DE10258333B4

DE10258333B4 - Metallpartikelsensor

Info

Publication number: DE10258333B4
Application number: DE2002158333
Authority: DE
Inventors: Christian Eugster; Michael Rütsche; Franz Baumgartner; Christoph Würsch
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2022-12-13
Also published as: DE10258333A1

Abstract

Metallpartikelsensor mit einem zylindrischen Permanentmagneten (4), welcher in eine Einbettung (3) aus nichtferromagnetischem Material fest eingebettet ist, und einem Hallsensor (5), der vollständig innerhalb der Einbettung (3) angeordnet ist, wobei der Hallsensor (5) zur Messung der Änderung der radialen Komponente (Br) des magnetischen Feldes bei der Anlagerung von ferromagnetischen Partikeln (6) an der Polstirnfläche (2) des Permanentmagneten (4) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Polstirnfläche (2) des Permanentmagneten (4) gegenüber der Einbettung (3) übersteht und der Hallsensor (5) im polstirnseitigem Drittel einer Gesamtlänge des Permanentmagneten (4) radial benachbart zu dem Permanentmagneten (4) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezeichnet einen Metallpartikelsensor, insbesondere einen Eisenpartikelsensor zur Überwachung eines Getriebeöls einer Handwerkzeugmaschine.
Derartige Eisenpartikelsensoren zur Überwachung eines Getriebeöls einer Handwerkzeugmaschine müssen klein, technologisch einfach und robust sein.
Nach der WO 02/46 744 A2 weist ein Eisenpartikelsensor einen Permanentmagneten auf, dem ein Hallsensor beabstandet zugeordnet ist. Der zur Erzielung des benötigten Abstands notwendige komplexe Aufbau des Eisenpartikelsensors ist für kleinräumige, kompakte Getriebe von Handwerkzeugmaschinen ungeeignet.
Nach der GB 2 029 580 A wird bei einem konstruktiv einfachen, magnetischen Metallpartikelsensor mit einem bis auf eine überstehende Polstirnfläche in Epoxidharz eingebetteten, zylinderförmigen Permanentmagneten die Änderung der radialen Komponente des magnetischen Feldes mit einem nahe der überstehenden Polstirnfläche dem Permanentmagneten radial benachbarten, nur teilweise eingebetteten, Hallsensor gemessen. An dem Radialspalt zwischen der Mantelfläche des Permanentmagneten nahe der Polstirnfläche und dem teilweise überstehenden Teil des Hallsensors können sich strömungsmechanisch beliebige Partikel verfangen, wodurch das Messergebnis verfälscht wird. Zudem ist aus Symmetriegründen an einer derartigen Messposition an der Mantelfläche des Hallsensors stets eine magnetische Mindestfeldstärke der radialen Komponente vorhanden, wodurch die Messempfidlichkeit sinkt.
EP 0 116 468 A1 zeigt einen magnetischen Teilchensammler, der magnetisch anziehende Teilchen aus einer Schmierflüssigkeit entfernt. Ein Magnet ist mit einem Pol in einem dünnwandigen Gehäuse angeordnet. Auf einer Stirnseite des Pols ist ein magnetfeldsensitiver Sensor angebracht, welcher eine Anlagerung von magnetischen Teilchen an dem Gehäuse nahe dem Pol erfasst.
Die Aufgabe besteht in der Erhöhung der Messempfindlichkeit eines konstruktiv einfachen Metallpartikelsensors. Ein weiterer Aspekt ist die Verminderung der Temperaturabhängigkeit der Messung.
Im Wesentlichen weist ein Metallpartikelsensor einen, bis auf eine überstehende Polstirnfläche in eine Einbettung aus nichtferromagnetischem, d. h. diamagnetischem oder paramagnetischem, Material fest eingebetteten, Permanentmagneten und einen nahe de überstehenden Polstirnfläche dem Permanentmagneten radial benachbarten, zumindest teilweise innerhalb der Einbettung angeordneten, Hallsensor zur Messung der Änderung der radialen Komponente des magnetischen Feldes bei der Anlagerung von ferromagnetischen Partikeln an der Polstirnfläche des Permanentmagneten auf, wobei der Hallsensor vollständig innerhalb der Einbettung angeordnet ist.
Indem der Hallsensor vollständig innerhalb der Einbettung angeordnet ist, wird statt der Messung der Änderung des magnetischen Feldes in einem Radialspalt nunmehr direkt die Änderung des magnetischen Feldes im Innern der Einbettung gemessen, wodurch die Messstelle vor Verunreinigungen geschützt ist.
Vorteilhaft ist der Hallsensor an einer Messstelle nahe der Mantelfläche des Permanentmagneten angeordnet, aus welcher das magnetische Feld notwendig fast senkrecht austritt, wodurch die radiale Komponente des magnetischen Feldes bei der Messung bevorzugt wird.
Vorteilhaft ist der Hallsensor direkt an einer Mantelfläche des Permanentmagneten angeordnet, welche weiter vorteilhaft an der Messstelle mit einer formschlüssig passenden Positionierungsaussparung versehenen ist, wodurch dieser bezüglich der Lage zum Permanentmagneten sowie der Orientierung zu einer Magnetisierungsachse des Permanentmagneten definiert vormontierbar und mit diesem gemeinsam einbettbar ist.
Vorteilhaft ist der Hallsensor im polstirnseitigen Drittel einer Gesamtlänge des Permanentmagneten angeordnet sowie magnetisch sensitiv in der Richtung der Normalen der Messstelle der Mantelfläche orientiert, wodurch die bei der Anlagerung von ferromagnetischen Partikeln an der Polstirnfläche des Permanentmagneten auftretende Änderung des Magnetfeldes optimal erfassbar ist, was numerische Simulationen bestätigen.
Vorteilhaft ist bezüglich der Körperssymmetrie des Permanentmagneten die Magnetisierungsachse von der Messstelle weg geneigt, wodurch die radiale Komponente des magnetischen Feldes zur Normalen der Mantelfläche an der Messstelle mit der zur Polstirnfläche orientierten Magnetisierungsachse einen stumpfen Winkel ausbildet, weiter vorteilhaft im Bereich von 94° bis 105°, optimal 98°, wodurch ohne Anlagerung von ferromagnetischen Partikeln die radiale Komponente des magnetischen Feldes an der Messstelle nahezu Null ist und somit bei der Anlagerung ferromagnetischen Materials eine maximale Änderung des magnetischen Feldes messbar ist, was numerische Simulationen bestätigen.
Vorteilhaft ist der vollständig innerhalb der Einbettung angeordnete Hallsensor begrenzt längsversetzbar mit einem, längs des Permanentmagneten in die Einbettung auskragenden, Längenausgleich verbunden, welcher einbettungsseitig fest im nichtferromagnetischen Material eingebettet ist, wodurch vermittelt über die verschiedenen Längenausdehnungskoeffizienten des Permanentmagneten und des nichtferromagnetischen Materials bei einer Temperaturänderung die Position des Hallsensors bezüglich des Permanentmagneten definiert versetzbar ist und somit eine Temperaturabhängigkeit des magnetischen Feldes kompensiert.
Vorteilhaft ist der Längenausgleich durch die in die Einbettung mit mindestens der halben Gesamtlänge des Permanentmagneten auskragenden Anschlussbeine, welche weiter vorteilhaft aus einer Kupferlegierung bestehen, des Hallsensors ausgebildet, wodurch dieser technologisch einfach realisierbar ist.
Vorteilhaft ist der Permanentmagnet, der Hallsensor und die Einbettung innerhalb einer Montagehülse angeordnet, welche weiter vorteilhaft aus nichtferromagnetischem Material, vorzugsweise Messing, besteht und als Hohlzylinderschraube ausgebildet ist, wodurch der Metallpartikelsensor als Ganzes einfach montierbar ist.
Die Erfindung wird bezüglich eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels näher erläutert mit:
1 als Metallpartikelsensor
2 als numerische Simulation
3 als Variante der numerischen Simulation
Nach 1 weist ein Metallpartikelsensor 1 einen, bis auf eine überstehende Polstirnfläche 2 in eine Einbettung 3 aus diamagnetischen Material in Form von Epoxidharz fest eingebetteten, Permanentmagneten 4 und einen nahe der überstehenden Polstirnfläche 2 dem Permanentmagneten 4 radial benachbarten Hallsensor 5 auf. Dieser misst die Änderung der radialen Komponente B_r des magnetischen Feldes bei der Anlagerung von ferromagnetischen Partikeln 6 an der Polstirnfläche 2 des Permanentmagneten 4. Der vollständig von der Einbettung 3 umfasste Hallsensor 5 ist im polstirnseitigen Drittel einer Gesamtlänge L des Permanentmagneten 4 direkt an einer Mantelfläche 7 des Permanentmagneten 4 angeordnet sowie magnetisch sensitiv in der Richtung der Normalen der Mantelfläche 7 an einer Messstelle 8 orientiert, an welcher eine formschlüssig passende Positionierungsaussparung 9 vorhanden ist. Bezüglich der Körperssymmetrie des zylinderförmigen Permanentmagneten 4 ist die Magnetisierungsachse 10 von der Messstelle 8 weg geneigt, indem die radiale Komponente B_r des magnetischen Feldes zur Normalen der Mantelfläche 7 an der Messstelle 8 mit der zur Polstirnfläche 2 orientierten Magnetisierungsachse 10 einen stumpfen Winkel α von 98° ausbildet. Der Hallsensor 5 ist begrenzt längsversetzbar mit einem längs des Permanentmagneten 4 einbettungsseitig auskragenden Längenausgleich 11 in Form seiner Anschlussbeine mit ca. 80% der Gesamtlänge L des Permanentmagneten 4 verbunden, welche einbettungsseitig fest mit der Einbettung 3 verbunden sind. Der Permanentmagnet 4, der Hallsensor 5 und die Einbettung 3 sind innerhalb einer Montagehülse 12 aus Messing angeordnet, welche als Hohlzylinderschraube ausgebildet ist.
Nach der in 2 dargestellten numerischen FEM-Simulation eines zylinderförmigen Permanentmagneten 4 erzeugt eine Anlagerung von ferromagnetischen Partikeln 6 an der Polstirnfläche 2 eine Änderung Δ der radialen Komponente B_r des magnetischen Feldes, welche im polstirnseitigen Drittel der Gesamtlänge L des Permanentmagneten 4 maximal ist.
Nach der in 3 dargestellten numerischen FEM-Simulation eines zylinderförmigen Permanentmagneten 4 mit einem Winkel α von 98° zwischen der Magnetisierungsachse 10 zur Normalen der Mantelfläche 7 ist die radiale Komponente B_r des magnetischen Feldes an der Messstelle 8 im polstirnseitigen Drittel einer Gesamtlänge L des Permanentmagneten 4 nahezu Null.

Claims

Metallpartikelsensor mit einem zylindrischen Permanentmagneten (4), welcher in eine Einbettung (3) aus nichtferromagnetischem Material fest eingebettet ist, und einem Hallsensor (5), der vollständig innerhalb der Einbettung (3) angeordnet ist, wobei der Hallsensor (5) zur Messung der Änderung der radialen Komponente (B_r) des magnetischen Feldes bei der Anlagerung von ferromagnetischen Partikeln (6) an der Polstirnfläche (2) des Permanentmagneten (4) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Polstirnfläche (2) des Permanentmagneten (4) gegenüber der Einbettung (3) übersteht und der Hallsensor (5) im polstirnseitigem Drittel einer Gesamtlänge des Permanentmagneten (4) radial benachbart zu dem Permanentmagneten (4) angeordnet ist.
Metallpartikelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (5) an einer Messstelle (8) direkt an der Mantelfläche (7) des Permanentmagneten (4) angeordnet ist.
Metallpartikelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (5) direkt an der Mantelfläche (7) des Permanentmagneten (4) angeordnet ist, welche an einer Messstelle (8) mit einer formschlüssig passenden Positionierungsaussparung (9) versehen ist.
Metallpartikelsensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (5) magnetisch sensitiv in der Richtung der Normalen der Mantelfläche (7) an der Messstelle (8) orientiert ist.
Metallpartikelsensor nach einem der vorherigen Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich der Körperssymmetrie des Permanentmagneten (4) die Magnetisierungsachse (10) von der Messstelle (8) weg geneigt ist, indem die radiale Komponente (B_r) des magnetischen Feldes zur Normalen der Mantelfläche (7) an der Messstelle (8) mit der zur Polstirnfläche (2) orientierten Magnetisierungsachse (10) einen stumpfen Winkel (α) ausbildet, optional im Bereich von 94° bis 105°, weiter optional 98°.
Metallpartikelsensor nach einem der vorherigen Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vollständig innerhalb der Einbettung (3) angeordnete Hallsensor (5) begrenzt längsversetzbar mit einem, längs des Permanentmagneten (4) in die Einbettung (3) auskragenden, Längenausgleich (11) verbunden ist, welcher einbettungsseitig fest in der Einbettung (3) fixiert ist.
Metallpartikelsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Längenausgleich (11) durch die mit mindestens der halben Gesamtlänge (L) des Permanentmagneten (5) in die Einbettung (3) auskragenden Anschlussbeine des Hallsensors (5) ausgebildet ist.
Metallpartikelsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (4), der Hallsensor (5) und die Einbettung (3) innerhalb einer Montagehülse (12) angeordnet sind, welche optional aus nichtferromagnetischem Material besteht und als Hohlzylinderschraube ausgebildet ist.