ebenfalls zur Magnetfeldlenkung, auf. Ein zwischen dem Permanentmagneten und dem Spulenkern gebildeter erster Luftspalt ist innerhalb einer axialen Erstreckung der Spule angeordnet. Ein zweiter Luftspalt ist zwischen der zylindrisch ausgebildeten Magnetaufnahme und der ebenfalls zylindrisch ausgebildeten Spulenaufnahme gebildet.
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Der Vibrations-Grenzstandsensor ist so aufgebaut, dass ein Magnetfeld induzierender Stromfluss in der Spule den Permanentmagneten zu Schwingungen in Axialrichtung anregt und / oder eine Schwingung des Permanentmagneten eine Spannung in der Spule induziert.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vibrations-Grenzstandsensoren tritt das Problem auf, dass sich zwischen der Magnetaufnahme, die den Permanentmagneten umgreift und dem der Membran abgewandten Pol des Permanentmagneten ein parasitärer Pfad des Magnetfeldes ausbildet, der für die Antriebsleistung des induktiven Antriebs verloren geht, sodass der Wirkungsgrad des Antriebs sinkt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Vibrations-Grenzstandsensor mit einem induktiven Antrieb bereitzustellen, der einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Vibrations-Grenzstandschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Vibrations-Grenzstandsensor mit einem induktiven Antrieb mit einer bestrombaren Spule mit einem Spulenkern, der wenigstens teilweise axial mit der Spule überlappend angeordnet ist, und einem in Axialrichtung ausgerichteten Permanentmagneten, wobei ein erstes Ende des Permanentmagneten in einer Magnetaufnahme gehaltert ist, und wobei die Spule und der Permanentmagnet relativ zueinander beweglich und einerseits an einem feststehenden Teil und andererseits an einem mit einer schwingfähig ausgebildeten Membran gekoppelten beweglichen Teil gelagert sind, wobei zwischen dem feststehenden Teil und dem beweglichen Teil wenigstens zwei Luftspalte gebildet sind, wobei ein erster Luftspalt zwischen dem Spulenkern und einem zweiten Ende des Permanentmagneten gebildet ist und ein zweiter Luftspalt zwischen dem feststehenden und dem beweglichen Teil besteht, zeichnet sich dadurch aus, dass die Magnetaufnahme wenigstens teilweise aus einem magnetisch nichtleitenden Material gefertigt ist.
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Dadurch, dass die Magnetaufnahme teilweise aus magnetisch nicht leitendem Material gefertigt ist, kann die Führung des Magnetfelds positiv beeinflusst werden. Insbesondere kann der nicht magnetische Teil der Magnetaufnahme so angeordnet sein, dass parasitäre Pfade, d.h. Pfade der Magnetfeldlinien, die nicht zu einer Kraftentwicklung des Elektromagneten beitragen, reduziert oder sogar vermieden werden können. Durch eine Reduktion dieser parasitären Pfade wird der Wirkungsgrad des Antriebs verbessert und die erzielbare Ausgangsleistung erhöht.
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Bei einem solchen Vibrations-Grenzstandsensor kann die Spule feststehend gelagert sein, wobei dann der Permanentmagnet mit der Membran gekoppelt und die Magnetaufnahme als beweglicher Teil mit der Membran verbunden ist.
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Eine solche Ausgestaltung kann einfach realisiert werden, da an der schwingfähigen Membran lediglich der Permanentmagnet über die Magnetaufnahme gelagert ist. Es müssen also keine elektrisch betriebenen Komponenten beweglich gelagert und mit Energie versorgt werden.
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Alternativ kann der Permanentmagnet feststehend gelagert sein, wobei dann die Spule mit der Membran gekoppelt ist und bspw. über einen Spulenträger als beweglichem Teil mit der Membran verbunden ist.
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Die Magnetaufnahme kann dafür wenigstens zweiteilig mit einer magnetisch nicht leitenden Hülse zur Halterung des Permanentmagneten und einem mit der Hülse verbundenen magnetisch leitenden Lenkungsabschnitt ausgebildet sein. Wird der Permanentmagnet in einer magnetisch nicht leitenden Hülse gehaltert, d.h. das der Membran zugewandte Ende des Permanentmagneten von der Hülse wenigstens in Radialrichtung umschlossen, so wird verhindert, dass am freien Ende des Permanentmagneten austretende Feldlinien über die Hülse direkt zum entgegengesetzten Pol des Permanentmagneten zurückgeführt werden. Die Feldlinien werden über den Lenkungsabschnitt geführt und zu einem magnetisch wirksamen Luftspalt im Magnetkreis gelenkt, sodass eine Kraftwirkung auf die Membran entfaltet wird.
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Die Hülse und/oder der Lenkungsabschnitt ist für eine optimale Kraftübertragung mit dem Bolzen verbunden. Die Verbindung kann bspw. durch Verschrauben, Verpressen, Verschweißen, Verkleben oder eine Kombination daraus erfolgen.
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Durch eine Kombination der o.g. Verbindungstechniken kann erreicht werden, dass bspw. eine Verschraubung durch ein zusätzliches Verschweißen oder Verkleben gegen ein Lösen der Verschraubung gesichert wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist die Hülse mit einem Boden versehen, in dem ein Innengewinde angeordnet ist. Der Lenkungsabschnitt ist auf den Bolzen aufgesteckt und stützt sich an einem Absatz des Bolzens ab. Gegen diesen Absatz ist der Lenkungsabschnitt mit Hilfe des Innengewindes in der Hülse, das mit einem Außengewinde des Bolzens zusammenwirkt, verspannt. Die Hülse kann zusätzlich mit dem Bolzen oder dem Lenkungsabschnitt durch Verschweißen, Verkleben oder anderweitig gegen ein Lösen der Verschraubung gesichert sein.
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Um den Wirkungsgrad der Anordnung zu maximieren sollte ein Abstand zwischen dem zweiten Ende des Permanentmagneten und einem Bodenbereich des Lenkungsabschnittes minimiert werden. Minimiert soll in diesem Zusammenhang bedeuten, dass der Abstand im Rahmen der verwendeten Materialien und deren mechanischen Eigenschaften möglichst klein gewählt wird. Soll bspw. die Hülse mit dem Bolzen verschraubt werden, so sind die bei der Anregung der Membran über den Bolzen auftretenden Kräfte bei der Auslegung der Verbindung zwischen Bolzen und Hülse zu berücksichtigen. Unter diesen Randbedingungen soll der Abstand und damit insbesondere eine Dicke des Bodens der Hülse so gering wie möglich gewählt werden.
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Insbesondere kann die Hülse in Axialrichtung membranseitig mit dem Permanentmagneten abschließen. D.h. dass die Hülse den Permanentmagneten in Axialrichtung nicht überragt, sondern nur an seinem Umfang umschließt. Es ist damit möglich, den Permanentmagneten unmittelbar auf dem Lenkungsabschnitt aufsitzen zu lassen, sodass eine optimale Einkopplung der Feldlinien in den Lenkungsabschnitt erreicht wird.
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Wird der Lenkungsabschnitt mit dem Bolzen verbunden, so kann die Hülse rohrförmig ausgestaltet sein. Das bedeutet insbesondere, dass die Hülse keinen eigenen Boden aufweist. Bspw. kann die Hülse dann mit dem Lenkungsabschnitt verschweißt, verklebt oder anders stoffschlüssig verbunden sein. Auch eine kraftschlüssige oder formschlüssige Verbindung ist denkbar. Bspw. kann die Hülse mit dem Lenkungsabschnitt verschraubt, oder verpresst sein. Auch für diese Verbindung ist eine Kombination aus verschiedenen Verbindungstechniken denkbar und vorteilhaft, bspw. zur Sicherung der Verbindung. Der Lenkungsabschnitt kann mit dem Bolzen bspw. verschraubt, verpresst, verschweißt oder anders verbunden sein.
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Alternativ kann der Permanentmagnet direkt mit dem Bolzen verbunden, bspw. verschraubt werden. Dazu wird in den Permanentmagneten ein Innengewinde eingebracht und dieser mit dem Bolzen verschraubt. Der Lenkungsabschnitt kann dann zwischen dem Permanentmagneten und einem Absatz des Bolzens eingespannt, oder zusätzlich mit dem Bolzen verbunden sein.
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Die Hülse kann grundsätzlich mit dem Lenkungsabschnitt kraftschlüssig, formschlüssig oder stoffschlüssig verbunden sein, sodass bei der Montage eine separat handhabbare Einheit gebildet ist, die mit dem Bolzen verbunden werden kann.
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Eine besonders einfache Fertigung ist möglich, wenn die Hülse aus einem rostfreien, schweißbaren, magnetisch nichtleitenden Edelstahl, bspw. AISI 316L, vorzugsweise WNr. 1.4404, gefertigt ist.
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Ein geeigneter Stahl gemäß der Bezeichnungen des American Iron and Steel Institute (AISI), Stand 06/2018, ist 316L. Die Werkstoffnummer eines geeigneten Stahls gemäß der Norm EN 10088-2:2014-12 ist 1.4404. Dieser Stahl fällt ebenfalls unter die AISI 316L, weist jedoch etwas breitere Spezifikationen auf.
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Alternativ kann die Hülse auch aus einem keramischen Werkstoff oder Glas gefertigt sein. Diese wären mit dem Lenkungsabschnitt dann zu verkleben oder anderweitig zu befestigen.
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Die Magnetaufnahme kann an ihrem Umfang einen sich in Radialrichtung von der Membran weg erstreckenden umlaufenden Kragen zur Führung des magnetischen Flusses aufweisen. Dieser Kragen kann insbesondere an dem Lenkungsabschnitt angeordnet oder einstückig mit diesem ausgebildet sein.
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Insbesondere kann zwischen dem Kragen und einem Joch zur Rückführung des Magnetfeldes ein zweiter Luftspalt gebildet sein, der zur Kraftwirkung des Antriebs beiträgt.
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Das Joch kann hülsenförmig und insbesondere rotationssymmetrisch zu einer Längsachse des Antriebs ausgebildet sein.
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Insgesamt ist eine rotationssymmetrische Ausgestaltung des Antriebs vorteilhaft, da auf diese Weise eine Vielzahl von Bauteilen des Antriebs rotationssymmetrisch und damit bspw. als Drehteile ausgebildete sein können.
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Ein rotationssymmetrischer Aufbau hat ferner positive Auswirkungen auf die wirkenden Kräfte, da diese ebenfalls symmetrisch wirken.
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Ferner kann das Joch mit einem Boden ausgebildet sein, wobei an dem Boden der Spulenkern angeordnet, vorzugsweise einstückig mit diesem ausgebildet, ist. Durch eine im Wesentlichen vollständige Führung des Magnetfeldes außerhalb der Luftspalte können magnetische Streufelder reduziert und der magnetische Widerstand des Magnetkreises reduziert werden, wodurch der Wirkungsgrad des Antriebs weiter erhöht werden kann.
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Eine Ausgestaltung der magnetfeldführenden Komponenten des Antriebs mit möglichst wenigen Bauteilen hat ebenfalls positive Auswirkungen auf den magnetischen Widerstand des Magnetkreises und wirkt sich damit positiv auf die Leistung des Antriebs aus.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch einen Vibrations-Grenzstandsensor mit induktivem Antrieb gemäß dem Stand der Technik,
- 2 einen Längsschnitt durch einen Vibrations-Grenzstandsensor mit induktivem Antrieb gemäß der vorliegenden Anmeldung,
- 3 eine Variante des Vibrations-Grenzstandsensors der 2 mit rohrförmiger Hülse und
- 4 eine weitere Variante des Vibrations-Grenzstandsensors der 2, bei der die Hülse vollständig entfällt.
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In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten mit gleicher Funktion.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Vibrations-Grenzstandsensor 1 mit induktivem Antrieb gemäß dem Stand der Technik.
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Der Vibrations-Grenzstandsensor 1 weist einen induktiven Antrieb auf, der im Wesentlichen aus einer in einem Gehäuse 13 gelagerten Spule 2, einem im Inneren der Spule 2 angeordneten Spulenkern 5 sowie einem über eine Magnetaufnahme 9 und einen Bolzen 15 an einer schwingfähigen Membran 11 gelagerten Permanentmagneten 7 besteht. Der Permanentmagnet 7 ist mit einem ersten Ende 71, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel dem Südpol des Permanentmagneten 7 entspricht, in der Magnetaufnahme 9 angeordnet. Der Permanentmagnet 7 ist in eine Ausnehmung der Magnetaufnahme 9 eingeklebt und damit stoffschlüssig mit dieser verbunden. Die Magnetaufnahme 9 ist mit dem Bolzen 15, der einstückig mit der Membran 11 ausgebildet ist, verschraubt und damit mit dieser gekoppelt.
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Eine Bewegung der Magnetaufnahme 9 ist derart auf die Membran 11 übertragbar, sodass eine Bewegung des Permanentmagneten 7 eine Bewegung der Membran 11 hervorruft und umgekehrt. An einer der Magnetaufnahme 9 gegenüberliegenden Seite der Membran 11 sind mechanische Schwinger 12 angeordnet, die bei einer Bewegung des Permanentmagneten 7 in Axialrichtung A eine seitliche Schwenkbewegung ausführen.
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Die Spule 2 des induktiven Antriebs ist feststehend in dem Gehäuse 13 des Vibrations-Grenzstandsensors 1 gelagert und von dem Spulenkern 5 durchsetzt. Der Spulenkern 5 und die Magnetaufnahme 9 sind beide aus magnetisch leitenden Material ausgebildet, sodass diese Komponenten für eine Führung des von der Spule 2 und dem Permanentmagneten 7 erzeugten Magnetfelds sorgen. Die Spule 2 umgebend ist ein zylindrisch ausgebildetes Joch 17 aus magnetisch leitenden Material angeordnet, mittels dessen ebenfalls das Magnetfeld geführt und damit der magnetische Kreis geschlossen wird. Zwischen dem Spulenkern 5 und einem zweiten Ende 72 des Permanentmagneten 7 ist ein erster Luftspalt 21 ausgebildet. Wird die Spule 2 bestromt, so wird der Permanentmagnet 7 aufgrund des durch die Bestromung erzeugten Magnetfelds in Richtung des Spulenkerns 5 gezogen, oder - je nach Ausrichtung des erzeugten Magnetfelds - von diesem abgestoßen.
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Der Spulenkern 5 ist rückseitig, d. h. an einem der Membran 11 abgewandten Ende des Vibrations-Grenzstandsensors 1 an dem Joch 17 gelagert und reicht in Axialrichtung A gesehen ungefähr bis zu Hälfte einer Axialerstreckung der Spule 2. Dem Spulenkern 7 in Axialrichtung A gegenüberliegend angeordnet und mit diesem einen ersten Luftspalt 21 ausbildend ist der Permanentmagnet 7 angeordnet, wobei der Permanentmagnet 7 mit seinem ersten Ende 71 in der Magnetaufnahme 9 gelagert ist.
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Der Permanentmagnet 7 kann beispielsweise in die Magnetaufnahme 9 eingepresst, in diese eingeklebt oder anderweitig mit dieser verbunden sein. Die Magnetaufnahme 9 weist ferner eine zentrische und in Axialrichtung A verlaufende Öffnung auf, in der der Bolzen 15 angeordnet ist. Die Magnetaufnahme 9 kann mit dem Bolzen 15 beispielsweise verpresst, verschraubt oder anderweitig verbunden sein. Die Magnetaufnahme 9 ist, wie oben beschrieben, topfförmig ausgebildet und weist daher einen in Axialrichtung A verlaufenden, umlaufenden Kragen 93 auf, der mit einem der Membran 5 zugewandten Ende des Jochs 17 einen zweiten Luftspalt 22 ausbildet, der ebenfalls zur Antriebsleistung des induktiven Antriebs beiträgt.
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Durch Bestromung der Spule 2 ist in dem feststehenden Teil der vorliegenden Anordnung, d. h. der Spule 2 und dem Spulenkern 7 ein Magnetfeld induzierbar, das bei geeigneter Größe und Frequenz dazu geeignet ist, den beweglichen Teil der vorliegenden Anordnung, d. h. den Permanentmagneten 7 und die Magnetaufnahme 9 in Axialrichtung A gerichtete Schwingungen zu versetzen. Über den Bolzen 15 übertragen sich diese Schwingungen auf die schwingfähig ausgebildete, an dem Gehäuse 13 gelagerten Membran 11, die die Schwingungen auf an der Membran 11 angeordnete Schwingelemente 12, die vorliegend als Schwinggabel ausgebildet sind, überträgt. Auf diese Weise können die von dem Antrieb erzeugten Schwingungen auf einen an die Membran 11 angrenzenden Raum und ein darin befindliches Prozessmedium übertragen werden.
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Umgekehrt werden Schwingungen der Schwingelemente 12 über die Membran 11 und den Bolzen 15 auf die Magnetaufnahme 9 übertragen und induzieren auf diese Weise einen Strom in der Spule 2. Auf diese Weise kann eine Schwingungsfrequenz und/oder Amplitude bzw. eine Änderung der Schwingungsfrequenz und/oder Amplitude der Schwingelemente 12 detektiert und damit auf eine Bedeckung der Schwingelemente 12 mit einem Prozessmedium geschlossen werden.
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In dem Ausführungsbeispiel der 1 ist ein erster Pfad P1, wie die Feldlinien idealerweise verlaufen sollten, eingezeichnet. Die Feldlinien des von der Spule 2 und dem Permanentmagneten 7 erzeugten Magnetfelds verlaufen gemäß dem ersten Pfad P1 durch den Permanentmagneten 7, die Magnetaufnahme 9 hin zu dem zweiten Luftspalt 22, über das Joch 17, einen mit dem Joch verbundenen Boden 19, den Spulenkern 5 und den ersten Luftspalt 21 zurück zum Permanentmagneten 7, sodass beide Luftspalte 21, 22 zur Antriebsleistung des induktiven Antriebs beitragen.
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Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Ausgestaltungsform kommt es jedoch zu einem parasitären zweiten Pfad P2, den die Magnetfeldlinien beschreiten. Der zweite Pfad P2 verläuft nach dem Austritt aus dem Permanentmagneten 7 in der Magnetaufnahme 9 nach oben und springt von dort über einen Spulenträger, auf dem die Spule 2 angeordnet ist, auf das Joch 17 über und umgeht dabei den parallel zur Membran 11 ausgerichteten zweiten Luftspalt 22, sodass dieser Anteil der Magnetfeldlinien für eine Kraftwirkung des Antriebs verloren geht.
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Gemäß einem dritten Pfad P3 können sich auch Magnetfeldlinien unmittelbar von der Magnetaufnahme 9 zurück in den Permanentmagneten 7 ausbilden, sodass dieser Anteil des Magnetfelds nicht nur im zweiten Luftspalt 22 sondern auch im ersten Luftspalt 21 für die Antriebsleistung verloren geht.
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In 2 ist ein Längsschnitt durch einen Vibrations-Grenzstandsensor 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung gezeigt.
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Der grundsätzliche Aufbau des Vibrations-Grenzstandsensors 1 entspricht dem in 1 dargestellten Vibrations-Grenzstandsensor 1 mit dem Unterschied, dass die Magnetaufnahme 9 entsprechend der vorliegenden Erfindung zweiteilig ausgebildet ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Magnetaufnahme 9 aus einer Hülse 91, in der der Permanentmagnet 7 befestigt ist, und einem Lenkungsabschnitt 92 zur Führung des Magnetfelds gebildet. Die Hülse 91 ist aus einem magnetisch nicht leitenden Material, beispielsweise einem schweißbaren, magnetisch nicht leitenden Edelstahl gefertigt.
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Zur Herstellung einer Verbindung mit der Membran 11 weist der Lenkungsabschnitt 92 eine Bohrung auf, durch die der Bolzen 15 geführt ist. Die Hülse 91 weist ein Innengewinde auf, und ist auf ein korrespondierendes Außengewinde des Bolzens 15 geschraubt, sodass der Lenkungsabschnitt 92 gegen einen Absatz des Bolzens 15 verspannt wird. Um ein Lösen dieser Verbindung zu verhindern ist die Hülse 91 mit dem Lenkungsabschnitt 92 punktuell oder alternativ umlaufend verschweißt, sodass ein aufdrehen der Schraubverbindung wirksam verhindert wird. Alternativ ist auch eine Sicherung der Schraubverbindung beispielsweise mittels eines Schraubensicherungslacks oder anderer Sicherungsmittel möglich.
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Dadurch, dass die Hülse 91 aus magnetisch nicht leitenden Material gefertigt ist wird das Magnetfeld des Permanentmagneten 7 und der Spule 2 vollständig über den Lenkungsabschnitt 92 zu dem zweiten Luftspalt 22 geführt und steht damit vollständig für die Antriebsleistung des induktiven Antriebs zur Verfügung. Parasitäre Magnetfeldpfade wie sie im Stand der Technik entstehen wenn auf diese Art und Weise wirkungsvoll verhindert.
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Für eine Wirkung der vorliegenden Maßnahme ist es vorteilhaft, wenn ein Abstand d zwischen dem ersten Ende 71 des Permanentmagneten 7, an dem die Magnetfeldlinien aus dem Permanentmagneten 7 austreten und dem Eintritt in den Lenkungsabschnitt 92 möglichst gering ist. Um dies zu erreichen kann die Hülse 91, wie in 3 dargestellt, beispielsweise rohrförmig ausgestaltet sein, sodass der Permanentmagnet 7 unmittelbar auf dem Lenkungsabschnitt 92 aufsitzt oder - wenn dies technologisch machbar ist - ein Innengewinde zur Verspannung mit dem Bolzen 15 unmittelbar in den Permanentmagneten 7 eingebracht werden. Die Hülse 91 könnte auf diese Weise, wie in 4 dargestellt, auch vollständig entfallen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vibrations-Grenzstandsensor
- 2
- Spule
- 5
- Spulenkern
- 7
- Permanentmagnet
- 9
- Magnetaufnahme
- 11
- Membran
- 12
- mechanische Schwinger
- 13
- Gehäuse
- 15
- Bolzen
- 17
- Joch
- 19
- Boden
- 21
- erster Luftspalt
- 22
- zweiter Luftspalt
- 71
- erstes Ende
- 72
- zweites Ende
- 91
- Hülse
- 92
- Lenkungsabschnitt
- 93
- Kragen
- A
- Axialrichtung
- d
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2209110 B1 [0002, 0003]
